噴氣增焓空氣源熱泵低溫運行性能的實驗研究

冉小鵬，鄒臣堡，李蘆劍，王林，翟曉強

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噴氣增焓空氣源熱泵低溫運行性能的實驗研究

冉小鵬*1，鄒臣堡1，李蘆劍2，王林2，翟曉強1

（1-上海交通大學，上海 200020；2-太原市威邇思科技有限公司，山西太原 030008）

本文設(shè)計了一臺噴氣增焓（Enhanced Vapor Injection，EVI）低溫空氣源熱泵系統(tǒng)，研究補氣對系統(tǒng)性能和參數(shù)的影響，測試EVI系統(tǒng)在低溫下穩(wěn)定運行的可行性。結(jié)果表明，EVI改善了空氣源熱泵低溫運行排氣溫度過高的問題，實現(xiàn)了-20 ℃環(huán)境溫度下的穩(wěn)定運行；補氣提高了系統(tǒng)性能，多個測試工況下，41 ℃出水溫度時制熱量最高提升了43.0%，性能系數(shù)（Coefficient of Performance，）最高提升了28.3%；相對補氣量的增加對系統(tǒng)的性能改善呈現(xiàn)先增加后變緩至下降的趨勢，存在一個最優(yōu)的相對補氣量使得系統(tǒng)能效最高；打開補氣閥后吸氣壓力和排氣壓力均有所提高；-12 ℃環(huán)境溫度時吸氣壓力較關(guān)閉補氣閥時提高了14.1%，排氣壓力較關(guān)閉補氣閥時提高了2%。

噴氣增焓；經(jīng)濟器；空氣源熱泵；性能測試

0 引言

中國北方等寒冷及嚴寒地區(qū)占國土面積的70%以上，這些地區(qū)每年有接近1/3的時間需要供暖，供暖模式大多依賴于傳統(tǒng)的燃煤供暖，冬季北方的霧霾很大程度上與這種供暖方式有關(guān)。依據(jù)《2016年北京市農(nóng)村地區(qū)村莊“煤改清潔能源”和“減煤換煤”工作實施方案》[1]，空氣源熱泵是重點推薦的改造方案。作為“煤改電”領(lǐng)頭羊的空氣源熱泵，具有效率高、無污染、結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝等優(yōu)點?？諝庠礋岜每照{(diào)系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)能夠滿足建筑的制冷及制熱需求[2]。但受制于氣候影響，空氣源熱泵在環(huán)境溫度較低的情況下會產(chǎn)生壓縮比大、排氣溫度高、制熱量不足、循環(huán)性能差等問題[3]。低溫環(huán)境下，蒸發(fā)器表面存在結(jié)霜問題，霜層導熱熱阻削弱了空氣與制冷劑之間的換熱，且阻塞了空氣流量，導致蒸發(fā)器的換熱量減少[4]。噴氣增焓能有效降低壓縮機排氣溫度，改善空氣源熱泵在低溫下的運行性能。WANG等[5]實驗結(jié)果表明，在-17.8 ℃環(huán)境溫度下，噴氣增焓（Enhanced Vapor Injection，EVI）系統(tǒng)比普通空調(diào)系統(tǒng)制熱量提高了30%，性能系數(shù)（）提高了20%。隨著出水溫度的提高，普通熱泵的制熱量下降，而EVI系統(tǒng)的制熱量幾乎保持不變[6]。EVI分為閃發(fā)器系統(tǒng)及經(jīng)濟器系統(tǒng)，閃發(fā)器系統(tǒng)由于補氣回路沒有換熱溫差，且補氣口制冷劑過熱度不高，理論高于經(jīng)濟器系統(tǒng)[7]。但閃發(fā)器系統(tǒng)中，閃發(fā)器內(nèi)壓力低于補氣壓力時會產(chǎn)生回流，運行控制困難，經(jīng)濟器系統(tǒng)補氣口壓力低于排氣壓力，不會產(chǎn)生回流，存在比閃發(fā)器系統(tǒng)更大的運行范圍[8]。EVI系統(tǒng)在補氣回路上采用膨脹閥，對主回路的膨脹閥控制產(chǎn)生了影響，合適的控制策略對系統(tǒng)性能的提升有明顯的作用。主膨脹閥和輔助膨脹閥的開度決定了補氣量及中間壓力，XU等[9]認為補氣量在12%~16%之間時系統(tǒng)運行在最佳的狀態(tài)。藕俊彥等[10]搭建了R417A制冷劑的噴氣增焓空氣源熱泵，實驗結(jié)果表明在補氣量最佳時中間壓力滿足P= 。經(jīng)濟器研究方面，郭曉鵬[11]搭建了經(jīng)濟器模型，分析了經(jīng)濟器流道布置的影響，認為下游取液可以提升換熱量及減少壓降。不同制冷劑應用于EVI系統(tǒng)上也存在差異，CAO等[12]認為，使用R22/R600a混合制冷劑應用于EVI上性能高于R22。對于將噴氣增焓應用于變頻壓縮機、壓縮機補氣口開口位置及中間壓力對性能的影響等方面，各國研究者也做了許多研究[13-15]。

