電子膨脹閥調(diào)節(jié)對空氣源熱泵熱水器性能的影響

虞中旸 陶樂仁 袁朝陽 王超

(上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200093)

電子膨脹閥調(diào)節(jié)對空氣源熱泵熱水器性能的影響

虞中旸 陶樂仁 袁朝陽 王超

(上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200093)

節(jié)流裝置的調(diào)節(jié)對空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的性能有著重要影響，電子膨脹閥因其調(diào)節(jié)范圍廣而逐漸得到應(yīng)用，因此需要對其深入研究。以空氣源熱泵熱水器實驗系統(tǒng)為研究對象，通過改變電子膨脹閥開度，研究不同調(diào)節(jié)方式對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明:1)相同膨脹閥開度下，系統(tǒng)制熱量和系統(tǒng)COP隨加熱的進行均呈先上升后下降的趨勢;不同膨脹閥開度下，在加熱前期(20～30℃)，膨脹閥開度越大，系統(tǒng)COP越大;在加熱后期(45～55℃)結(jié)果相反;2)在加熱過程中，各膨脹閥開度下系統(tǒng)COP趨勢線相互交叉，由于壓縮機少量吸氣帶液可以改善系統(tǒng)性能，因此交叉點與各閥開度下過熱度達到0 K的點相近但并不重合;3)以水箱平均溫度為控制對象調(diào)節(jié)電子膨脹閥的方法(優(yōu)化1#)對系統(tǒng)COP的最大優(yōu)化率為24.8%;以壓縮機吸氣過熱度為控制對象調(diào)節(jié)電子膨脹閥的方法(優(yōu)化2#)與優(yōu)化1#系統(tǒng)COP相比，最大相差4.2%，且經(jīng)過實驗驗證具有適用性。

空氣源;熱泵;電子膨脹閥;控制

AbstractControl of the electronic expansion valve(EEV)in an air-source heat-pump water heater has considerable influence on the system performance and should be the focus of investigation.In this study，the effect of the opening of the electronic expansion valve on the performance of an air-source heat-pump water heater was analyzed.The results show that，when the system operates with the same valve opening，the heating capacity and coefficient of performance(COP)exhibit a declining trend after an initial ascent.For different valve openings，the system COP is in direct proportion to the opening when the average cistern temperature is 20-30℃，whereas it is in inverse proportion to the opening for an average cistern temperature of 45-55℃.The system COP trend lines for each valve opening indicate a cross each other.As compressor suction with little liquid refrigerant can improve the system performance，the intersection occurs close to the point at which the superheated temperature reaches 0 K，but does not coincide with it.Although the maximum optimization ratio on system COP for the method of controlling the electronic expansion valve via the average cistern temperature(optimization#1)can reach 24.8%，its feasibility is poor.The maximum optimization ratio on system COP for the method of controlling the electronic expansion valve via the superheated temperature in the compressor suction(optimization#2)is lower than that for optimization#1， at 4.2%.However，the results of the confirmatory experiment verify the feasibility of optimization#2.

Keywordsair-source;heat pump;electronic expansion valve;control

空氣源熱泵以熱力學(xué)第一定律為工作原理，吸收空氣中貯存的低品位能量，同時消耗一部分功，即壓縮機功耗。通過系統(tǒng)循環(huán)在冷凝器中放熱。由于熱泵輸出的能量總是大于壓縮機消耗的能量，因此，采用空氣源熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量電能[1-2]。

由于空氣源熱泵系統(tǒng)運行時，高低壓力相差較大，且易受季節(jié)氣候影響，運行工況復(fù)雜多變。通過空氣源熱泵系統(tǒng)中節(jié)流裝置可以調(diào)節(jié)制冷劑質(zhì)量流量，從而達到匹配工況，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能效比。因此，節(jié)流裝置的調(diào)節(jié)特性和控制策略非常重要，眾多學(xué)者對此進行了研究。

