環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度對(duì)低溫空氣源熱泵性能的影響

黎珍，鄧志揚(yáng)，張勇，李燕華，袁明征

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

引言

空氣源熱泵熱水機(jī)利用熱泵原理，以電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，通過(guò)熱力循環(huán)，將空氣中吸收的熱量用于制取熱水。在雙碳政策背景下，空氣源熱泵熱水機(jī)組因其環(huán)保與節(jié)能的特性被廣泛應(yīng)用在替代電、燃煤鍋爐等領(lǐng)域。

空氣源熱泵雖然具有很多優(yōu)勢(shì)，但是不同于常規(guī)的熱泵，其運(yùn)行工況范圍寬，常年制熱以及冷凝溫度高，在低溫工況容易出現(xiàn)性能衰減、制熱水能力差、結(jié)霜等問(wèn)題[1,2]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這些問(wèn)題展開(kāi)了大量的研究。

孫濤等[3]通過(guò)調(diào)節(jié)毛細(xì)管長(zhǎng)度提升熱泵性能。曲明璐等[4]通過(guò)增設(shè)蓄熱器的除霜系統(tǒng)來(lái)縮短除霜時(shí)間降低除霜能耗。其他學(xué)者也研究了環(huán)境溫度、進(jìn)水溫度、出水溫度等對(duì)熱泵性能參數(shù)的影響程度與變化趨勢(shì)[5-9]。

但是以上研究多分別針對(duì)環(huán)境溫度、初始水溫、出水溫度等單一影響因素研究，綜合多種因素對(duì)熱泵性能參數(shù)影響程度對(duì)比研究較少。因此本文通過(guò)改變環(huán)境溫度、進(jìn)水溫度兩個(gè)影響因素對(duì)商用循環(huán)式空氣源熱泵熱水機(jī)組性能進(jìn)行研究，總結(jié)低溫工況能力性能衰減的根本原因，為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)原理和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

空氣源熱泵熱水機(jī)組試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由制冷劑系統(tǒng)和水系統(tǒng)兩部分組成。

制冷劑循環(huán)部分由壓縮機(jī)、汽液分離器、套管換熱器、過(guò)濾器、電子膨脹閥、翅片蒸發(fā)器、四通閥等組成。制熱時(shí)制冷劑流向如圖1箭頭方向所示。選用額定制熱量為41 kW，額定功率為8.93 kW，額定制熱能效為4.59，制冷劑為R410A的商用循環(huán)型空氣源熱泵熱水機(jī)組作為研究對(duì)象。其中壓縮機(jī)為定頻50 Hz的熱泵專用渦旋式壓縮機(jī)，可靠性好。壓縮機(jī)吸氣口安裝低壓開(kāi)關(guān)、排氣口安裝高壓開(kāi)關(guān)，當(dāng)壓縮機(jī)超出正常工作壓力范圍時(shí)起到保護(hù)作用。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理

水系統(tǒng)循環(huán)部分由開(kāi)式水箱、水位開(kāi)關(guān)、電加熱裝置、循環(huán)水泵、套管換熱器組成閉式回路。水泵從水箱中取水，經(jīng)循環(huán)進(jìn)水管進(jìn)入機(jī)組后，通過(guò)大流量、小溫差的加熱方法，將水箱中的水逐漸加熱。在套管冷凝器中水與制冷劑的流動(dòng)方向相反，呈逆流換熱，換熱效果好。循環(huán)水泵流量可調(diào)，電加熱箱可調(diào)節(jié)初始水溫。開(kāi)式水箱體積2 t，自帶水位開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)水位。