本文采用渦旋壓縮機，設(shè)計了一套以R410A為制冷劑的EVI經(jīng)濟器低溫空氣源熱泵系統(tǒng)。系統(tǒng)主回路和補氣回路均采用可調(diào)節(jié)的電子膨脹閥，通過主回路和補氣回路不同的膨脹閥開度組合，研究補氣量對運行性能和工況的影響、變工況下EVI系統(tǒng)的運行性能及低溫工況下EVI系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

1 經(jīng)濟器EVI系統(tǒng)

單個壓縮機的噴氣增焓技術(shù)實現(xiàn)了一個壓縮機內(nèi)的類兩級壓縮，因此也叫準二級壓縮。其原理是在壓縮機中開設(shè)補氣口，將高壓側(cè)單獨引出一路節(jié)流并經(jīng)經(jīng)濟器換熱噴入壓縮機中，降低壓縮機排氣溫度。補氣回路的存在增大了高壓側(cè)的制冷劑流量，實現(xiàn)制熱量的大幅提升，同時改善了壓縮機壓縮工況。流量增加導致壓縮機功耗增加，但制熱量的增幅更為明顯，使得系統(tǒng)提高。準二級壓縮過程分為四個階段：準低壓級壓縮過程、中間補氣過程、準二級壓縮過程、等容壓縮或等容膨脹過程[16]。

圖1 經(jīng)濟器EVI系統(tǒng)流程

圖2 經(jīng)濟器EVI系統(tǒng)壓焓圖

第一階段：與普通的容積式壓縮一致，壓縮機吸入來自蒸發(fā)器的過熱氣體，依靠基元容積的改變壓縮至中間壓力；此過程可以抽象為等熵壓縮過程，通過壓縮效率來修正。

第二階段：第一階段壓縮結(jié)束后壓縮基元與補氣口聯(lián)通，補氣壓力大于基元壓力時補氣回路內(nèi)的制冷劑進入基元邊混合邊壓縮，由于混合時間短，此過程可視為等容混合過程；對于沒有設(shè)置單向閥的閃發(fā)器系統(tǒng)，當補氣壓力小于壓縮基元內(nèi)壓力時，會產(chǎn)生回流損失。

第三階段：此過程也是近等熵壓縮的多變過程，可以抽象為等熵壓縮過程，通過壓縮效率來修正；一級壓縮后的制冷劑與補氣回路的制冷劑混合后，制冷劑流量增加，相對的是制熱量和壓縮機功率的提升。

第四階段：渦旋壓縮機在偏離設(shè)計工況后，由于其定容積比的特性，容易出現(xiàn)過壓縮及欠壓縮的工況；過壓縮及欠壓縮可分別視為等容膨脹及等容壓縮過程，壓縮結(jié)束后從排氣口流出進行循環(huán)。

對于壓縮機滿足質(zhì)量守恒：

對于經(jīng)濟器滿足能量守恒：

(2)

系統(tǒng)總體性能滿足：

(5)

