基于中間補氣壓縮機的地暖系統(tǒng)制熱性能實驗研究

費繼友王英邗張文強李花謝金路陳東東梁晟銘

（1大連交通大學機械工程學院 大連 116028；2青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司 青島 266071）

基于中間補氣壓縮機的地暖系統(tǒng)制熱性能實驗研究

費繼友1王英邗1張文強2李花1謝金路1陳東東1梁晟銘1

（1大連交通大學機械工程學院 大連 116028；2青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司 青島 266071）

本文將中間補氣渦旋式壓縮機應(yīng)用于地暖制熱系統(tǒng)，以解決地暖制熱系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱性能不佳、機組運行不穩(wěn)定等問題，并建立補氣地暖樣機實驗系統(tǒng)，研究了在不同運行工況下中間補氣地暖系統(tǒng)的壓縮機排氣溫度、制熱量、功耗及制熱COP等參數(shù)，分析了中間補氣地暖系統(tǒng)制熱性能與常規(guī)熱泵制熱性能之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明:當環(huán)境溫度處于-20～7℃之間時，帶中間補氣系統(tǒng)的地暖機組的制熱量相比于普通熱泵平均提升約26.2%，制熱COP平均提升約為8.7%，功耗僅平均增加約16%；當室外環(huán)境溫度為-20℃時，壓縮機排氣溫度降低了12℃?？梢姴捎弥虚g補氣技術(shù)的地暖系統(tǒng)在低能耗的條件下更能滿足低環(huán)境溫度的需求。

中間補氣；渦旋式壓縮機；地暖系統(tǒng)；制熱性能

近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，民眾對生活舒適性的要求顯著提高，尤其寒冷冬季對室內(nèi)環(huán)境溫度的需求。地熱采暖是目前最接近人體舒適健康的理想采暖方式，因此獨立的空氣源熱泵地暖系統(tǒng)應(yīng)運而生［1-2］，該系統(tǒng)與當前分布式供熱技術(shù)發(fā)展趨勢相吻合，但這種取暖方式的不足是機組在低溫環(huán)境下運行時，由于蒸發(fā)溫度過低，導致壓縮機的壓縮比過大，造成排氣溫度過高，甚至超出壓縮機本身允許的工作溫度范圍，使壓縮機可靠性降低。同時，在低蒸發(fā)溫度下，由于制冷劑流量低，制熱量衰減明顯，影響制熱效率［3-5］。

目前主要采用中間補氣技術(shù)解決這類問題，即在壓縮機中間腔補充中壓氣體，增加排氣量，降低排氣溫度，能夠很好解決熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱能力不足、壓縮機排氣口溫度過高、運行不穩(wěn)定等問題，是較為經(jīng)濟、有效的改善方案。研究大多將中間補氣技術(shù)應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)，地暖系統(tǒng)中應(yīng)用較少。費繼友等［4］對采用吸氣噴液的空氣源熱泵系統(tǒng)進行理論分析和實驗研究，得到不同噴液量對機組性能參數(shù)的影響。張劍飛等［5］對渦旋式壓縮機中間補氣技術(shù)進行了研究，得出中間補氣技術(shù)能夠很好地解決熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱能力不足、壓縮機排氣口溫度過高、運行不穩(wěn)定等問題的結(jié)論。秦妍等［6-11］對采用噴射器的經(jīng)濟器補氣熱泵系統(tǒng)循環(huán)機制與特性進行了研究。王文毅等［12］研究分析了低溫工況下中間補氣量對熱泵系統(tǒng)性能的影響。

為驗證應(yīng)用中間補氣技術(shù)能提高地暖系統(tǒng)的制熱性能及穩(wěn)定性，本文從理論循環(huán)和實驗方法兩方面進行探究，并分析中間補氣地暖系統(tǒng)較常規(guī)熱泵系統(tǒng)在制熱性能方面的提升和優(yōu)勢，為工程實踐提供重要的技術(shù)支持。

1　帶中間補氣壓縮機的地暖系統(tǒng)

