復(fù)疊式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的試驗研究

張 勇 黎 珍 鄧志揚(yáng)

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著我國《大氣污染防治行動計劃》的貫徹實施，以及習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會上莊重承諾碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)以來[1]，各行業(yè)為應(yīng)對越來越高的環(huán)保要求，尋求傳統(tǒng)鍋爐供熱的替代品，進(jìn)行節(jié)能減排的改造也越來越迫切，以清潔能源替代作為化石燃料的技術(shù)應(yīng)用將迎來新的發(fā)展[2]。

空氣源熱泵以其高效節(jié)能等顯著特點(diǎn)，近年來產(chǎn)業(yè)規(guī)?？傮w增長較快，由2015年的80億元，增長到2021年的約227.1億元，所涉及的應(yīng)用范圍較廣，如生活熱水、集中供暖、養(yǎng)殖、烘干、印染等，空氣源熱泵在中低水溫應(yīng)用日臻成熟，而隨著“雙碳”政策的指引，熱泵突破更高水溫替代熱水鍋爐的應(yīng)用將是未來熱泵發(fā)展方向之一[3]，傳統(tǒng)的單級壓縮高溫?zé)岜?，受壓縮機(jī)自身范圍影響，無法全年維持在高水溫運(yùn)行，而且在低環(huán)溫下的制熱量衰減嚴(yán)重，排氣溫度居高不下，可靠性亟待考驗，需考慮其它熱泵系統(tǒng)解決措施[4-7]。

本文主要對一種復(fù)疊式熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行研究，對比分析了單級壓縮熱泵系統(tǒng)和復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，為復(fù)疊式空氣源熱泵熱水機(jī)的制熱不衰減設(shè)計和可靠應(yīng)用提供參考。

1 試驗研究

1.1 試驗樣機(jī)系統(tǒng)

圖1所示為試驗樣機(jī)系統(tǒng)原理圖，在同一臺樣機(jī)上，通過系統(tǒng)控制及流路變化實現(xiàn)復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)與單級壓縮熱泵系統(tǒng)的制熱切換，進(jìn)而準(zhǔn)確的對比測試。

圖1 試驗樣機(jī)系統(tǒng)原理圖

復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)由低溫級和高溫級組成，其中低溫級采用低溫增焓系統(tǒng)，制冷劑經(jīng)中間蒸發(fā)冷凝器冷凝之后，經(jīng)一級節(jié)流后進(jìn)入閃蒸器閃發(fā)為中壓氣液飽和態(tài)，一路液態(tài)制冷劑經(jīng)二級節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱，另一路氣態(tài)制冷劑經(jīng)電磁閥后進(jìn)入壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣口，大幅提升低溫級的低溫制熱能力和制熱能效；高溫級采用常規(guī)單級壓縮系統(tǒng)，制冷劑經(jīng)過高溫級冷凝器放熱制取高溫?zé)崴?，?jīng)節(jié)流后，從中間蒸發(fā)冷凝器不斷吸收低溫級的熱量，進(jìn)而實現(xiàn)復(fù)疊式熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行。

單級壓縮熱泵系統(tǒng)在復(fù)疊式熱泵的高溫級上實現(xiàn)，通過關(guān)閉低溫級系統(tǒng)，同時關(guān)閉電子膨脹閥1和開啟電子膨脹閥2，切換使用高溫級第二蒸發(fā)器，實現(xiàn)獨(dú)立的單級壓縮熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行。

1.2 選型及測試內(nèi)容

熱水名義工況設(shè)計制熱量20 kW，考慮到低環(huán)溫制熱能力不衰減的目標(biāo)，低溫級采用直流變頻壓縮機(jī)，制冷劑R410A，排量80 cm3/rec，最低蒸發(fā)溫度-40 ℃，壓縮機(jī)頻率范圍為（30～120）Hz；高溫級采用定頻壓縮機(jī)，制冷劑R134a，排量110 cm3/rec。