王志華等[3]實驗研究了不同熱力膨脹閥開度下，空氣源熱泵熱水器瞬時COP的變化，實驗結(jié)果表明:系統(tǒng)瞬時COP隨水箱溫度先升高后下降。當(dāng)水箱溫度高于32℃時，膨脹閥開度為60%時系統(tǒng)的性能開始高于開度為45%時的性能。張良俊等[4]對熱力膨脹閥在空氣源熱泵熱水器的穩(wěn)定特性進行了實驗研究，指出空氣源熱泵熱水器的穩(wěn)定性與熱力膨脹閥的開度有密切關(guān)系，在實際調(diào)節(jié)中要使系統(tǒng)工作點接近最小穩(wěn)定過熱度點，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。郭俊杰等[5]同樣研究了空氣源熱泵熱水器中熱力膨脹閥的工作特性，結(jié)果表明熱力膨脹閥在低溫工況下工作時，會表現(xiàn)出與高溫環(huán)境不同的工作特性，并且提出采用電子膨脹閥作為節(jié)流元件。

為了適應(yīng)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運行工況的大幅變化，電子膨脹閥因其具有較寬的流量調(diào)節(jié)范圍和快速精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)特點，逐漸受到關(guān)注。J.M.Choi等[6]對比了毛細管和電子膨脹閥對熱泵系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明:通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥可以使系統(tǒng)過熱度基本保持不變，大大提高了熱泵系統(tǒng)在運行工況變化較大時的性能。

申江等[7]對帶有電子膨脹閥的低環(huán)溫空氣源熱泵機組樣機進行了實驗研究和性能分析，認為隨著電子膨脹閥開度的增加，系統(tǒng)制熱量和系統(tǒng)COP相應(yīng)增加，但并未提出實際控制方法。李衛(wèi)國等[8]對使用電子膨脹閥的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)動態(tài)性能進行了實驗研究，結(jié)果表明在加熱過程初期，設(shè)置電子膨脹閥為大開度可提高系統(tǒng)性能和制熱量，但在加熱后期恰恰相反;并提出通過在不同加熱時間使用不同電子膨脹閥開度來改善熱泵系統(tǒng)運行性能。但此控制方案以加熱時間為控制對象，不具有適用性。

綜上所述，電子膨脹閥對空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的運行有重要影響，但對此的研究尚未充分。同時，當(dāng)前膨脹閥控制多以壓縮機吸氣過熱度為控制對象，但對于壓縮機少量吸氣帶液時系統(tǒng)性能變化和控制方法的研究較少。因此，本文通過實驗研究空氣源熱泵熱水器中電子膨脹閥調(diào)節(jié)對系統(tǒng)各參數(shù)的影響，解釋其變化機理，并以此為依據(jù)試圖找出適用于各工況下電子膨脹閥控制的優(yōu)化方法。

1 實驗原理及方法

1.1 實驗裝置

空氣源熱泵熱水器裝置如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)與循環(huán)加熱式熱泵熱水器類似。空氣源熱泵熱水實驗系統(tǒng)可分為制冷劑循環(huán)部分和水循環(huán)部分。

圖1 實驗裝置原理Fig.1 Principle of experimental installation

制冷劑循環(huán)部分壓縮機選用WHP02830-C4AT型滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機，額定頻率50 Hz，理論排氣量18 mL，制冷劑為R134a。壓縮機吸氣口自帶氣液分離器，可以避免大量液態(tài)制冷劑進入壓縮機。當(dāng)壓縮機吸入少量液態(tài)制冷劑時，制冷劑液滴較小，會在極短時間內(nèi)吸收機體耗散熱量和高溫氣態(tài)制冷劑熱量而迅速蒸發(fā)，因此，長時間運行不會發(fā)生“液擊”現(xiàn)象。但當(dāng)壓縮機長時間吸入大量液態(tài)制冷劑而來不及吸熱蒸發(fā)時，就會造成“液擊”現(xiàn)象，影響壓縮機的運行和壽命。

采用科氏力流量計測量制冷劑質(zhì)量流量m，g/s，精度±0.1%。蒸發(fā)器選用翅片管式換熱器，蒸發(fā)器換熱面正對著YWF型外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機，風(fēng)機額定電壓220 V，輸入功率40 W，額定風(fēng)量530 m3/h。冷凝器選用 TY1222型套管式換熱器，銅管外徑為16 mm，銅管長度為1 790 mm。制冷劑與水流動方向相反，呈逆流換熱。電子膨脹閥(EEV，electronic expansion valve)為步進電機控制器驅(qū)動的直動式電子膨脹閥，可通過手動調(diào)節(jié)控制器改變EEV開度。