1.1中間補氣地暖系統(tǒng)原理

地暖制熱系統(tǒng)工作原理如圖1所示。制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮，進入冷凝器（殼管式換熱器）被冷凝。由冷凝器排出的液體制冷劑分為兩路，主路為制冷回路，輔路為補氣回路。主路的制冷劑直接進入經(jīng)濟器（板式換熱器）實現(xiàn)熱交換后進一步被過冷，經(jīng)電子膨脹閥1節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器（翅片式換熱器）。輔路的制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥2被節(jié)流到中間某壓力進入經(jīng)濟器，在經(jīng)濟器中吸熱汽化通過渦旋式壓縮機中間腔的補氣孔進入壓縮機。主路的制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，氣體制冷劑被壓縮機吸氣口吸入，至此完成一次制冷劑循環(huán)。

圖1　帶中間補氣壓縮機地暖制熱系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of under-floor heating system w ith vapor-injection compressor

本系統(tǒng)可保證在室外環(huán)境溫度為-20℃以上時都能以較高效率提供室內(nèi)所需的熱量。在渦旋式壓縮機壓縮腔的適當部位開設(shè)一補氣口，通過設(shè)置經(jīng)濟器提高系統(tǒng)低溫下的制熱量和COP，明顯降低壓縮機的排氣溫度。

1.2理論分析與計算

圖2所示為中間補氣地暖制熱系統(tǒng)的壓-焓圖，其中1→3′→4→6′→1為普通熱泵系統(tǒng)制熱循環(huán)過程；1→2→2′→3→5→6→1為中間補氣地暖制熱系統(tǒng)中主路制冷劑循環(huán)過程；2′→3→4→5′→2′為中間補氣地暖制熱系統(tǒng)中補氣回路制冷劑循環(huán)過程。根據(jù)系統(tǒng)壓-焓圖，對該系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)進行理論分析。

圖2　壓焓圖Fig.2 Pressure enthalpy diagram

1）制冷量的計算

由圖2可知，壓縮機吸氣側(cè)制冷劑流量不變［5，10］，均為ms，普通熱泵制冷量Q′冷為:

式中:ms為普通熱泵循環(huán)過程制冷劑質(zhì)量流量，kg；h1為普通熱泵壓縮機吸氣比焓，kJ/kg；h6′為普通熱泵蒸發(fā)器入口比焓，kJ/kg。

中間補氣系統(tǒng)制冷量Q冷為:

式中:ms為中間補氣系統(tǒng)蒸發(fā)過程制冷劑質(zhì)量流量，kg；h1為中間補氣系統(tǒng)壓縮機吸氣比焓，kJ/ kg；h6為中間補氣系統(tǒng)蒸發(fā)器入口比焓，kJ/kg。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，采用中間補氣技術(shù)的循環(huán)在蒸發(fā)側(cè)焓差明顯增加，從而提高壓縮機的制冷能力。由式（1）及式（2）可知，中間補氣系統(tǒng)相比于普通熱泵系統(tǒng)制冷能力增加值ΔQ冷為:

2）壓縮機功耗的計算

由圖2可知，普通熱泵壓縮過程為1點至3′點，壓縮過程制冷劑流量一直為ms，所以普通熱泵壓縮機功耗W′為:

式中:h3′為普通熱泵壓縮機排氣比焓，kJ/kg。

由于3′點至2點和3點至2′點的等熵效率相同，即h3′-h2=h3-h2′，因此普通熱泵壓縮機功耗W′可等效為:

式中:h2′為中間補氣系統(tǒng)壓縮機補氣比焓，kJ/ kg；h3為中間補氣系統(tǒng)壓縮機排氣比焓，kJ/kg。

中間補氣系統(tǒng)壓縮機的壓縮過程可以近似的看成補氣前壓縮過程和補氣后壓縮過程［12］，補氣前壓縮由1點至2點，此階段制冷劑流量為ms，壓縮機功耗W1為:

式中:ms為中間補氣系統(tǒng)補氣前壓縮過程制冷劑質(zhì)量流量，kg；h1為中間補氣系統(tǒng)壓縮機吸氣比焓，kJ/kg；h2為中間補氣系統(tǒng)補氣前比焓，kJ/kg。

補氣后壓縮為2′點至3點，此階段制冷劑流量為（ms+mi），壓縮機功耗W2為:

式中:mi為中間補氣系統(tǒng)補氣口補入制冷劑質(zhì)量流量，kg。

中間補氣系統(tǒng)壓縮機總功耗為補氣前壓縮和補氣后壓縮功耗之和，計算公式為:

因此由式（5）及式（8）可知，中間補氣系統(tǒng)相對于普通熱泵系統(tǒng)功耗增加，增加值ΔW的計算公式為:

3）制熱量的計算

普通熱泵系統(tǒng)冷凝過程為3′點至4點，普通熱泵系統(tǒng)制熱量Q′熱為:

式中:Q′熱為普通熱泵系統(tǒng)制熱量，kJ；h4為冷凝器出口比焓，kJ/kg。

中間補氣系統(tǒng)冷凝過程為3點至4點，中間補氣系統(tǒng)制熱量Q熱為:

式中:Q熱為中間補氣系統(tǒng)制熱量，kJ；h3為中間補氣系統(tǒng)壓縮機排氣比焓，kJ/kg。

中間補氣系統(tǒng)冷凝過程中，制冷劑質(zhì)量流量增加，但其壓縮機排氣溫度低于普通熱泵系統(tǒng)，導致其在冷凝過程中焓差值小于普通熱泵系統(tǒng)，因此制熱量變化情況根據(jù)壓-焓圖很難得出。由文獻［5］可知，系統(tǒng)制熱量的增加為制冷量增加量與功耗增加量之和，因此其制熱量增加值計算公式為:

式中:ΔQ熱為制熱量增加值，kJ；h2′為中間補氣系統(tǒng)壓縮機補氣比焓，kJ/kg；h3為中間補氣系統(tǒng)壓縮機排氣比焓，kJ/kg。

2　機組性能參數(shù)測試

實驗測試系統(tǒng)依照GB/T17758—2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機》［13］和GB/T18430.1—2007《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組》［14］設(shè)計建造，由室外機循環(huán)系統(tǒng)、室內(nèi)機水循環(huán)系統(tǒng)和控制測量系統(tǒng)組成，室外機主要包括中間補氣壓縮機、換熱器、電子膨脹閥等裝置，室內(nèi)機主要由循環(huán)水泵、儲液罐、壓力罐等裝置組成。中間補氣地暖系統(tǒng)整機配置詳見表1。

表1　中間補氣地暖系統(tǒng)整機配置Tab.1 The configuration of the under-floor heating system w ith vapor-injection

表2　機組測試工況Tab.2 The testing condition of units

基于渦旋式壓縮機中間補氣技術(shù)的地暖機組制熱性能實驗測試工況如表2所示，本實驗系統(tǒng)中，室外側(cè)環(huán)境溫度由焓差實驗室控制。

中間補氣地暖系統(tǒng)的冷凝器為安裝在室內(nèi)機（水模塊）中的殼管式換熱器，殼管式換熱器由圓柱形殼體和安裝在殼體內(nèi)的蛇形管束構(gòu)成。載冷劑冷卻水在管束內(nèi)流動，流向為下進上出；高壓氣態(tài)制冷劑R410A在圓柱形殼體與管束之間自上向下流動，與冷凝水進行熱交換。該系統(tǒng)屬于分體式水冷空調(diào)機，機組的制熱量須根據(jù)測量進出水模塊的水溫變化和水流量確定［13-15］。測點布置如圖3所示，室內(nèi)機進水口、出水口分別布置溫度計測量進、出口水溫；進水口處布置流量計，測量室內(nèi)機內(nèi)的循環(huán)水流量。同時，在壓縮機排氣口布置NTC類型溫度傳感器，采集壓縮機排氣溫度。

