帶氣液分離的變頻空調(diào)系統(tǒng)研究

夏 寬，陳健勇，徐嘉鋮，李緒雄，郭長(zhǎng)旭，陳 穎，羅向龍

（廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

分液冷凝是一種管內(nèi)強(qiáng)化冷凝傳熱方法[1]，通過(guò)氣液分離器將冷凝過(guò)程中的氣體和液體分離，并排出冷凝液，高干度氣體進(jìn)入下一管程繼續(xù)冷凝，維持高傳熱系數(shù)；同時(shí)由于不斷排出冷凝液，減少了進(jìn)入下一流程的制冷劑流量，有效降低了氣液兩相的流動(dòng)阻力。Zhong等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)口制冷劑流速高于590 kg·m-2·s-1時(shí)，分液冷凝器的傳熱系數(shù)比普通冷凝器高，壓降比普通冷凝器低30.5%～52.6%。朱康達(dá)等[3]計(jì)算了7種不同結(jié)構(gòu)分液板式冷凝器，發(fā)現(xiàn)分液效率越高，換熱性能越好。華楠[4]發(fā)現(xiàn)在相同工況和結(jié)構(gòu)尺寸條件下，分液冷凝器的傳熱系數(shù)比普通冷凝器可提高34.6%，總壓降可降低74.4%，證實(shí)了分液冷凝對(duì)冷凝器性能的改善。

學(xué)者們對(duì)采用分液冷凝器的空調(diào)系統(tǒng)性能進(jìn)行了深入研究。Chen等[5]用分液冷凝器替換空調(diào)系統(tǒng)原冷凝器，試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)能效相當(dāng)時(shí)，分液冷凝器的換熱面積僅為原冷凝器的63.1%，制冷劑充注量?jī)H為原系統(tǒng)的80.3%。Li等[6]發(fā)現(xiàn)使用等面積分液冷凝器的空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)比原系統(tǒng)高6.6%。Chen等[7]將等面積分液換熱器替換原熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的室外換熱器，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，制冷模式下系統(tǒng)能效(Energy Efficiency Ratio，EER)提升了9.8%，制熱模式下系統(tǒng)能效(Coefficient of Performance，COP)提升了7.4%。目前研究集中于定頻空調(diào)系統(tǒng)中，尚無(wú)分液換熱器在變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的研究。針對(duì)變頻空調(diào)系統(tǒng)在不同地區(qū)的全年能源消耗效率(Annual Performance Factor，APF)計(jì)算，則能反映出系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行性能的地域差異。

本文針對(duì)帶分液換熱器的變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)，首先進(jìn)行了系統(tǒng)匹配研究，確定了最佳毛細(xì)管長(zhǎng)度和制冷劑充注量；然后依據(jù)國(guó)標(biāo)GB 21455——2013[8]在不同的制冷、制熱工況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試；最后對(duì)變頻空調(diào)的APF進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)比了在我國(guó)5個(gè)氣候區(qū)域中不同城市實(shí)際運(yùn)行效果[9]。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)

本文采用的管翅式分液換熱器，具體參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)如圖1所示，管程分布為8-6-5-3-2。分液換熱器由平行流換熱單元和左右聯(lián)箱組成，聯(lián)箱內(nèi)設(shè)置分液隔板與盲板，將換熱單元分成不同的管程。在制冷模式下，室外換熱器作為冷凝器，制冷劑氣體從右上入口進(jìn)入平行流換熱器的第一流程(向左移動(dòng))并部分冷凝，由于左聯(lián)箱的第二管程入口處設(shè)置有分液隔板，氣體和液體在此進(jìn)行氣液分離，液體沿小孔流入下一聯(lián)箱，剩余的氣體則進(jìn)入第二管程(向右移動(dòng))繼續(xù)冷凝。第三管程流動(dòng)情況類(lèi)似。第四管程入口處設(shè)置有盲板，第三管程流出的制冷劑與從第一管程分離的液體在此混合，繼續(xù)向右流動(dòng)并冷凝。最后所有制冷劑在最下方匯聚于兩根蛇形管中，實(shí)現(xiàn)完全冷凝或過(guò)冷。在制熱模式下，室外分液換熱器作為蒸發(fā)器，從節(jié)流閥出來(lái)的兩相制冷劑從底端入口流入，經(jīng)過(guò)一段蛇形管后進(jìn)入分液聯(lián)箱，在分液隔板處受重力和壓差等影響，管程內(nèi)的制冷劑流量和干度將重新分配，對(duì)蒸發(fā)器的換熱性能產(chǎn)生影響。

