變頻高溫壓縮機復疊熱泵系統(tǒng)的試驗研究

楊永安，李瑞申，孫天慧，朱軼群

（1.天津商業(yè)大學 機械工程學院，天津 300134；2.華商國際工程有限公司，北京 100084）

0 引言

在我國北方寒冷地區(qū)，傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)存在制熱量不足、制熱性能系數(shù)低、壓縮機排氣溫度高等問題，這些問題制約著空氣源熱泵在該地區(qū)的應用[1-4]。在需要從較低溫度環(huán)境獲得熱量向較高溫度環(huán)境輸送時，復疊循環(huán)是很好的解決方案。為解決復疊熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的應用問題，國內外學者進行了大量研究，陳光明等[5-8]提出了既可按傳統(tǒng)單級空氣源熱泵運行，又可按復疊循環(huán)運行的新型空氣源熱泵裝置。曲明璐等[9]對增設蓄熱器的蓄能復疊空氣源熱泵除霜系統(tǒng)進行了研究，得出此方法時間較旁通除霜更短，更加節(jié)能。Roh等[10]將補氣增焓技術應用于復疊熱泵系統(tǒng)，得出通過補氣增焓技術改善單獨高、低溫循環(huán)性能并不能顯著改善系統(tǒng)整體性能。Roh等[10-13]對R134a/R410A為工質的復疊熱泵系統(tǒng)進行研究，得出高溫循環(huán)冷凝溫度升高，中間溫度升高，相應最大COP減小，低溫循環(huán)蒸發(fā)溫度升高，中間溫度和最大COP升高。然而，隨著蒸發(fā)溫度降低，高、低溫壓縮機輸氣量之比不斷變化，而非定值，但對于傳統(tǒng)的復疊熱泵系統(tǒng)而言，高、低循環(huán)往往均采用定頻壓縮機，因此探究具有變頻技術的復疊熱泵系統(tǒng)意義重大，故本文主要對高溫壓縮機具有變頻性能的復疊熱泵系統(tǒng)進行研究。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

圖1示出復疊熱泵系統(tǒng)，高、低溫循環(huán)均采用R410A作為循環(huán)工質，高溫循環(huán)變頻壓縮機、低溫循環(huán)采用定頻壓縮機。高、低溫循環(huán)通過冷凝蒸發(fā)器傳遞能量。量熱器中充注飽和的R134a工質作為載冷劑，蒸發(fā)器盤管浸泡在載冷劑中，量熱器中安裝電加熱棒12 kW；高溫循環(huán)冷凝器采用套管式換熱器，與水箱循環(huán)水換熱，水泵前設置電動調節(jié)閥的旁通水路，電動調節(jié)閥另一端連接溫度較低的自來水。該系統(tǒng)主要配置見表1。

圖1 試驗裝置系統(tǒng)與測試點布置

表1 主要設備

試驗采用鉑電阻PT100（精度為±0.1 ℃）對溫度進行測量；采用直流電壓型壓力傳感器（CAREL：SPKT0033R0/SPKT0033R0，量 程：-0.1～0.93 MPa/0～3.45 MPa，精度為±0.2%）對壓力進行測量；采用液體渦輪流量計（格樂普：LW-32D2AWNS，量程：0.8～15 m3/h，精度 ±0.5%）對循環(huán)水流量進行測量高、低溫壓縮機輸入功率采用YOKOGAWA WT333功率儀進行測量；測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀YOKOGAWA MX100進行實時記錄與保存，高溫壓縮機頻率、低溫壓縮機其它相關部件的動作受PLC程序自動控制。