圖3　制熱量測點布置示意圖Fig.3 M easuring points diagram of heating performance test

3　實驗結(jié)果及分析

在上述實驗測試工況條件下，對以R410A為制冷劑的采用中間補氣渦旋式壓縮機的地暖系統(tǒng)性能進行實驗研究，測試機組的壓縮機排氣溫度、制熱量、功耗以及制熱COP等參數(shù)隨室外環(huán)境溫度變化情況，并將其與常規(guī)熱泵相應(yīng)性能進行比較，得到如下測試結(jié)果。

3.1排氣溫度

圖4所示為壓縮機排氣溫度隨室外環(huán)境溫度變化曲線。當環(huán)境溫度相對較高時，采用中間補氣技術(shù)系統(tǒng)較常規(guī)系統(tǒng)壓縮機排氣溫度的改善效果并不明顯，例如，在室外環(huán)境溫度為2℃時，補氣系統(tǒng)的壓縮機排氣溫度比普通熱泵只降低了1.4℃；室外環(huán)境溫度為7℃時，補氣系統(tǒng)與普通熱泵的排氣溫度基本相當。隨著室外環(huán)境溫度的降低，補氣系統(tǒng)壓縮機相對補氣量不斷增加，對排氣溫度的改善也越明顯，當室外環(huán)境溫度為-20℃時，可降低排氣溫度約12℃。

圖4　壓縮機排氣溫度隨室外環(huán)境溫度變化曲線Fig.4 The variations of compressor discharge tem perature w ith am bient tem perature

3.2制熱量

圖5所示為制熱量隨環(huán)境溫度變化曲線。兩個系統(tǒng)的制熱量變化規(guī)律相似，隨著室外環(huán)境溫度的逐漸降低，制熱量都逐漸降低，但補氣系統(tǒng)的制熱量相對于常規(guī)熱泵系統(tǒng)而言整體有較大提升。由于壓縮機在補氣后的吸氣比容明顯減小，提高了壓縮機制冷劑理論循環(huán)流量，系統(tǒng)容積制熱量有了很大提高，提升了系統(tǒng)的制熱效率。隨著室外溫度的下降，補氣系統(tǒng)的制熱能力提升比例不斷增大，當室外溫度為2℃時，補氣系統(tǒng)比普通熱泵制熱量提升約21%；在室外溫度降至-20℃時，補氣系統(tǒng)制熱能力相比于普通熱泵提升約為40%。當環(huán)境溫度處于-20～7℃之間，中間補氣系統(tǒng)相比于普通熱泵系統(tǒng)制熱量平均提升26.2%。由此可以看出，補氣系統(tǒng)處于較低的室外環(huán)境溫度時會有更好的制熱能力提升效果。因此，帶有中間補氣壓縮機的熱泵系統(tǒng)更能適應(yīng)極低的室外環(huán)境溫度。

圖5　制熱量隨環(huán)境溫度變化曲線Fig.5 The variations of heating capacity w ith ambient temperature

3.3制熱功耗

對兩臺樣機進行寬范圍的制熱性能測試發(fā)現(xiàn)，補氣系統(tǒng)的制熱功耗隨室外環(huán)境溫度的降低基本保持不變，但其功耗比普通熱泵系統(tǒng)平均增加約16%，原因是補氣系統(tǒng)壓縮機壓縮的工質(zhì)質(zhì)量大于普通熱泵系統(tǒng)，補氣壓力升高增加了壓縮機的輸氣量，致使壓縮功耗增大。兩臺樣機的制熱功耗的變化規(guī)律如圖6所示，隨著室外環(huán)境溫度的降低，補氣系統(tǒng)與常規(guī)熱泵功耗差值逐漸增大。

圖6　制熱功耗隨環(huán)境溫度變化曲線Fig.6 The variations of thermal power consumption w ith ambient temperature

