啟停過程對空氣源熱泵-冷柜一體機性能影響的實驗研究

孟維煥 郭憲民 張京京

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點實驗室 天津 300134)

中小型超市及便利店制冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點。A. Polzot等[1]提出一種R744制冷系統(tǒng)，帶有高壓回?zé)崞饔糜诨厥諢崃繛槌泄┡?，并可滿足冷藏冷凍所需冷負荷。G. Maouris等[2]研究了一種CO2增壓制冷集成加熱和冷卻系統(tǒng)，具有蓄熱功能?？諝庠礋岜?冷柜一體機是基于目前便利店以及中小型超市等運營模式而提出的一種新型制冷系統(tǒng)模式[3]，通過將空調(diào)系統(tǒng)和冷柜系統(tǒng)結(jié)合運行，在冬季工況下回收冷柜系統(tǒng)冷凝熱用于延緩空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)霜[4]，從而達到節(jié)能的效果。為研究空調(diào)-冷柜一體機的可行性，D. Ha等[5]通過中間冷卻器將空氣源熱泵和冷柜系統(tǒng)連接，在便利店經(jīng)過一年的實測發(fā)現(xiàn)，與空氣源熱泵和冷柜單獨運行的系統(tǒng)相比，聯(lián)合運行下總電能消耗降低32%。張魯夢等[6]提出一種將空氣源熱泵與冷藏冷凍系統(tǒng)結(jié)合的一體機系統(tǒng)，實驗證明一體機系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。相對于冷柜系統(tǒng)的單一制冷模式，空氣源熱泵在空氣源熱泵-冷柜一體機中受到更多學(xué)者的關(guān)注，余斌等[7]實驗研究了一體機在夏季工況下的性能，結(jié)果表明空氣源熱泵系統(tǒng)的質(zhì)量流量比在8%～12%時，空調(diào)和冷柜系統(tǒng)的COP得到提升。吳琦琦等[8]在冬季結(jié)霜工況下研究了一體機中空氣源熱泵室外機的結(jié)霜問題，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合運行下結(jié)霜周期延長為單獨運行的1.27倍。

空氣源熱泵因其高效便捷的優(yōu)勢被應(yīng)用于一體機系統(tǒng)中，但作為一種啟停式熱泵，其在啟停過程中對系統(tǒng)造成的能量損失不容忽視[9]。高佳佳等[10]為減少啟停式小型熱泵的啟停頻率，提出將溫度設(shè)定值重設(shè)技術(shù)和雙線性控制技術(shù)結(jié)合的控制方法，結(jié)果表明該控制方式簡單高效且不會對室內(nèi)的熱舒適性產(chǎn)生影響。張旭光等[11]針對小型家用空調(diào)器建立了夏季工況下啟停機過程的動態(tài)仿真模型，結(jié)果表明采用變頻調(diào)節(jié)可以降低壓縮機在啟停過程中的能量損失。Shang Yan等[12]對立式地源熱泵系統(tǒng)進行了間歇運行實驗研究，并對比了不同運行模式，研究表明在間歇時間內(nèi)地?zé)崮艿幕謴?fù)可有效提高熱泵的系統(tǒng)效率。管國兵等[13]對末端不帶溫控的空調(diào)系統(tǒng)進行周期性啟停控制，通過減少制冷機運行時間來實現(xiàn)降載節(jié)能。李元旦等[14]通過實測分析了土壤源熱泵在冬季制熱工況下的氣動特性。

目前大多數(shù)研究針對一體機聯(lián)合運行工況性能提升，或在熱泵系統(tǒng)中單獨提出啟?？刂撇呗砸詢?yōu)化系統(tǒng)，但空氣源熱泵作為一體機的一部分，有關(guān)其對一體機系統(tǒng)性能影響的研究較少。本文主要對空氣源熱泵-冷柜一體機系統(tǒng)中空氣源熱泵的啟停機過程進行了實驗研究，分析了在一體機中熱泵的啟停對熱泵聯(lián)合運行性能以及冷柜系統(tǒng)性能的影響。