式中：

1-9——各點比焓，kJ/kg；

1——吸氣回路制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；

2——補氣回路制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；

——總制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；

——壓縮機功率，kW；

0——蒸發(fā)器吸熱量，kW；

Q ——制熱量，kW。

由式(1)~式(6)可知，在相同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，補氣主要增加的壓縮功為2(4-3)，增加的蒸發(fā)器吸熱量為1(5-7)，增加的制熱量等于壓縮功與吸熱量之和，因此補氣一定會增加系統(tǒng)的制熱量。制熱量的直接影響因素為流經(jīng)冷凝器的制冷劑質(zhì)量流量及進出口焓差，冷凝器制冷劑流量取決于補氣量和蒸發(fā)器內(nèi)的流量，而進出口焓差取決于壓縮機的排氣溫度。對于一個確定的系統(tǒng)，制熱量增大的同時冷凝溫度也會上升，實際增加的制熱量大于定冷凝溫度的理論值。

2 實驗設(shè)計

實驗裝置如圖3所示，設(shè)計了一臺用于北方低溫地區(qū)采暖商用空氣源熱泵機組。采用兩臺名義功率為12 HP的大金JT355DJMY1@K4補氣渦旋壓縮機，氣缸容積是132.2 cm3/r，額定輸入功率9.0 kW，額定轉(zhuǎn)速2,900 r/min；蒸發(fā)器采用翅片管式換熱器，銅管為 9.52×0.28 mm紫銅管，按正三角形排列，管間距為25 mm，共3排管，每排40根，單根有效管長1,860 mm，翅片采用整張鋁制套片，制冷劑流路分為15路，每路8根管；冷凝器采用佛山鑫雷節(jié)能公司的GBL12-CME型管殼式換熱器，內(nèi)置2根 25.4×1.2 mm外螺紋管，單根管長650 mm，水走管側(cè)，制冷劑走殼側(cè)；經(jīng)濟器采用江蘇遠卓的ZL20B型板式換熱器，共34片，單片有效傳熱面積0.02 m2；主路膨脹閥采用三花DPF(Q)3.0C-08型電子膨脹閥，通徑為3.0 mm，開度用EEV1表示；輔路膨脹閥采用三花DPF(TS1)1.65C-03型電子膨脹閥，通徑為1.65 mm，開度用EEV2表示；使用R410A冷媒，單個系統(tǒng)充注量為8.5 kg；為了安全起見，冷凝器出口處設(shè)置有儲液器，蒸發(fā)器出口設(shè)置有氣液分離器；兩個系統(tǒng)同時加熱同一個水箱，實驗樣機放置于恒溫環(huán)境間內(nèi)。

測量方法為在同一工況下設(shè)置相同的主回路電子膨脹閥開度，調(diào)節(jié)補氣回路的電子膨脹閥開度來改變補氣量、補氣壓力等參數(shù)，以此獲得系統(tǒng)性能與補氣量的關(guān)系。環(huán)境間使用電加熱及冷水機組控制環(huán)境的溫度，最低可達-20 ℃。除高低壓保護、高低溫保護等必要保護設(shè)置外，其他參數(shù)均設(shè)置成手動調(diào)節(jié)。實驗工況如表1所示：出水溫度為35 ℃及41 ℃，環(huán)境溫度為-20 ℃、-12 ℃、-6 ℃、0 ℃、7 ℃和15 ℃。在同一個工況下，測試不同的電子膨脹閥開度組合下的系統(tǒng)性能變化。