3.4制熱COP

圖7所示為制熱COP隨環(huán)境溫度變化曲線。由圖可知，兩臺樣機的制熱COP隨室外溫度的下降而近似線性下降；在不同蒸發(fā)溫度條件下，補氣熱泵系統(tǒng)要比常規(guī)熱泵系統(tǒng)的制熱COP高出0.2左右。對于常規(guī)熱泵，僅通過結(jié)構(gòu)設(shè)計改進使熱泵系統(tǒng)制熱COP提升0.2很難實現(xiàn)［5］，而采用中間補氣技術(shù)可輕松實現(xiàn)，同時在我國標準GB19576—2004《單元式空氣調(diào)節(jié)機能效限定值及能源效率等級》［16］以及GB12021.3—2010《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能源效率等級》［17］中均把0.2作為能效級別的劃分差值，因此中間補氣地暖系統(tǒng)相比于普通熱泵系統(tǒng)，制熱COP提高了一個能效級別。當環(huán)境溫度處于-20 ～7℃之間，中間補氣系統(tǒng)相比于普通熱泵系統(tǒng)制熱COP平均提升8.7%。同時由圖可以得出，環(huán)境溫度越低，補氣系統(tǒng)比常規(guī)熱泵系統(tǒng)制熱COP提升越顯著。

4　結(jié)論

本文通過實驗分析中間補氣地暖系統(tǒng)相比于常規(guī)熱泵系統(tǒng)在制熱性能及穩(wěn)定性方面優(yōu)勢，結(jié)論如下:

圖7　制熱COP隨環(huán)境溫度變化曲線Fig.7 The variations of COP w ith am bient tem perature

1）當環(huán)境溫度處于-20～7℃之間，中間補氣系統(tǒng)相比于普通熱泵系統(tǒng)制熱量平均提升26.2%，制熱COP平均提升8.7%。

2）當室外環(huán)境溫度為-20℃時，補氣系統(tǒng)相比于常規(guī)熱泵功耗盡管增加約21%，但其制熱量平均提升約40%，系統(tǒng)COP提升可達15%。

3）實驗證明帶中間補氣壓縮機的地暖系統(tǒng)制熱性能明顯高于常規(guī)熱泵，具有良好的使用性能，更能滿足低環(huán)境溫度的需求。

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Li Hua，female，associate professor，School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，+86 411-84106776，E-mail: Cathyleecn@163.com.Research fields:heat pump cycle，the control and fault of air-conditioning unit，multiple unit detection technology.

Experimental Investigation on Heating Performance of Under-floor Heating
System based on Vapor-injection Com pressor

Fei Jiyou1Wang Yinghan1Zhang Wenqiang2Li Hua1Xie Jinlu1Chen Dongdong1Liang Shengming1

（1.School ofMechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian，116028，China；2.Qingdao Hisense Hitachi air-conditioning Systems Co.，Ltd.，Qingdao，266071，China）

The scroll compression with vapor injection is applied to under-floor heating system to solve the problems of poor heating performance and instability operation under the condition of low ambient temperature in this paper.The compressor discharge temperature，heating performance，power consumption and COP（Coefficientof Performance）are researched and compared with the heating system without vapor injection.The results show that under the ambient temperatures between-20℃ and 7℃，the under-floor heating system based on vapor-injection compressor has a higher heating capacity and COP compared with the normalheating pump，and the heating capacity is increased by 26.2%，and the COP is increased by 8.7%on average，and power consumption is only increased by 16%on average；and when the ambient temperature is-20℃，the discharge temperature is decreased 12℃.The experimental results demonstrate that the under-floor heating system based on vapor-injection compressor can better satisfy the demands of low ambient temperature with low energy consumption.

vapor injection；scroll compression；under-floor heating system；heating capacity

About the

TB61+1；TB652；TU831

A

0253-4339（2016）05-0057-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.057

國家自然科學基金（51376028）和國家科技支撐計劃（2015BAF20B02）資助項目。（The projectwas supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51376028）and National Key Technology R&D Program of China（No.2015BAF20B02）.）

2016年1月22日

簡介

李花，女，副教授，大連交通大學機械工程學院，（0411）84106776，E-mail:Cathyleecn@163.com。研究方向:熱泵循環(huán)，空調(diào)組控制與故障，動車組檢測技術(shù)。