水循環(huán)部分由電加熱器調(diào)節(jié)初始水溫，加熱量由調(diào)壓調(diào)功器控制。水循環(huán)裝有一個浮子流量計，可以測得水側(cè)體積流量qv，mL/s，測量精度±3%。循環(huán)水泵采用RS-15/6型屏蔽泵，可調(diào)流量范圍3～11 L/min。加熱后的熱水從儲熱水箱上部入水口進入，從下部出水口回水，再次加熱完成循環(huán)。儲水箱為熱水器專用水箱，內(nèi)外壁間含有保溫材料。儲水體積V為100 L，安裝了五個測溫孔和液位觀察管。

選用智能數(shù)字功率表測量壓縮機、水泵和風(fēng)機的總功耗W，kW，精度等級0.5級。T、P分別為溫度和壓力測點。采用溫度偏差為±0.15℃ +0.002|t|(t為測量溫度，℃)的內(nèi)置式鉑電阻測量冷凝器出口制冷劑溫度tc，out、壓縮機排氣溫度tdis、壓縮機吸氣溫度tsuc和水箱內(nèi)五個測溫點溫度t1、t2、t3、t4、t5。 采用精度為0.5%的壓力變送器測量蒸發(fā)器出口壓力pe和冷凝器出口壓力pc，kPa。

1.2 實驗方法

通過電加熱器調(diào)節(jié)加熱初始溫度ta為15℃，系統(tǒng)運行終止溫度tb為55℃。初始溫度和終止溫度均以水箱內(nèi)5個測溫點的平均溫度為標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)節(jié)水泵將水流量設(shè)置為11 L/min。蒸發(fā)器入風(fēng)溫度為15℃。手動調(diào)節(jié)步進電機控制器，使EEV開度分別為15%、16%、17%、18%、20%，在各 EEV開度下運行至終止溫度，并記錄數(shù)據(jù)。

1.3 計算公式

根據(jù)實驗測得數(shù)據(jù)，通過Refprop9.0軟件，計算得到以下參數(shù):

水箱平均溫度:

蒸發(fā)溫度te:

壓縮機排氣焓值hdis:

冷凝器出口制冷劑焓值hc，out:

壓縮機吸氣過熱度tsh:

系統(tǒng)壓比pr:

系統(tǒng)制熱量Q:

系統(tǒng)COP(瞬時):

平均COPt:

式中:Wt為系統(tǒng)總耗電量，kW·h。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 不同EEV開度下的系統(tǒng)性能

由圖2可知，隨著水箱內(nèi)水溫逐漸升高，在各EEV開度下，系統(tǒng)COP先上升后下降;在加熱前期(20～30℃)，當(dāng)達到相同水箱平均溫度時，EEV開度越大，系統(tǒng)COP越大;在加熱后期(45～55℃)，EEV開度越大，系統(tǒng)COP越小。各EEV開度下系統(tǒng)COP趨勢線會在加熱過程中相互交叉。圖3為不同EEV開度下系統(tǒng)制熱量的變化趨勢?？梢钥闯鲋茻崃慷际窍仍龃蠛鬁p小;在加熱前期(20～30℃)相同水箱平均溫度下，EEV開度越大，制熱量越大;加熱后期(45～55℃)，EEV開度越大，制熱量越小。這一規(guī)律與系統(tǒng)COP變化規(guī)律相同。

圖2 不同EEV開度下系統(tǒng)COP的變化Fig.2 The tendency of COP at different EEV openings

圖3 不同EEV開度下系統(tǒng)制熱量的變化Fig.3 The tendency of heating capacity at different EEV openings

對于不同EEV開度，在加熱前期(20～30℃)，EEV開度越大，制冷劑質(zhì)量流量越大，系統(tǒng)制熱量越大。由于EEV開度越大，蒸發(fā)壓力越高，壓縮機吸排氣壓比越小，壓縮機功耗越小。所以，在加熱前期，EEV開度越大，系統(tǒng)COP越大。

圖4 不同EEV開度下壓縮機吸氣過熱度的變化Fig.4 The tendency of superheated temperature at different EEV openings

圖5 不同EEV開度下制冷劑質(zhì)量流量的變化Fig.5 The tendency of mass flow at different EEV openings

圖6 不同EEV開度下壓縮機吸排氣壓比的變化Fig.6 The tendency of compressor pressure ratio at different EEV openings