實(shí)驗(yàn)室可通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、水箱溫度以及循環(huán)水泵開(kāi)度等來(lái)達(dá)到所需實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)需測(cè)量18個(gè)參數(shù)：環(huán)境溫度，水泵流量、進(jìn)水溫度，出水溫度，壓縮機(jī)吸、排氣溫度及其對(duì)應(yīng)的壓力，電子膨脹閥前溫度，蒸發(fā)器入管、出管溫度、壓縮機(jī)電流、風(fēng)機(jī)電流、壓縮機(jī)功率、風(fēng)機(jī)功率、電壓、機(jī)組制熱量、能效等。進(jìn)出水溫度由鉑電阻溫度傳感器測(cè)量，其他溫度點(diǎn)由布置在其上的熱電偶測(cè)量，壓縮機(jī)吸排氣壓力由壓力傳感器測(cè)量，水泵流量由電磁流量計(jì)測(cè)量，其他參數(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備軟件可測(cè)量顯示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選用實(shí)驗(yàn)機(jī)組為商用循環(huán)型空氣源熱泵熱水機(jī)，根據(jù)GB/T 21362-2008《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)》規(guī)范，使用側(cè)循環(huán)流量為按名義制熱量及進(jìn)出口5 ℃溫差確定的水流量，因此名義工況先調(diào)節(jié)循環(huán)水泵開(kāi)度，確定循環(huán)水流量為6.86 m3/h；變工況運(yùn)行時(shí)的終止水溫為（9～55）℃，實(shí)驗(yàn)室通過(guò)電加熱調(diào)節(jié)水箱溫度，使進(jìn)水溫度按實(shí)驗(yàn)要求調(diào)節(jié)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)3 min后再開(kāi)始采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)工況中進(jìn)水溫度9 ℃、30 ℃、50 ℃分別定義為低、中、高水溫。

實(shí)驗(yàn)中采用定水溫的方法進(jìn)行測(cè)試，即水流量不變時(shí)，進(jìn)水溫度不會(huì)隨著加熱時(shí)間變長(zhǎng)而升高。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)取任意穩(wěn)定時(shí)的數(shù)據(jù)，以代表該工況的狀態(tài)。

1.3 計(jì)算公式

系統(tǒng)制熱量：

式中：

Q—熱泵熱水機(jī)制熱量，單位kW；

C—水的比熱容，單位kJ/（kg·℃）；

t1—進(jìn)水溫度，單位℃；

t2—出水溫度，℃；

m—被加熱水的質(zhì)量流量，單位kg/h。

熱泵COP：

表1 實(shí)驗(yàn)工況

式中：

P—壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)耗電量，單位kW。

遵循蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)的壓焓圖狀態(tài)參數(shù)命名規(guī)則，壓縮機(jī)吸氣口為點(diǎn)1，排氣口為點(diǎn)2，電子膨脹閥前為點(diǎn)3，蒸發(fā)器入管為點(diǎn)4。蒸發(fā)壓力為P0，冷凝壓力為Pk，利用Refprop9.0軟件分別計(jì)算對(duì)應(yīng)狀態(tài)點(diǎn)的制冷劑比體積v/（m3/kg）、比焓h/（kJ/kg）、比熵s/（kJ /kg*k），然后通過(guò)公式計(jì)算即可得到以下參數(shù)：

單位質(zhì)量制冷量q0/（kJ/kg）：

單位質(zhì)量制熱量qk/（kJ/kg）：

單位容積制冷量qzv/（kJ/m3）：

比功w/（kJ/kg）：

制冷劑質(zhì)量流量qm/（kg/s）：

理論輸氣量qvh/（m3/s）：

該機(jī)組壓縮機(jī)為松下渦旋壓縮C-SCP360H38M，排氣容積為120.3 cm3/rev.，即額定工況理論輸氣量qvh為0.005 822 52 m3/s。

實(shí)際輸氣量qvs/(m3/s)：

容積效率λ：

壓比π：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)制熱量的影響

系統(tǒng)制熱量Q、單位質(zhì)量制熱量qk、制冷劑質(zhì)量流量qm以及容積效率λ隨環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度的變化分別見(jiàn)圖2～5。由圖2可知，當(dāng)外界環(huán)境溫度相同時(shí)，環(huán)境溫度7 ℃和0 ℃工況下，制熱量隨著進(jìn)水溫度的升高而變化不明顯；環(huán)境溫度-15 ℃時(shí)，制熱量隨著進(jìn)水溫度的升高而降低，這種趨勢(shì)在低中水溫時(shí)降低較少，但高水溫時(shí)制熱量相對(duì)低水溫降低32.51 %。當(dāng)進(jìn)水溫度相同時(shí)，制熱量隨著環(huán)境溫度的降低而降低，尤其是高水溫時(shí)，環(huán)境溫度-15 ℃的制熱量比7 ℃降低57.76 %。