制熱量由式(7)計算，由式(6)計算。溫度測量采用PT100，精度為±0.1 ℃，壓力變送器精度為±0.3%，功率計精度為±0.5%，水流量計精度為±0.5%。

式中：

m——水流量，kg/s；

——水比熱容，kJ/(kg·℃)，取4.2；

in——進水溫度，℃；

out——出水溫度，℃。

表1 實驗測試工況

圖3 實驗系統(tǒng)流程

3 結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)性能隨補氣的變化

系統(tǒng)整體性能變化如圖4~圖6所示，隨著補氣閥開度的增加，制熱量不斷增加，且增加趨勢越來越平緩。在-12 ℃環(huán)境溫度工況下，打開補氣后EEV2補氣開度為40%的制熱量比開度為20%的制熱量增加了8.0%，開度為60%時，制熱量僅比40%時增加了0.5%。在-6 ℃環(huán)境溫度下，制熱量在40%補氣開度下達到最高，繼而隨著開度增大而減小，出現(xiàn)“過補氣”狀態(tài)。這是由于相對補氣量由主路膨脹閥和補氣膨脹閥之間的相對開度及系統(tǒng)工況確定，主路膨脹閥開度保持不變而補氣閥開度增大，使得相對補氣量增大。相對補氣量增加初期對系統(tǒng)的性能改善顯著，而后期由于補氣膨脹閥開度過大使得制冷劑節(jié)流不充分，對壓縮機冷卻不完善以及對主回路的制冷劑冷卻不夠。系統(tǒng)的功耗隨著補氣開度的增加而增加，且保持較高增速。相對補氣量增大初期，制熱量增加的比例大于功耗，后期制熱量增加變緩而功耗仍快速增加，使得系統(tǒng)的先增后減，存在一個最佳相對補氣量使得系統(tǒng)能效最高。不同環(huán)境溫度對功耗的影響不大，對制熱量的影響較大，環(huán)境溫度的升高提高了蒸發(fā)溫度，壓縮機吸氣制冷劑密度增大，制冷劑流量增加提升了制熱量，因此環(huán)境溫度較高能得到較好的。

3.2 排氣溫度隨補氣的變化

排氣溫度過高是影響普通熱泵低溫運行的重要因素之一，圖7~圖8是系統(tǒng)1和系統(tǒng)2排氣溫度隨著補氣閥開度改變的變化趨勢。環(huán)境溫度越低，壓縮機壓比越大，使得排氣溫度越高。在7 ℃環(huán)境溫度下，不開補氣時系統(tǒng)的排氣溫度為82 ℃，在-12 ℃環(huán)境溫度下，不開補氣系統(tǒng)的排氣溫度達到了107 ℃，接近高溫保護上限。打開補氣后，系統(tǒng)排氣溫度迅速下降，-12 ℃環(huán)境溫度下，20%補氣開度時排氣溫度下降到了77 ℃，而40%補氣開度時排氣溫度下降到了70 ℃。當相對補氣量達到一定值時，隨著補氣閥開度的增大，排氣溫度不再有明顯的改變。

圖4 制熱量隨補氣閥開度的變化

圖5 功耗隨補氣閥開度的變化

圖6 COP隨補氣閥開度的變化

圖7 系統(tǒng)1排氣溫度隨補氣閥開度的變化

圖8 系統(tǒng)2排氣溫度隨補氣閥開度的變化

3.3 系統(tǒng)壓力隨補氣的變化

圖9~圖10為系統(tǒng)1和系統(tǒng)2壓力隨補氣閥開度的變化，排氣壓力（4）取決于出水溫度，不同環(huán)境溫度下的排氣壓力基本保持不變。吸氣壓力（1）受環(huán)境溫度影響較大，環(huán)境溫度越高吸氣壓力越大。隨著補氣閥開度增大，中間壓力（P）也逐漸升高。補氣膨脹閥打開至20%開度后，吸氣壓力和排氣壓力均有所上升，而之后再增加補氣閥開度，吸氣壓力和排氣壓力均無明顯的變化。-12 ℃環(huán)境溫度時，吸氣壓力較關(guān)閉補氣閥時提高了14.1%，排氣壓力較關(guān)閉補氣閥時提高了2%。

相對于無補氣的系統(tǒng)，補氣增加了冷凝器端的制冷劑質(zhì)量流量，聚集于冷凝器內(nèi)的制冷劑增加，提高了冷凝端壓力。補氣增加了主回路膨脹閥前的過冷度，使得蒸發(fā)器進口制冷劑比焓降低，進入蒸發(fā)器的制冷劑濕度更大，提高了蒸發(fā)器內(nèi)表面的換熱系數(shù)。因此蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度減小，壓縮機吸氣密度增大，蒸發(fā)端制冷劑質(zhì)量流量增加。聚集制冷劑的增加提高了蒸發(fā)壓力，補氣后蒸發(fā)器能從環(huán)境中吸收更多的熱量。