由圖4可知，隨著加熱的進行，對于較大的EEV開度(18% ～20%)，水箱平均溫度達到30℃左右時，壓縮機吸氣過熱度已達0 K，壓縮機開始吸氣帶液;而對于較小的EEV開度(15% ～17%)，此時壓縮機吸氣還有一定的過熱度。同時，對比圖5可以發(fā)現(xiàn)，在壓縮機吸氣帶液一段時間后，制冷劑質(zhì)量流量逐漸下降。這是因為當(dāng)冷凝器的水側(cè)溫度逐漸升高時，冷凝壓力和蒸發(fā)壓力同時升高，但冷凝壓力增長幅度較大。蒸發(fā)壓力的上升導(dǎo)致了蒸發(fā)器中空氣與制冷劑的換熱溫差降低，壓縮機吸氣過熱度降低，甚至進入兩相態(tài)。壓縮機吸氣帶液會影響其容積效率[9]，使制冷劑質(zhì)量流量開始逐漸下降，系統(tǒng)制熱量在加熱后期下降。另外，壓縮機吸氣帶液也會影響其等熵壓縮效率[10]，使壓縮機功耗增加。上述原因?qū)е铝嗽诩訜岷笃?45～55℃)，達到相同水箱溫度時，EEV開度越大，壓縮機吸氣帶液程度越大，系統(tǒng)COP越小。值得注意的是，壓縮機少量吸氣帶液(吸氣干度0.96～1)，對系統(tǒng)性能有一定改善[11-12]。因此，各EEV開度下過熱度達到0 K的點與系統(tǒng)COP趨勢線交叉點雖然相近，但并非是重合的。

對于相同EEV開度，在開始加熱時，壓縮機功耗會隨著壓縮機吸排氣壓比的增大而增大，但由于制冷劑質(zhì)量流量的變大，系統(tǒng)制熱量也逐漸變大，且幅度大于功耗的變化，系統(tǒng)COP逐漸上升;隨著加熱的進行，壓縮機逐漸吸氣帶液，導(dǎo)致容積效率降低，質(zhì)量流量變小，同時吸氣帶液也會使壓縮機排氣溫度下降(即冷凝器進口制冷劑溫度下降)，使系統(tǒng)制熱量開始逐漸下降，下降點與壓縮機起始吸氣帶液點相對應(yīng)，因此系統(tǒng)COP逐漸下降。所以，系統(tǒng)COP隨著水箱內(nèi)水溫逐漸升高而呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。

2.2 EEV控制策略的優(yōu)化方法

結(jié)合以上分析與圖2，提出以水箱平均溫度為控制對象調(diào)節(jié)EEV開度的控制方法(以下簡稱優(yōu)化1#)，具體操作如下:在系統(tǒng)開機前將EEV開度調(diào)至20%，運行至水箱平均溫度達到30℃時，即處于圖2中EEV開度20%和18%的系統(tǒng)COP趨勢線交叉點時，將EEV開度減小至18%并保持不變;待運行至水箱平均溫度達到37℃時，即處于圖2中EEV開度18%和17%的系統(tǒng)COP趨勢線交叉點時，將EEV開度減小至17%并保持不變;以此類推，直到加熱到目標(biāo)水溫55℃。

實驗結(jié)果如圖7所示，可以看出，優(yōu)化1#的系統(tǒng)COP趨勢線不論在加熱前期還是在加熱后期，都高于最大EEV開度20%和最小EEV開度15%的系統(tǒng)COP趨勢線。表1是優(yōu)化1#與不同EEV開度的系統(tǒng)平均COP對比，可以看出，優(yōu)化1#對較大EEV開度(18% ～20%)的優(yōu)化效果明顯，最大優(yōu)化率為24.8%。

然而在實際運行過程中，以水箱平均溫度為控制對象調(diào)節(jié)EEV的方法不具有普適性。根據(jù)2.1節(jié)的實驗結(jié)果分析可知，系統(tǒng)COP趨勢線交叉是由于此時較大EEV開度下，壓縮機吸氣帶液量較多造成的。因此，提出另一種優(yōu)化方法，即以壓縮機吸氣過熱度為控制對象調(diào)節(jié)EEV開度(以下簡稱優(yōu)化2#)，具體操作如下:在系統(tǒng)開機前將EEV開度調(diào)至20%，運行至壓縮機吸氣過熱度小于0.5 K，且持續(xù)5 min后，使壓縮機少量吸氣帶液，將EEV開度減小至18%并保持不變;待運行至壓縮機吸氣過熱度再次小于0.5 K，且持續(xù)5 min后，將EEV開度減小至17%并保持不變;以此類推，直到加熱到目標(biāo)水溫55℃。

