不同環(huán)境溫度和水溫下復(fù)疊式空氣源熱泵熱水機(jī)組運(yùn)行特性研究

鄧志揚(yáng) 秦海燕 陳 連 秦海彬

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2.格力電器（鄭州）有限公司 鄭州 450000）

引言

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，利用系統(tǒng)的冷凝側(cè)放熱將低溫水加熱到高溫水。在供熱工況下，空氣源熱泵制熱性能隨水溫升高而降低、隨環(huán)溫降低而降低，因此當(dāng)環(huán)溫低、水溫高時(shí)會(huì)引起以下后果[1]：①壓縮機(jī)吸氣壓力低，制冷劑體積大、質(zhì)量小，冷媒循環(huán)量少，制熱量低，供熱不足。②壓比增大，等熵效率降低，排氣過熱嚴(yán)重，潤滑油粘度下降，延展性變強(qiáng)，油膜厚度變小，不利于潤滑和密封。當(dāng)壓縮比大于16 時(shí)，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效約為1，且排氣溫度接近潤滑油的碳化溫度，阻礙了熱泵在寒冷地區(qū)的推廣[2]。若要在低溫環(huán)境下制取80 ℃熱水，普通冷媒已無法滿足要求，而特殊工質(zhì)熱泵的初投資和維護(hù)成本又比較昂貴，因此可通過復(fù)疊式熱泵來解決這個(gè)問題[3]。目前，高溫復(fù)疊熱泵的產(chǎn)品化研究還很少，一般情況下，主要是對(duì)復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行理論研究。文獻(xiàn)[4]研究了不同環(huán)溫下高出水溫度的運(yùn)行特性。本文對(duì)不同環(huán)境溫度和不同出水溫度下特別是低環(huán)溫下復(fù)疊式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的產(chǎn)品化的經(jīng)濟(jì)性和可靠性研究。

1 復(fù)疊式系統(tǒng)的工作原理

圖1 所示為復(fù)疊式熱泵原理及測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖1 復(fù)疊式熱泵原理及測(cè)點(diǎn)布置圖

1.1 空氣源復(fù)疊式熱水機(jī)的工作原理

1）復(fù)疊運(yùn)行工作原理

低溫級(jí)：低溫級(jí)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收空氣的熱量，工質(zhì)蒸發(fā)換熱后進(jìn)入低溫級(jí)壓縮機(jī)，壓縮后形成高溫高壓氣體，從四通閥1 的D 管流向C 管，再流向四通閥2的C 管，進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器（板式換熱器），把熱量傳遞給高溫級(jí)工質(zhì)后，轉(zhuǎn)化成高壓過冷液態(tài)工質(zhì)，由電子膨脹閥節(jié)流降壓后回到蒸發(fā)器中，如此完成循環(huán)。

高溫級(jí)：高溫級(jí)工質(zhì)在板式換熱器中吸收低溫級(jí)工質(zhì)傳遞的熱量，形成氣態(tài)工質(zhì)后，進(jìn)入高溫級(jí)壓縮機(jī)，壓縮后形成高溫高壓氣體，在套管換熱器內(nèi)將水加熱，轉(zhuǎn)化成高壓過冷液態(tài)工質(zhì)，由電子膨脹閥節(jié)流降壓后回到蒸發(fā)冷凝器中，如此完成循環(huán)。

2）低溫級(jí)單級(jí)運(yùn)行工作原理

控制四通閥2 的D 管與E 管接通，將低溫級(jí)壓縮機(jī)出來的高溫高壓冷媒傳輸?shù)降蜏丶?jí)套管換熱器，把熱量傳遞給水介質(zhì)，冷凝后的液態(tài)冷媒經(jīng)過電子膨脹閥1 節(jié)流降壓后，進(jìn)入到蒸發(fā)器吸收熱量，再回到低溫級(jí)壓縮機(jī)，如此完成循環(huán)。

該復(fù)疊式熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要是高低溫級(jí)的選型設(shè)計(jì)、蒸發(fā)冷凝器選型設(shè)計(jì)、高低溫級(jí)冷媒工質(zhì)的確定、單級(jí)制熱與復(fù)疊制熱及其冬季除霜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 復(fù)疊式熱泵熱水系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