表1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Heat exchanger structure parameters

圖1 分液換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of liquid separation heat exchanger structure

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)介紹

焓差實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和測(cè)試設(shè)備如圖2所示，變頻空調(diào)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器和過(guò)濾器等其他附件組成。蒸發(fā)器和分液換熱器分別置于室內(nèi)、室外環(huán)境室中，并由隔熱層包裹的銅管連接。測(cè)量不確定度如表2[10-11]所示。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)原理圖Fig.2 Schematic diagram of test platform

表2 測(cè)量精度和不確定度Table 2 Measurement accuracy and uncertainty

1.3 試驗(yàn)方法

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7725——2004[12]，在制冷模式的額定工況下，室內(nèi)干球、濕球溫度分別為27，19 ℃，室外的干球、濕球溫度分別35，24 ℃；在制熱模式的額定工況下，室內(nèi)干球、濕球溫度分別為20，15 ℃，室外的干球、濕球溫度分別為7，6 ℃。

所使用分液變頻空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量和毛細(xì)管長(zhǎng)度需要進(jìn)行匹配，以達(dá)到最佳的系統(tǒng)性能。在制冷模式下運(yùn)行時(shí)，制冷劑充注量以50 g的增量變化；毛細(xì)管長(zhǎng)度每次增加50 mm，得出制冷模式下最佳EER。然后對(duì)制熱性能進(jìn)行匹配，由于充注量已經(jīng)確定，只需改變毛細(xì)管長(zhǎng)度，每次改變50 mm，找出最佳制熱能效COP。完成匹配后，再調(diào)整變頻壓縮機(jī)頻率，使其制冷量與制熱量分別為額定工況下的1/2，得到系統(tǒng)中間制冷、中間制熱的性能。

1.4 數(shù)據(jù)處理

制冷模式下系統(tǒng)的EER和制熱模式下系統(tǒng)的COP計(jì)算公式為

式中Qe、Qh、W分別表示制冷量(W)、制熱量(W)、系統(tǒng)耗功(W)；EER和COP的不確定度為±3.9%[9]。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 21455——2013[8]，轉(zhuǎn)速可控型熱泵空調(diào)采用全年能源消耗效率指標(biāo)(APF)來(lái)考核系統(tǒng)能效，由式(3)計(jì)算。本文基于國(guó)標(biāo)GB 21455——2013中對(duì)APF計(jì)算的規(guī)定，同時(shí)考慮各地區(qū)空調(diào)制冷、制熱季節(jié)運(yùn)行時(shí)間，編寫(xiě)了季節(jié)能效比計(jì)算軟件，如圖3所示，可用來(lái)計(jì)算變頻空調(diào)在不同地區(qū)運(yùn)行的季節(jié)能效比。

其中CSTL、HSTL分別表示制冷、制熱季節(jié)總負(fù)荷，CSTE、HSTE分別表示制冷、制熱季節(jié)耗電量。

圖3 變頻空調(diào)器季節(jié)能效比計(jì)算軟件Fig.3 Annual performance factor calculation software

為驗(yàn)證上述APF軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文采用朱玉鑫等[13]的9組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和張海云等[14]的1組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入，并與文中的結(jié)果比較，結(jié)果一致。如表3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)匹配

在制冷額定工況下，系統(tǒng)制冷劑充注量和毛細(xì)管長(zhǎng)度的匹配如圖4所示。圖4(a)表示對(duì)于特定的毛細(xì)管長(zhǎng)度，隨制冷劑充注量的增加，制冷量先增加后降低。這是由于充注量過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)制冷劑流量不足，流量隨充注量的增加而增加；當(dāng)制冷劑充注過(guò)多時(shí)，制冷劑會(huì)積聚在換熱器中，導(dǎo)致有效換熱面積減少，從而引起制冷量下降。圖4(b)表示耗功隨著制冷劑充注量增加而增加，這由于制冷劑流量增加所致。而EER是由制冷量和耗功共同作用的結(jié)果，如圖4(c)所示，當(dāng)毛細(xì)管長(zhǎng)度為800 mm、充注量為800 g時(shí)，系統(tǒng)具有最大制冷能效(EER)，為2.57。