為全面的對比分析復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)和單級壓縮熱泵系統(tǒng)在高水溫的表現(xiàn)情況，分別對比測試兩種系統(tǒng)在不同出水溫度、不同環(huán)境溫度下的制熱運(yùn)行，主要測試內(nèi)容包括制熱量、功率、COP、排氣溫度、吸氣壓力、排氣壓力、壓縮機(jī)頻率等。

2 理論分析

如圖2復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)LgP-h圖所示，復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)由低溫級閃蒸補(bǔ)氣系統(tǒng)和高溫級單級壓縮系統(tǒng)組成，分析理論上主要性能指標(biāo)：

圖2 復(fù)疊式熱泵熱水系統(tǒng)LgP-h圖

制熱量：Q= i（h2-h3）；

壓縮機(jī)做功：W=m（h6-h5）+（m+n）（h8-h7）+i（h2-h1）；

性能系數(shù)：COP=Q÷W。

3 實驗結(jié)果分析

基于試驗樣機(jī)的復(fù)疊熱泵系統(tǒng)與單級壓縮熱泵系統(tǒng)可切換控制，按照5 ℃進(jìn)出水溫差進(jìn)行測試，以低溫制熱不衰減的目標(biāo)進(jìn)行低溫級壓縮機(jī)頻率的控制，對比得出在不同環(huán)境溫度、不同出水溫度下兩種系統(tǒng)的制熱關(guān)鍵數(shù)據(jù)差異。

圖3所示為不同出水溫度的制熱量變化。復(fù)疊式熱泵制熱量在-20 ℃以上保持制熱量不變，在-30 ℃時為20 ℃工況的（89.5～94.8）%，基本可以實現(xiàn)低環(huán)溫制熱量不衰減的設(shè)計目標(biāo)，并且不同水溫所對應(yīng)的制熱量基本接近，是因為低溫級采用變頻及低溫閃蒸補(bǔ)氣系統(tǒng)起到的有益效果；單級壓縮熱泵制熱量隨環(huán)境溫度的降低而大幅降低，最低環(huán)溫-10 ℃，且隨著水溫的升高，制熱量明顯變小。

圖3 不同出水溫度的制熱量變化

圖4所示為低溫級壓縮機(jī)頻率隨環(huán)境溫度變化。為維持全年制熱量保持不變，隨著環(huán)境溫度的降低，壓縮機(jī)頻率呈現(xiàn)上升的趨勢，且上升幅度加大，是因為環(huán)境溫度越低，低溫級從空氣中吸收的熱量變小，需要提高更多的壓縮機(jī)頻率來提升低溫制熱能力，進(jìn)而滿足低溫不衰減的設(shè)計目標(biāo)，但是根據(jù)圖3所示制熱量曲線，盡管在-30 ℃壓縮機(jī)跑到120 Hz的最高頻率，但是制熱量仍略有衰減，而在高環(huán)溫工況，壓縮機(jī)頻率最低跑到了30 Hz以下，略超頻率范圍，可見對于制熱能力不衰減的復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)，壓縮機(jī)的選型是關(guān)鍵，本次試驗樣機(jī)低溫級壓縮機(jī)的排量相對略小。

圖4 低溫級壓縮機(jī)頻率隨環(huán)境溫度變化

圖5所示為不同出水溫度的功率變化。復(fù)疊式熱泵的功率隨著環(huán)境溫度的升高而降低，單級壓縮熱泵的功率隨著環(huán)境溫度的升高而升高，兩種熱泵系統(tǒng)的功率都是隨著水溫的升高而升高，但是在低環(huán)溫工況下表現(xiàn)不一，復(fù)疊式熱泵的功率隨水溫變化相差較大，而單級壓縮熱泵由于低溫制熱量的衰減，不同水溫的功率隨環(huán)溫的降低差值相應(yīng)變小。