圖2 系統(tǒng)制熱量隨環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度的變化

原因由圖3～5可知，環(huán)溫7 ℃和0 ℃工況下，雖然單位質(zhì)量制熱量qk隨著進(jìn)水溫度的升高冷凝效果下降，且容積效率λ隨著進(jìn)水溫度升高而降低，但是由于冷凝溫度升高，同環(huán)溫工況下蒸發(fā)壓力有所提升，吸氣比體積減小，因此制冷劑質(zhì)量流量qm隨著進(jìn)水溫度升高依然呈上升趨勢(shì)，總體表現(xiàn)為制熱量變化量不明顯。而環(huán)溫-15 ℃高水溫工況下，壓比π高達(dá)7.4導(dǎo)致容積效率λ嚴(yán)重下降，實(shí)際輸氣量只有理論輸氣量的60 %，此時(shí)的質(zhì)量流量急劇下降，所以-15 ℃高水溫工況制熱量衰減嚴(yán)重。

圖3 單位質(zhì)量制熱量隨環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度的變化

綜上，環(huán)境溫度是影響制熱量的主要因素，進(jìn)水溫度是影響制熱量的次要因素，進(jìn)水溫度的影響程度在低環(huán)溫、高水溫工況即壓比π大的工況明顯增加。

2.2 環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)功率的影響

系統(tǒng)總功率、比功以及壓比隨環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度的變化分別見(jiàn)圖6～8。由圖6可知，當(dāng)外界環(huán)境溫度相同時(shí)，隨著進(jìn)水溫度的升高，熱泵系統(tǒng)的總功率呈上升趨勢(shì)。環(huán)境溫度7 ℃時(shí)，中水溫比低水溫功耗增加36 %，高水溫比低水溫功耗增加102 %；環(huán)境溫度0 ℃時(shí)，中水溫比低水溫功耗增加31.16 %，高水溫比低水溫功耗增加88.76 %；環(huán)境溫度-15 ℃時(shí)，中水溫比低水溫功耗增加37.2 %，高水溫比低水溫功耗增加81.53 %。當(dāng)進(jìn)水溫度相同時(shí)，低中水溫工況下，總功率隨著環(huán)境溫度升高變化不明顯，但高水溫工況下，總功率隨環(huán)境溫度升高明顯增加。

圖6 功率隨環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度的變化

結(jié)合圖4、圖5、圖7、圖8可知，環(huán)境溫度7 ℃和0 ℃工況下，qm隨著進(jìn)水溫度升高而升高，比功w也因壓比π增加而呈上升趨勢(shì)，二者增加均導(dǎo)致功耗增加，且水溫越高冷凝壓力越高，壓比π越大，功耗增加越快。環(huán)境溫度7℃和0℃時(shí)，低中水溫工況功率增幅比例相近，但是在高水溫時(shí)隨著環(huán)境溫度的提升，功耗增加幅度增大。這是因?yàn)殡m然環(huán)境溫度提高，壓比π減少，比功w略降低，但是蒸發(fā)壓力升高比體積減小，導(dǎo)致qm增加幅度大，綜合結(jié)果體現(xiàn)為高水溫工況，環(huán)境溫度越高，功耗越大。環(huán)境溫度-15 ℃時(shí)，高水溫工況，雖然容積效率λ急劇降低，qm下降，但是壓比π非常高，比功w很大，所以該工況功率只比7℃高水溫工況降低12.87 %。

圖4 制冷劑質(zhì)量流量隨環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度的變化

圖5 容積效率隨環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度的變化

圖7 比功隨環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度的變化

圖8 壓比隨環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度的變化

綜上，進(jìn)水溫度是影響總功率的主要因素，環(huán)境溫度是影響總功率的次要因素，環(huán)境溫度的影響程度在低環(huán)溫、高水溫工況即壓比π大的工況明顯增加。

2.3 環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度對(duì)熱泵COP的影響

熱泵COP隨環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度的變化如圖9 所示。由圖9可知，熱泵COP隨著環(huán)境溫度的降低而降低，隨著進(jìn)水溫度的升高而降低，這是因?yàn)殡m然環(huán)境溫度不變時(shí)，中低水溫時(shí)制熱量變化較小，環(huán)境溫度-15℃高水溫工況制熱量衰減明顯，但是進(jìn)水溫度升高導(dǎo)致系統(tǒng)總功率一直在升高，所以系統(tǒng)能效均在降低。當(dāng)進(jìn)水溫度不變時(shí)，環(huán)境溫度越低制熱量越低，但是總功率卻相差較少，所以系統(tǒng)能效降低。