如圖1 所示，復(fù)疊式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的主要部件包括：一級(jí)壓縮機(jī)（低溫級(jí)）、二級(jí)壓縮機(jī)（高溫級(jí)）、套管式換熱器（R410A）、套管換熱器（R134A）、翅片蒸發(fā)器、蒸發(fā)冷凝器（板式）、風(fēng)機(jī)、電磁閥、汽液分離器、電子膨脹閥、四通閥、儲(chǔ)液罐等。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵部件的選型

1）壓縮機(jī)的選型

通常情況下壓縮機(jī)的選型是根據(jù)機(jī)組的設(shè)計(jì)工況和目標(biāo)制熱量，由蒸發(fā)溫度、冷凝溫度初版計(jì)算出壓縮機(jī)排量，然后通過排量選擇壓縮機(jī)的大小，再通過廠家提供的壓縮機(jī)規(guī)格書進(jìn)行校核，本次設(shè)計(jì)目標(biāo)制熱量為20 kW。

低溫級(jí)壓縮機(jī)使用R410A 冷媒，設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度7 ℃，冷凝溫度35 ℃，查壓縮機(jī)的性能曲線，可以找到：凌達(dá)轉(zhuǎn)子式5HP 變頻壓縮機(jī)在蒸發(fā)溫度7 ℃，冷凝溫度35 ℃的性能參數(shù)為：

制冷量：16.5 kW；輸入功率：2.8 kW。由此可以得到低溫級(jí)制熱量為19.3 kW。

高溫級(jí)壓縮機(jī)使用R134A 冷媒，設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度30 ℃，冷凝溫度90 ℃。查壓縮機(jī)的性能曲線，可以找到：谷輪5HP 壓縮機(jī)，在蒸發(fā)溫度30 ℃，冷凝溫度90 ℃的性能參數(shù)為：制熱量24 kW。高溫級(jí)的壓縮機(jī)制熱量稍大于目標(biāo)制熱量，考慮到壓縮機(jī)的效率修正，制熱量也在偏差范圍內(nèi)。

2）蒸發(fā)器的選型

如表1、表2 所示，對(duì)比機(jī)型5HP/T 在名義工況下的能力為19 kW，根據(jù)蒸發(fā)器換熱面積等效換算得到，名義工況下的制熱量能到27 kW，因此蒸發(fā)器的換熱面積是滿足要求的。

表2 蒸發(fā)器能力換算對(duì)比

3）蒸發(fā)冷凝器的選型

蒸發(fā)冷凝器采用板式換熱器，選用阿法拉伐廠家提供20 kw 換熱量的換熱器。

4）套管換熱器的選型

名義工況下的制熱量為20 kW。

5）電子膨脹閥的選型

電子膨脹閥選用三花3.2 mm 口徑閥體，適用于R410A 和R134A 冷媒。

6）其他系統(tǒng)部件的選型

考慮到低溫級(jí)系統(tǒng)在低溫工況下要進(jìn)行化霜，因此需要增加儲(chǔ)液罐：低溫級(jí)的冷媒量按照計(jì)算為4.0 kg，選用有效容積為2.87 L 的儲(chǔ)液罐，大于冷媒量的60 %，滿足要求；低溫級(jí)汽液分離器選用有效容積為2.66 L 的汽液分離器，大于冷媒量的60 %，滿足要求。高溫級(jí)汽液分離器選用有效容積為2 L，滿足要求。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

參考國標(biāo)GB/T 25127.2-2020《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組》對(duì)實(shí)驗(yàn)工況的要求，根據(jù)樣機(jī)的設(shè)計(jì)范圍要求，確定實(shí)驗(yàn)測(cè)試的室外工況為（-25～20）℃，使用側(cè)出水溫度分別為55 ℃、70 ℃、80 ℃、85 ℃。測(cè)試內(nèi)容主要包括：名義工況下的能力、能效；不同室外環(huán)溫下的性能測(cè)試、不同出水溫度下的性能測(cè)試、以及不同環(huán)溫下單/雙級(jí)切換運(yùn)行的性能測(cè)試。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)在符合國家標(biāo)準(zhǔn)的焓差室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，室外側(cè)焓差室模擬室外環(huán)境，以確保機(jī)組在目標(biāo)測(cè)試工況下運(yùn)行。利用實(shí)驗(yàn)室工況機(jī)來保證室外側(cè)的的溫濕度要求，通過實(shí)驗(yàn)室的恒溫水系統(tǒng)為樣機(jī)提供定流量的恒溫水。