圖7 優(yōu)化1#與不同EEV開度時系統(tǒng)COP對比Fig.7 The comparison of COP between optimization#1 and different EEV openings

表1 優(yōu)化1#與各EEV開度下系統(tǒng)平均COP的對比Tab.1 The comparison of average COP of optimization#1 with that at each EEV opening

由圖8可知，優(yōu)化2#的系統(tǒng)COP與優(yōu)化1#的較為相近，最大相差4.2%，證明優(yōu)化2#方法可行，且優(yōu)化2#是以壓縮機過熱度為對象進行控制，具有普適性。

2.3 優(yōu)化方法的實驗驗證

通過改變實驗工況，驗證優(yōu)化2#同樣適用于其他工況。設(shè)置水流量8 L/min，初始水溫21℃，入風(fēng)溫度20℃，EEV開度從20%開始調(diào)節(jié)。實驗結(jié)果如圖9所示，可以看出，優(yōu)化2#的系統(tǒng)COP趨勢線要高于最大EEV開度(20%)和最小EEV開度(13%)的趨勢線，且變化趨勢與圖8一致，證明優(yōu)化2#的方案可行且具有適用性。

圖8 優(yōu)化1#與優(yōu)化2#時系統(tǒng)COP對比Fig.8 The comparison of COP between cptimization#1 and optimization#2

圖9 優(yōu)化方法實驗驗證Fig.9 The result of the confirmatory experiment

3 結(jié)論

以空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)為研究對象，通過改變EEV開度，研究EEV的調(diào)節(jié)方式對空氣源熱泵熱水器運行性能的影響，得出以下結(jié)論:

1)對于相同EEV開度，隨著系統(tǒng)的運行，系統(tǒng)制熱量和系統(tǒng)COP均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;對于不同EEV開度，在加熱前期(20～30℃)，當(dāng)達到相同水箱平均溫度時，EEV開度越大，系統(tǒng)COP越大;在加熱后期(45～55℃)，EEV開度越大，系統(tǒng)COP越小。

2)各EEV開度下系統(tǒng)COP趨勢線會在加熱過程中相互交叉，壓縮機少量吸氣帶液會對系統(tǒng)性能有一定改善。所以，交叉點與各EEV開度下過熱度達到0 K的點雖然相近，但并非重合。

3)以水箱平均溫度為控制對象調(diào)節(jié)EEV的方法(優(yōu)化1#)對系統(tǒng)COP有顯著的優(yōu)化作用，最大優(yōu)化率為24.8%，但此方法不具有普適性。以壓縮機吸氣過熱度為控制對象調(diào)節(jié)EEV的方法(優(yōu)化2#)與優(yōu)化1#系統(tǒng)COP相比，最大相差4.2%，證明優(yōu)化2#同樣具有較好的優(yōu)化效果。

4)改變實驗工況，通過數(shù)據(jù)驗證了優(yōu)化2#同樣適用于其他工況，具有普適性，可以推廣使用。

本文提出的以壓縮機吸氣過熱度為控制對象調(diào)節(jié)EEV的優(yōu)化控制方法，主要是針對環(huán)境溫度較高的工況(環(huán)境溫度大于15℃)，而對于低環(huán)境溫度工況，蒸發(fā)器結(jié)霜現(xiàn)象會影響到系統(tǒng)運行性能和EEV調(diào)節(jié)特性。同時，對于不同型號產(chǎn)品需要進行大量實驗驗證，找尋最佳控制間隔時間，這在今后的研究中需要重點關(guān)注。

本文受上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室(13DZ2260900)項目資助。(The project was supported by the Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Shanghai Power Engineering(No.13DZ2260900).)

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Effects of Control for Electronic Expansion Valve on Performance of Air-source Heat-pump Water Heater

Yu Zhongyang Tao Leren Yuan Chaoyang Wang Chao
(Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai，200093，China)

TB61+1;TK124;TQ051.5

A

2017年1月15日

0253-4339(2017)05-0065-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2017.05.065

陶樂仁，男，教授，上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，制冷與低溫工程研究所，13916356948，E-mail:cryo307@usst.edu.cn。研究方向:低溫制冷系統(tǒng)，低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)。

About the corresponding authorTao Leren， male， professor， Institute of Refrigeration and Cryogenics， School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， +86 13916356948， E-mall:cryo307@usst.edu.cn.Research fields:low temperature refrigeration system，cryobio-medical technology.