圖9 熱泵COP隨環(huán)境溫度和進(jìn)水溫度的變化

2.4 系統(tǒng)性能的優(yōu)化

容積效率λ隨壓比π的變化如圖10所示。從圖10中可以看出，容積效率λ隨著壓比π增加而減小。π在3以下，λ可以達(dá)到93 %以上；π在3～4之間 ，λ為91 %；π在4～5.5之間，λ為86 %；壓比π在7.4，λ為60 %，當(dāng)壓比π大于7時(shí)λ急劇下降。由計(jì)算公式及前面分析可知，不管是環(huán)境溫度改變還是進(jìn)水溫度改變，最終都是是由實(shí)際輸氣量和單位質(zhì)量制熱量來(lái)決定制熱量的大小，由實(shí)際輸氣量和比功來(lái)決定總功率的大小，而實(shí)際輸氣量取決于λ的大小，比功取決于壓比的大小，因此可以采用噴氣增焓系統(tǒng)增加補(bǔ)氣量；或者采用變頻壓縮機(jī)，在低環(huán)溫工況適當(dāng)升頻來(lái)提升補(bǔ)氣量；或者采用再加熱的方法提高蒸發(fā)器出口冷媒的吸氣溫度等來(lái)提高系統(tǒng)制熱量和COP。

圖10 容積效率隨壓比的變化

3 結(jié)論

本文以商用循環(huán)型空氣源熱泵熱水機(jī)組作為研究對(duì)象，通過(guò)改變環(huán)境溫度和機(jī)組進(jìn)水溫度，對(duì)比研究系統(tǒng)性能的變化規(guī)律，得出如下結(jié)論:

1）當(dāng)外界環(huán)境溫度相同時(shí)，環(huán)境溫度7 ℃和0 ℃工況下，制熱量隨著進(jìn)水溫度的升高變化量不顯著；環(huán)境溫度-15 ℃時(shí)，制熱量隨著進(jìn)水溫度的升高而降低，這種趨勢(shì)在低中水溫時(shí)降低較少，但是高水溫時(shí)制熱量相對(duì)低水溫降低32.51 %。

2）當(dāng)進(jìn)水溫度相同時(shí)，制熱量隨著環(huán)境的降低而降低，尤其是高水溫時(shí)環(huán)境溫度-15 ℃制熱量比7 ℃降低57.76 %。

3）環(huán)境溫度是影響制熱量的主要因素，進(jìn)水溫度是影響制熱量的次要因素，環(huán)境溫度的影響程度在低環(huán)溫高水溫工況即壓比π大的工況明顯增加。

4）當(dāng)外界環(huán)境溫度相同時(shí)，隨著進(jìn)水溫度的升高，熱泵系統(tǒng)的總功率呈上升趨勢(shì)。環(huán)境溫度7 ℃時(shí)，中水溫比低水溫功耗增加36 %，高水溫比低水溫功耗增加102 %；環(huán)境溫度0 ℃時(shí)，中水溫比低水溫功耗增加31.16 %，高水溫比低水溫功耗增加88.76 %；環(huán)境溫度-15 ℃時(shí)，中水溫比低水溫功耗增加37.2 %，高水溫比低水溫功耗增加81.53 %。

5）當(dāng)進(jìn)水溫度相同時(shí)，低中水溫總功率隨著環(huán)境溫度升高變化不明顯，但是高水溫時(shí)環(huán)境溫度越高總功率越高。

6）進(jìn)水溫度是影響總功率的主要因素，環(huán)境溫度是影響總功率的次要因素，環(huán)境溫度的影響程度在低環(huán)溫高水溫工況即壓比π大的工況明顯增加。

7）熱泵COP隨著環(huán)境溫度的降低而降低，隨著進(jìn)水溫度的升高而降低。

8）可以采用噴氣增焓系統(tǒng)增加補(bǔ)氣量；或者采用變頻壓縮機(jī)，在低環(huán)溫工況適當(dāng)升頻來(lái)提升補(bǔ)氣量；或者采用再加熱的方法提高蒸發(fā)器出口冷媒的吸氣溫度等來(lái)提高系統(tǒng)制熱量和COP。