按照標(biāo)準(zhǔn)要求在被測(cè)機(jī)的進(jìn)出風(fēng)口布置空氣溫濕度采樣點(diǎn)。在被測(cè)機(jī)上溫度、壓力測(cè)點(diǎn)布置圖見圖1、表3。

表3 復(fù)疊系統(tǒng)參數(shù)采集點(diǎn)的布置情況

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 額定工況下機(jī)組的性能

設(shè)定機(jī)組的額定工況為室外干/ 濕球溫度為-12 ℃ /-13.5 ℃，機(jī)組的進(jìn)出水溫度為40/80 ℃，制取80 ℃熱水，制冷劑R134A/R410A 充注量為2 kg /4 kg。通過電子膨脹閥控制低溫級(jí)循環(huán)和高溫級(jí)循環(huán)的吸氣過熱度均為1 ℃。表4 為額定工況下機(jī)組的性能參數(shù)，由表4 可知，機(jī)組在-12 ℃工況下的實(shí)測(cè)制熱量為18.243 kW，COP 為1.715 W/W，達(dá)到了樣機(jī)設(shè)計(jì)要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，機(jī)組達(dá)到制熱量的同時(shí)具有相對(duì)較高的能效系數(shù)，可以穩(wěn)定地運(yùn)行，系統(tǒng)方案是可行的。

表4 額定工況下機(jī)組的性能參數(shù)

4.2 不同環(huán)溫下機(jī)組運(yùn)行特性分析

1）不同環(huán)溫下排氣溫度、排氣壓力的變化趨勢(shì)

由圖2、3 可以看出，同一水溫下：低溫級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度在環(huán)溫-12 ℃以前，有隨室外環(huán)境溫度升高而升高趨勢(shì)，但在環(huán)溫升高到-12 ℃后趨于平穩(wěn)，最高排氣溫度為50 ℃左右；低溫級(jí)壓縮機(jī)的排氣壓力隨環(huán)境溫度升高而升高，最高排氣壓力為2.8 MPa。這是因?yàn)殡S著環(huán)溫的升高，蒸發(fā)壓力升高，低溫級(jí)壓縮機(jī)排量增加，而蒸發(fā)冷凝側(cè)的換熱條件基本不變，因此排氣壓力是逐漸升高的；高溫級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度隨室外環(huán)境溫度變化而總體變化不大，最高排氣溫度保持在123 ℃左右，未超過壓縮機(jī)的極限排氣溫度130 ℃；高溫級(jí)壓縮機(jī)的排氣壓力隨室外環(huán)境溫度的升高基本保持不變，排氣壓力最高為3.7 MPa。由以上分析可得，在-25 ℃極限工況下制取85 ℃熱水時(shí)，機(jī)組的排氣溫度在也未超過壓縮機(jī)的極限值，運(yùn)行是可靠的。

圖2 機(jī)組高/低溫級(jí)排氣溫度隨環(huán)溫的變化

圖3 機(jī)組高/低溫級(jí)排氣壓力隨環(huán)溫的變化

4.3 不同出水溫度下機(jī)組運(yùn)行特性分析

1）制熱量、功率、COP 的變化趨勢(shì)

圖4～6 所示為系統(tǒng)在不同出水溫度下的制熱量、耗功率及COP 的對(duì)比。從圖4～6 可以看出，在相同的室外環(huán)境溫度下：隨著出水溫度的增高，系統(tǒng)的制熱量是呈緩慢上升趨勢(shì)的。這是因?yàn)椋弘S著水溫的升高，高溫級(jí)循環(huán)的排氣壓力增加，即冷凝溫度增加，冷凝換熱溫差會(huì)有所增加。此外由于冷凝溫度增加，壓縮機(jī)耗功也增加，增加的耗功最終也會(huì)釋放到水中變成制熱量，兩者的綜合作用最終體現(xiàn)為制熱量的增加。