1.2 試驗方法

試驗對不同高溫壓縮機頻率下復疊式熱泵系統(tǒng)性能的研究，研究對象包括高、低溫壓縮機壓縮比、高溫壓縮機排氣溫度、系統(tǒng)制熱系數(shù)、壓縮機耗功及系統(tǒng)制熱量等。檢測量熱器內R134a的壓力控制電加熱補償量，用熱平衡的方法來模擬溫度穩(wěn)定的低溫環(huán)境；檢測冷凝壓力進行PID調節(jié)，控制電動調節(jié)閥的開度，用來調節(jié)冷凝溫度；高、低溫壓縮機吸氣過熱度均設定為5 ℃，靠電子膨脹閥自動就行調節(jié)。試驗工況設定為：冷凝溫度46 ℃，蒸發(fā)溫度-30 ℃，低溫壓縮機頻率固定，設定高溫壓縮機運行頻率從60 Hz增加至330 Hz，間隔30 Hz，頻率設定見表2。待系統(tǒng)各個運行參數(shù)穩(wěn)定后記錄試驗數(shù)據(jù)。

表2 高、低溫壓縮機頻率設定

1.3 性能參數(shù)

熱泵制熱量Qk根據(jù)冷凝水體積流量以及冷凝水進、出口溫差計算：

式中 Qk——制熱量，kW；

qw_v——水的體積流量，m3/s；

ρw——水的密度，kg/m3；

cw——水的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；

tw_i，tw_o——冷凝器的進、出口水溫，℃。

熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)COP可根據(jù)制熱量Qk，高、低溫循環(huán)壓縮機耗工功率Ph，Pl及水泵耗工功率Pp計算：

2 結果與分析

圖2示出蒸發(fā)溫度-30 ℃，冷凝溫度46 ℃時，高、低溫壓縮機壓縮比隨高溫壓縮機頻率的變化，從圖2可以看出，隨高溫壓縮機頻率增加，高溫壓縮機壓縮比逐漸增大，而低溫壓縮機壓縮比逐漸減小，減小幅度小于增加幅度。高溫壓縮機頻率從60 Hz增加至300 Hz，高溫壓縮機壓縮比變化范圍是2.72～5.61，低溫壓縮機壓縮比變化范圍是3.1～4.88，兩者在高溫壓縮機頻率為145 Hz時相交。高、低溫壓縮機壓縮比的變化與系統(tǒng)中間溫度有關。隨高溫壓縮機頻率增加，低溫循環(huán)蒸發(fā)溫度不變，所以低溫壓縮機壓縮比逐漸減小。

圖2 壓縮比隨高溫壓縮機頻率的變化

圖3示出蒸發(fā)溫度-30 ℃，冷凝溫度46 ℃時，高溫壓縮機與低溫壓縮機排氣溫度隨高溫壓縮機頻率的變化，從圖3可以看出，隨高溫壓縮機頻率增加，高溫壓縮機排氣溫度逐漸增大，變化范圍為72.1～99.7 ℃，且增長速度呈逐漸變快；低溫壓縮機排氣溫度逐漸小，變化范圍為-4.2～10.2 ℃，且下降速度逐漸變慢；這是因為隨著高溫壓縮機頻率增加，高溫循環(huán)制冷劑流速加大，冷凝器換熱面積不變，高溫制冷劑與冷凝水的換熱時間減小，換熱溫差加大，換熱過程逐漸惡化，導致高溫壓縮機排氣溫度升高，且上升速度逐漸變快。隨著高溫壓縮機頻率增加，高溫循環(huán)制冷量加大，冷凝蒸發(fā)器換熱量加大，換熱充分，低溫循環(huán)冷凝壓力下降。導致低溫壓縮機排氣溫度下降。隨著高溫壓縮機頻率繼續(xù)增加，冷凝蒸發(fā)器換熱量持續(xù)加大，換熱面積相對變小，換熱溫差逐漸加大，導致低溫壓縮機排氣溫度下降速度變的緩慢。