3.4 不同出水溫度下補氣與不補氣系統(tǒng)的對比

補氣增焓不僅能提高系統(tǒng)的制熱量，同時也能使熱泵在更低溫度下運行。如圖11~圖14所示，-20 ℃環(huán)境溫度時關(guān)閉補氣系統(tǒng)出現(xiàn)高溫保護，而補氣后可以正常運行。在41 ℃出水溫度下，-12 ℃、-6 ℃、0 ℃、7 ℃環(huán)境溫度補氣后系統(tǒng)的制熱量分別最大提高了26.5%、39.3%、43.0%、17.9%，最大提高了19.1%、28.3%、27.3%、8.2%。補氣增加了制熱量，同時也增加了系統(tǒng)功耗，增量小于制熱量增量。在35℃出水溫度下，-12 ℃、-6 ℃、0 ℃、7 ℃環(huán)境溫度工況補氣后，系統(tǒng)的制熱量最大提高了43.7%、51.4%、50.2%和16.3%，最大提高了30.4%、33.5%、29.5%和5.6%。整體來看，補氣對低出水溫度的制熱量提升幅度大于高出水溫度。

圖9 系統(tǒng)1排氣溫度隨補氣閥開度的變化

圖10 系統(tǒng)2排氣溫度隨補氣閥開度的變化

圖11 制熱量隨環(huán)境溫度的變化

圖12 功耗隨環(huán)境溫度的變化

圖13 出水溫度35 ℃下補氣與不補氣COP對比

圖14 出水溫度41 ℃下補氣與不補氣COP對比

4 結(jié)論

1）相對補氣量對系統(tǒng)的性能改善呈現(xiàn)先增加后變緩至下降的趨勢，存在一個最優(yōu)的相對補氣量使得系統(tǒng)能效最高；環(huán)境溫度越高，系統(tǒng)的制熱量和越大。

2）補氣能有效降低空氣源熱泵的排氣溫度，保證熱泵在低溫工況下不出現(xiàn)高溫保護，-12 ℃環(huán)境溫度工況排氣溫度由107 ℃下降至70 ℃；排氣溫度隨相對補氣量的增加而降低，至穩(wěn)定水平后隨著相對補氣量增加不再發(fā)生明顯變化。

3）補氣提高了吸氣壓力和排氣壓力，-12 ℃環(huán)境溫度時吸氣壓力較關(guān)閉補氣閥時提高了14.1%，排氣壓力較關(guān)閉補氣閥時提高了2%。

4）補氣提高了系統(tǒng)的制熱量和，多個測試工況下，41 ℃出水溫度下制熱量最高提升了43.0%，最高提升了28.3%，35 ℃出水溫度下制熱量最高提升了51.4%，最高提升了33.5%；補氣使得空氣源熱泵能在環(huán)境溫度為-20 ℃時穩(wěn)定運行；補氣對低出水溫度的制熱量和的提升幅度大于高出水溫度。

[1] 北京市人民政府辦公廳. 2016年北京市農(nóng)村地區(qū)村莊“煤改清潔能源”和“減煤換煤”工作方案[EB/OL]. http://www.bjnw.gov.cn/zfxxgk/fgwj/zcxwj/201806/t20180607_399091.html. [2016-03-28].

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Experimental Research onOperational Performance at Low Temperature of Air Source Heat Pump with Enhanced Vapor Injection

RAN Xiaopeng*1, ZOU Chenbao*1, LI Lujian2, WANG Lin2, ZHAI Xiaoqiang1

(1-Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2-Taiyuan Werise Technology Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030008, China)

An enhanced vapor injection (EVI) air source heat pump system was designed, and the effect of EVI on system performance and operating parameters was analyzed. The stability of EVI system is tested under a lower temperature condition. The results show that the enhanced vapor injection decreases the discharge temperature of the compressor in the low temperature operation mode, and the stable operation can be realized at -20 ℃. Moreover, the performance of the system is improved by EVI. When the outlet water temperature is 41 ℃, the increase of the maximum heating capacity and coefficient of performance () can reach up to 43.0% and 28.3%, respectively. As the relative vapor injection mass grows, the performance increases first and then slows down to a descending trend, the optimal relative vapor injection mass with the highest energy efficiency appears. When switching on the vapor injection valve, the suction pressure and discharge pressure increase, and increase by 14.1% and 2% respectively at ambient temperature of 12 oC than those under switch-off status.

Enhanced vapor injection; Economizer; Air-source heat pump; Performance test

10.3969/j.issn.2095-4468.2018.04.105

*冉小鵬（1994-），男，碩士研究生。研究方向：空氣源熱泵在低溫下的應用研究。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號，郵編：200240。聯(lián)系電話：18217352216。E-mail：ranxiaopeng@126.com。