圖5 不同出水溫度的功率變化

圖6所示為不同出水溫度的COP變化。復(fù)疊式熱泵在環(huán)溫-30 ℃、出水85 ℃時能效1.19 kW /kW，兩種熱泵系統(tǒng)的COP隨著環(huán)境溫度的均呈現(xiàn)上升趨勢，復(fù)疊式熱泵在中高環(huán)境溫度上升趨勢較單級壓縮熱泵緩慢一些，復(fù)疊式熱泵在低環(huán)溫下的COP表現(xiàn)更優(yōu)，而單級壓縮熱泵在高環(huán)溫的COP表現(xiàn)更優(yōu)，是因為復(fù)疊式熱泵在中高環(huán)境溫度下的功率輸出更大，從曲線可以看出，單級壓縮熱泵和復(fù)疊式熱泵在最優(yōu)能效切換點(diǎn)處于（10～20） ℃環(huán)溫區(qū)間附近，從實際運(yùn)行節(jié)能性考慮，可為兩種熱泵系統(tǒng)切換提供控制依據(jù)。

圖6 不同出水溫度的COP變化

圖7所示為不同出水溫度的吸氣壓力變化。復(fù)疊式熱泵的高溫級吸氣壓力基本保持平穩(wěn)，環(huán)境溫度-30 ℃時吸氣壓力降低，是因為低溫級滿頻率輸出無法提供足夠的制熱量給中間蒸發(fā)冷凝器，導(dǎo)致高溫級吸收不到足夠的熱量；單級壓縮熱泵的吸氣壓力隨著環(huán)境溫度的降低而逐漸降低。從曲線可以看出，復(fù)疊式熱泵因低溫級供熱量的因素，其不同水溫的吸氣壓力差距較大，而單級壓縮熱泵吸氣壓力隨著環(huán)境溫度的升高差距略微變大。

圖7 不同出水溫度的吸氣壓力變化

圖8所示為不同出水溫度的排氣壓力變化。復(fù)疊式熱泵的高溫級排氣壓力基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，單級壓縮熱泵的排氣壓力在中高環(huán)境溫度處于平穩(wěn)狀態(tài)，但是在低環(huán)境溫度下排氣壓力明顯降低，這主要是低環(huán)境溫度下冷媒循環(huán)量降低較多引起。

圖8 不同出水溫度的排氣壓力變化

圖9所示為不同出水溫度的排氣溫度變化。復(fù)疊式熱泵的高溫級排氣溫度基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，低環(huán)境溫度下略微高一點(diǎn)，單級壓縮熱泵的排氣溫度隨著環(huán)境溫度的降低而升高，在-10 ℃時超過120 ℃，可以看出，復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)在高水溫運(yùn)行的排氣溫度更低，運(yùn)行更可靠。兩種熱泵系統(tǒng)的排氣溫度差異在于吸氣壓力的差異，復(fù)疊式熱泵的高溫級在不同環(huán)境溫度下壓縮比基本接近，而單級壓縮熱泵的壓縮比隨環(huán)境溫度的降低而增大。

圖9 不同出水溫度的排氣溫度變化

4 結(jié)論

1）復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)可大幅度拓寬制熱范圍，環(huán)境溫度-30 ℃仍可制取85 ℃熱水，COP達(dá)到1.19。

2）復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)環(huán)境溫度-20 ℃時制熱量不衰減，-30 ℃環(huán)境溫度制熱量僅衰減（5.2～10.5）%，可見低溫級采取變頻和低溫增焓系統(tǒng)在其中起到顯著作用。

3）復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)高溫級的排氣溫度、排氣壓力、吸氣壓力在不同環(huán)境溫度下基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，低溫工況排氣溫度較單級壓縮熱泵低20 ℃以上，在低環(huán)境溫度、高水溫運(yùn)行時更加可靠。

4）復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)和單級壓縮熱泵系統(tǒng)在COP表現(xiàn)不一，復(fù)疊式熱泵在低環(huán)溫下的COP表現(xiàn)更優(yōu)，而單級壓縮熱泵在高環(huán)溫的COP表現(xiàn)更優(yōu)，單級壓縮熱泵和復(fù)疊式熱泵在最優(yōu)能效切換點(diǎn)處于（10～20）℃環(huán)溫區(qū)間附近，從實際運(yùn)行節(jié)能性考慮，可為兩種熱泵系統(tǒng)切換提供控制依據(jù)。