圖3 壓縮機排氣溫度隨高溫壓縮機頻率的變化

圖4示出蒸發(fā)溫度-30 ℃，冷凝溫度46 ℃時，高溫壓縮機功率、低溫壓縮機功率、系統(tǒng)總功率隨高溫壓縮機頻率的變化。

圖4 高溫壓縮機功率、低溫壓縮機功率及系統(tǒng)功率隨高溫壓縮機頻率的變化

從圖4可以看出，隨高溫壓縮機頻率增加，高溫壓縮機功率變大，低溫壓縮機功率減小，兩者均呈近似線變化趨勢，但前者較后者變化幅度更大。高溫壓縮機頻率從60 Hz增加至300 Hz，高溫壓縮機功率增加4.15 kW，平均增長率為0.017 kW/Hz，低溫壓縮機功率減少1.08 kW，平均下降率為0.004 5 kW/Hz。系統(tǒng)總功率隨高溫壓縮機頻率增加而逐漸增加。高溫壓縮機頻率增加，壓縮機轉速增加，吸氣量增加，高溫循環(huán)制冷量加大，中間溫度下降，高溫壓縮機壓縮比加大，等熵效率急劇減小，壓縮機輸入功率加大。中間溫度下降導致低溫循環(huán)制冷劑冷凝效果變好，冷凝溫度減小，蒸發(fā)溫度不變，壓縮機壓縮比減小，等熵效率緩慢增加，壓縮機輸入功率減小。隨高溫壓縮機頻率增加，水泵功率不變，而高溫壓縮機功率增加幅度大于而低溫壓縮機功率減小幅度，所以系統(tǒng)功率呈逐漸增長趨勢。

圖5示出蒸發(fā)溫度-30 ℃，冷凝溫度46 ℃時，系統(tǒng)COP與制熱量隨高溫壓縮機頻率的變化。從圖5中可以看出，隨高溫壓縮機頻率從60 Hz增加至300 Hz，系統(tǒng)制熱量呈線性增加趨勢，制熱量增長率約為0.039 kW/Hz，通過提高高溫壓縮機頻率，可以快速增加系統(tǒng)的制熱量，滿足制熱供暖需求。從圖5中還可以看出，COP呈先增加后減小趨勢，存在最優(yōu)高溫壓縮機頻率210 Hz，對應COP最大值為2.70。這是因為高溫壓縮機頻率增加，壓縮機轉速增加，中間溫度下降，低溫壓縮機壓縮比減小，容積效率增加，低溫循環(huán)質量流量增加，低溫循環(huán)制冷量與制熱量快速增加，低溫循環(huán)通過冷凝蒸發(fā)器向高溫循環(huán)傳遞的熱量增加，此時，低溫循環(huán)制冷量對COP影響比重較大，則COP上升。但隨著高溫壓縮機頻率繼續(xù)增加，高溫壓縮機壓縮比逐漸加大，

圖5 系統(tǒng)COP和制熱量隨高溫壓縮機頻率的變化

指示效率急劇減小，高溫壓縮機功率上升速度加快，同時低溫壓縮機容積效率上升達到極限增加緩慢。低溫循環(huán)通過冷凝蒸發(fā)器向高溫循環(huán)傳遞的熱量增加緩慢，低溫循環(huán)制冷量對COP影響比重變小，高溫壓縮機功率增加對COP影響比重較大，COP出現(xiàn)衰減。因此當變高溫壓縮機頻率復疊式熱泵供熱負荷增加時，前期通過提高高溫壓縮機頻率，不僅提高系統(tǒng)制熱量，而且還可以提高系統(tǒng)的COP。

3 結論

（1）隨著高溫壓縮機頻率的增加，高溫壓縮機排氣溫度逐漸增加，變化范圍為72.1～99.7 ℃，低溫壓縮機排氣溫度逐漸減小。高、低溫壓縮機排氣溫度始終小于120 ℃，在壓縮機的安全運行范圍之內。

（2）隨高溫壓縮機頻率增加，高溫壓縮機功率近似線性增大，低溫壓縮機功率近似線性減小，高溫壓縮機功率的增加幅度大于低溫壓縮機功率的減小幅度。高溫壓縮機頻率從60 Hz增加至300 Hz，平均增長率為0.017 kW/Hz，平均下降率為0.004 5 kW/Hz。

（3）隨著高溫壓縮機頻率從60 Hz增加至300 Hz，系統(tǒng)制熱量呈線性增加趨勢，COP呈先增加后減小趨勢，存在最優(yōu)高溫壓縮機頻率210 Hz，對應COP最大，最大值為2.70。