表3 APF計(jì)算結(jié)果比較Table 3 Comparison of APF calculation results

基于制冷模式下所確定的制冷劑充注量800 g，對(duì)制熱模式下的毛細(xì)管長(zhǎng)度進(jìn)行匹配。如表4所示，隨著毛細(xì)管長(zhǎng)度的增加，制熱量表現(xiàn)出先增加后減少再增加的趨勢(shì)。系統(tǒng)耗功和COP的變化與制熱量呈現(xiàn)出相同規(guī)律，且最大值和最小值都分別出現(xiàn)在毛細(xì)管長(zhǎng)度為700，800 mm處。

2.2 不同工況的系統(tǒng)性能

系統(tǒng)的不同工況性能對(duì)比如表5所示。在制冷工況時(shí)，系統(tǒng)額定頻率為60 Hz，當(dāng)系統(tǒng)頻率調(diào)整為26 Hz時(shí)制冷量約為額定制冷量的一半，此時(shí)為中間制冷，制冷量減少48.6%，耗功減少58.9%。由于耗功減少幅度更大，EER反而增加了24.9%。類(lèi)似的在制熱工況時(shí)，壓縮機(jī)頻率減少52.7%時(shí)，制熱量減少50%，耗功減少55.4%，由于耗功減少幅度更大，COP反而增加了11.96%。這是因?yàn)閴嚎s機(jī)運(yùn)行頻率的增加雖然能提升制冷、制熱量，但同時(shí)壓縮機(jī)自身耗功也會(huì)大幅增加，最終系統(tǒng)能效比受制冷量/制熱量、耗功變化的綜合影響。

圖4 分液變頻空調(diào)系統(tǒng)制冷匹配規(guī)律Fig.4 Refrigeration matching law of air-conditioning system

表4 分液變頻空調(diào)系統(tǒng)制熱匹配規(guī)律Table 4 Heating matching law of liquid-split inverter air conditioning system

表5 變工況性能對(duì)比Table 5 Performance comparison under variable conditions

2.3 不同地域的系統(tǒng)APF對(duì)比

本文根據(jù)中國(guó)建筑氣候分區(qū)[15]，在5個(gè)不同氣候區(qū)域中分別選取2個(gè)代表性城市，由《中國(guó)建筑環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》[16-17]分別獲得5個(gè)氣候區(qū)域中10個(gè)典型城市的全年逐時(shí)氣候數(shù)據(jù)。

參照《GB 17758——2010 單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》[18]，制冷季節(jié)內(nèi)，取外部環(huán)境≥24 ℃為開(kāi)機(jī)制冷時(shí)間；制熱季節(jié)內(nèi)，取外部環(huán)境溫度≤16 ℃為開(kāi)機(jī)制熱時(shí)間，統(tǒng)計(jì)得到10個(gè)城市及全國(guó)的變頻空調(diào)器制冷、制熱運(yùn)行時(shí)間曲線(xiàn)，分別如圖5(a)、(b)所示。

圖5 運(yùn)行時(shí)間曲線(xiàn)圖Fig.5 Running time graph

通過(guò)計(jì)算，得到了空調(diào)系統(tǒng)在10個(gè)城市運(yùn)行的APF，如圖6所示。由圖可知，在嚴(yán)寒地區(qū)的沈陽(yáng)有最低值2.81，在溫和地區(qū)的騰沖有最大值3.67。10個(gè)城市的平均APF值為3.29，與國(guó)標(biāo)計(jì)算的APF相差3.8%，可以看出采用國(guó)標(biāo)規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間計(jì)算出的APF可以較準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)在全國(guó)運(yùn)行的平均性能。但國(guó)標(biāo)得出的APF值3.17與騰沖的APF(3.67)和沈陽(yáng)的APF值(2.81)分別相差15.8%、12.6%，所以采用不同地域運(yùn)行時(shí)間單獨(dú)計(jì)算APF是很有必要的。

圖6 各地按照實(shí)際運(yùn)行的APF對(duì)比Fig.6 Comparison of APF of actual operation in various regions

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)分液變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷、制熱系統(tǒng)性能進(jìn)行的試驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論：

(1) 系統(tǒng)最佳的充注量為800 g，最佳毛細(xì)管長(zhǎng)度在制冷模式和制熱模式下分別為800 mm和700 mm；

(2) 在額定工況下，系統(tǒng)制冷能效與制熱能效分別為2.57和3.68；在中間制冷、制熱模式下，它們分別是3.21和4.12；

(3) 地域氣候差異對(duì)系統(tǒng)全年能效比的影響不可忽視，在騰沖的APF值最高，為3.67。