1 實驗系統(tǒng)及工況

1.1 實驗裝置介紹

實驗裝置主要包括空氣源熱泵-冷柜一體機系統(tǒng)、焓差室以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分，實驗系統(tǒng)原理如圖1所示。其中空氣源熱泵-冷柜一體機系統(tǒng)主要分為兩部分:一部分是空氣源熱泵系統(tǒng)，制冷劑采用R410A;另一部分是冷柜系統(tǒng)，制冷劑采用R404A。通過板式換熱器將兩部分相連，達到空調(diào)系統(tǒng)為冷柜系統(tǒng)提供過冷的目的；空氣源熱泵的室外機和冷柜系統(tǒng)的冷凝器設(shè)計為室外一體翅片式換熱器，其前排2/3的管為冷柜冷凝器，剩余用作空調(diào)室外機，在冬季工況下可實現(xiàn)利用冷柜冷凝熱為空氣源熱泵蒸發(fā)器除霜的效果[15]。焓差法性能實驗室依據(jù)GB/T 7725—1996《房間空氣調(diào)節(jié)器》[16]建造，用于控制實驗工況所需要的環(huán)境溫濕度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及相關(guān)測點布置如圖1所示，主要采集參數(shù)包括溫度、壓力、相對濕度、質(zhì)量流量及功耗。其中，溫度測量采用T型熱電偶測量，精度為±0.1 ℃；干濕球溫度采用Pt100鉑電阻測量，精度為±0.1 ℃；壓力通過MPM4730壓力變送器測量，精度為0.25%；熱泵側(cè)及冷柜側(cè)制冷劑的質(zhì)量流量采用質(zhì)量流量傳感器測量，精度為0.1%FS；空氣源熱泵功耗通過焓差室測控軟件測量，冷柜功耗采用WT330數(shù)字功耗計測量，精度為0.5%。

圖1 空氣源熱泵-冷柜一體機實驗系統(tǒng)

1.2 實驗工況

為了對比空氣源熱泵在單獨運行及其與冷柜聯(lián)合運行工況下的性能，實驗測試了空氣源熱泵單獨運行以及聯(lián)合運行工況下的性能變化。“單獨運行”工況是指空氣源熱泵開機運行而冷柜系統(tǒng)關(guān)閉；而“聯(lián)合運行”工況是指空氣源熱泵與冷柜同時運行，熱泵系統(tǒng)為冷柜系統(tǒng)提供過冷度。

為研究聯(lián)合運行工況下空氣源熱泵啟停次數(shù)對空氣源熱泵-冷柜一體機性能的影響，設(shè)定空氣源熱泵在70 min內(nèi)分別經(jīng)歷一至三次啟停，一次啟停工況，即熱泵在開機后連續(xù)運行直至停機，運行周期為70 min；兩次及三次啟停工況，即熱泵在70 min周期內(nèi)啟停兩次及三次，兩次啟停之間的間歇時長為5 min。所有實驗均在表1所示的環(huán)境工況參數(shù)下進行。

表1 實驗工況參數(shù)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 考慮啟停過程的空氣源熱泵動態(tài)性能

為了對比分析考慮啟停過程的空氣源熱泵性能，分別在空氣源熱泵單獨運行及聯(lián)合運行工況下進行性能測試。

圖2(a)、圖2(b)所示分別為空氣源熱泵單獨運行及聯(lián)合運行工況下的制熱量及COP動態(tài)曲線。由圖2(a)可知，兩種工況下空氣源熱泵的制熱量在開機初期隨運行時間的增加而逐漸增大，其中單獨運行工況下在開機約30 min后制熱量達到最大值，而在聯(lián)合運行工況下制熱量則在開機約40 min后達到最大值，實驗中發(fā)現(xiàn)這是由于室外機換熱器表面結(jié)霜造成的。由于冷柜冷凝熱延緩了室外機結(jié)霜，導(dǎo)致空氣源熱泵制熱量的衰減延遲約10 min。同時發(fā)現(xiàn)，在整個運行周期內(nèi)，聯(lián)合運行工況下的熱泵制熱量始終高于單獨運行工況，這是由于冷柜冷凝熱延緩結(jié)霜及中冷器傳熱面積相當(dāng)于增大了蒸發(fā)面積所致[17]。

由圖2(b)可知，在考慮空氣源熱泵啟停過程的情況下，兩種運行方式下熱泵系統(tǒng)的COP在開始階段隨運行時間逐漸增大，在空氣源熱泵單獨運行工況下制熱COP約在30 min達到最大值，而在聯(lián)合運行工況下其COP在約60 min達到最大值。整個過程中聯(lián)合運行工況下的COP始終高于單獨運行工況下的制熱COP。這是由于熱泵與冷柜的聯(lián)合運行工況有效提升了空氣源熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，如圖2(c)所示。由圖2可知，聯(lián)合運行工況下空氣源熱泵系統(tǒng)性能始終高于單獨運行工況，原因是空氣源熱泵-冷柜一體機的聯(lián)合運行可以有效延緩熱泵室外機的結(jié)霜，從而提升系統(tǒng)性能。

圖2 空氣源熱泵系統(tǒng)性能對比

2.2 啟停次數(shù)對空氣源熱泵性能的影響

為了研究啟停次數(shù)對空氣源熱泵性能的影響，實驗測試了空氣源熱泵在單獨運行及聯(lián)合運行工況下不同啟停次數(shù)下的性能，實驗中空氣源熱泵在70 min內(nèi)分別經(jīng)歷一至三次啟停過程。圖3所示為不同啟停次數(shù)下空氣源熱泵在單獨運行及聯(lián)合運行工況下的平均制熱量、平均功耗以及平均COP對比。

圖3 啟停次數(shù)對空氣源熱泵性能的影響

由圖3可知，無論在單獨運行還是聯(lián)合運行工況下，隨著啟停次數(shù)的增加，空氣源熱泵系統(tǒng)的平均功耗增大，平均制熱量減少，導(dǎo)致平均COP減小，這是由于在啟停過程中的能量損失造成的，其中在停機過程中由于壓差的存在，制冷劑工質(zhì)從壓力較高的室內(nèi)機流向壓力較低的室外機內(nèi)從而發(fā)生熱量交換，不僅造成能量的耗散，且室內(nèi)機內(nèi)工質(zhì)溫度的降低也會導(dǎo)致下一次啟動過程中冷負荷的增大；而在熱泵啟動過程中，壓縮機的排氣壓力快速升高，吸氣壓力急速降低，壓縮機功耗增大，而蒸發(fā)器中的工質(zhì)在壓縮后進入冷凝器重新建立高低壓差的過程中卻沒有有效輸出，造成啟動能量損失。對于單獨運行工況，壓縮機從啟停一次增至三次，造成空氣源熱泵的平均功耗增加17.2%，平均制熱量減少19.5%，平均COP減少28.8%。對于聯(lián)合運行工況，熱泵壓縮機從啟停一次增至三次，平均功耗增加16.3%，制熱量減少18.2%，平均COP降低27.3%。雖然開、停機過程中的能量耗散不可逆，但空氣源熱泵-冷柜一體機可以利用冷柜冷凝熱延遲熱泵室外機結(jié)霜，提高熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，聯(lián)合運行下空氣源熱泵性能得到提升，部分抵消了壓縮機啟停的影響，表現(xiàn)為熱泵在聯(lián)合運行下平均制熱量、平均COP的提高以及平均功耗的減少，由此啟停次數(shù)的影響對于單獨運行工況更大。

2.3 空氣源熱泵啟停對冷柜性能的影響

在空氣源熱泵-冷柜一體機系統(tǒng)聯(lián)合運行工況下，空氣源熱泵的啟停機過程也會對冷柜系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響[18-19]。在70 min內(nèi)空氣源熱泵分別進行三種啟停次數(shù)，冷柜的動態(tài)性能曲線如圖4所示。

圖4 空氣源熱泵啟停對冷柜系統(tǒng)性能的影響

由圖4可知，空氣源熱泵系統(tǒng)的停機對冷柜系統(tǒng)的過冷度產(chǎn)生顯著影響，在空氣源熱泵停機期間，冷柜制冷系統(tǒng)的過冷度大幅減小，造成其制冷量及COP在空氣源熱泵停機期間相應(yīng)大幅降低。隨著空氣源熱泵啟停次數(shù)的增加，冷柜系統(tǒng)的平均制冷量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，在空氣源熱泵三次啟停工況下冷柜平均制冷量對比空氣源熱泵一次及兩次啟停工況下冷柜平均制冷量分別降低11.6%和4.7%。由于在空氣源熱泵的啟停過程中冷柜系統(tǒng)的運行工況變化較小，冷柜系統(tǒng)的功耗始終保持相對穩(wěn)定，因此冷柜系統(tǒng)的COP隨空氣源熱泵系統(tǒng)啟停次數(shù)的增加而逐漸減小，在空氣源熱泵三次啟停工況下冷柜系統(tǒng)的平均COP相較于在空氣源熱泵一次及兩次啟停工況下冷柜系統(tǒng)的平均COP分別降低約11.1%和3.9%。

3 結(jié)論

本文在空氣源熱泵不同啟停次數(shù)工況下對空氣源熱泵-冷柜一體機的性能進行了實驗研究，測試了空氣源熱泵啟停次數(shù)對單獨運行以及聯(lián)合運行工況下熱泵性能的影響，并分析了聯(lián)合運行工況下空氣源熱泵啟停冷柜系統(tǒng)性能的影響，得到結(jié)論如下：

1)在聯(lián)合運行工況下，冷柜的冷凝熱可以有效延緩室外機結(jié)霜，且有效提升了熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，表現(xiàn)為聯(lián)合運行工況下空氣源熱泵制熱量的衰減比單獨運行工況下延緩了10 min，熱泵系統(tǒng)在啟停次數(shù)增加過程中的能量損失得到部分抵消。其中在單獨運行工況下，經(jīng)歷三次啟停工況下空氣源熱泵的平均制熱量及平均COP對比一次啟停工況下空氣源熱泵，分別減少19.5%、28.8%，平均功耗增加17.2%。在聯(lián)合運行工況下，經(jīng)歷三次啟停工況下空氣源熱泵的平均制熱量及平均COP對比一次啟停工況下空氣源熱泵，分別減少18.2%和27.3%，平均功耗增加16.3%。

2)聯(lián)合運行工況下冷柜系統(tǒng)的過冷度隨著空氣源熱泵的啟停產(chǎn)生顯著波動，從而影響冷柜系統(tǒng)的平均制冷量以及COP。在空氣源熱泵三次啟停工況下冷柜的平均制冷量及平均COP對比空氣源熱泵一次啟停工況下冷柜分別減少11.6%和11.1%。