圖4 機(jī)組制熱量隨出水溫度的變化

圖5 機(jī)組COP 隨出水溫度的變化

圖6 機(jī)組功率隨出水溫度的變化

隨著出水溫度上升，壓縮機(jī)耗功率增大，COP下降。出水溫度越高，高溫級(jí)壓縮機(jī)的壓縮比越高，壓縮機(jī)耗功率越大，雖然機(jī)組的制熱量有上升，但功率的上升是占主導(dǎo)的，導(dǎo)致系統(tǒng)的COP 降低。

4.4 同一水溫不同環(huán)溫下單/雙級(jí)的運(yùn)行特性分析

圖7、8 分別給出了55 ℃出水溫度單/雙級(jí)系統(tǒng)分別在不同環(huán)溫下運(yùn)行制熱量和COP 的變化趨勢(shì)。由圖7 可以看出，隨著環(huán)溫的上升，單級(jí)運(yùn)行和雙級(jí)運(yùn)行的制熱量都是上升的，雙級(jí)運(yùn)行的制熱量高于單級(jí)運(yùn)行的制熱量，但是隨著環(huán)溫的升高，單級(jí)運(yùn)行和雙級(jí)運(yùn)行的制熱量之間的差距是逐漸縮小的；由圖8 可以看出，隨著環(huán)溫的上升，單級(jí)運(yùn)行和雙級(jí)運(yùn)行的COP 都是上升的，在低溫工況下，雙級(jí)運(yùn)行的COP 要明顯高于單級(jí)運(yùn)行的COP，但是隨著環(huán)溫的升高，單級(jí)運(yùn)行和雙級(jí)運(yùn)行的COP的值是越來越接近的，在環(huán)溫達(dá)到20 ℃時(shí)，單級(jí)運(yùn)行的COP 與雙級(jí)運(yùn)行的COP 基本相等，甚至單級(jí)運(yùn)行的COP 值要稍微高于雙級(jí)運(yùn)行的COP。因此，從能效的角度分析，同一水溫下，單/雙級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行存在最佳環(huán)溫切換點(diǎn)為20 ℃，即：在環(huán)溫20 ℃以下雙級(jí)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)節(jié)能性要高于單級(jí)運(yùn)行，且環(huán)溫越低，雙級(jí)運(yùn)行的節(jié)能性越高；當(dāng)環(huán)溫超過20 ℃，單級(jí)運(yùn)行的要比雙級(jí)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

綜上所述：

1）機(jī)組在額定工況：室外干/ 濕球溫度為-12 ℃ /-13.5 ℃，機(jī)組的進(jìn)出水溫度為40/80 ℃，實(shí)測(cè)制熱量為18.243 kW，COP 為1.715 W/W，達(dá)到了樣機(jī)設(shè)計(jì)要求。在室外環(huán)境溫度-20 ℃制取80 ℃熱水，系統(tǒng)COP也達(dá)到1.32。性能測(cè)試過程中機(jī)組可以穩(wěn)定地運(yùn)行，各項(xiàng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)均在合理范圍內(nèi)，說明系統(tǒng)方案是可行的。

2）同一水溫下機(jī)組的制熱量隨著室外環(huán)境溫度的升高而增大，不同水溫下，水溫越高機(jī)組的制熱量越大。主要原因是：隨著室外環(huán)溫的升高，低溫級(jí)的蒸發(fā)溫度升高，吸氣比容增加，壓縮機(jī)的排量增加，導(dǎo)致冷媒循環(huán)量增加，低溫級(jí)循環(huán)的制熱量增加，相應(yīng)的高溫級(jí)制熱量也會(huì)增加。隨著水溫的升高，高溫級(jí)循環(huán)的排氣壓力增加，即冷凝溫度增加，冷凝換熱溫差增加。此外由于冷凝溫度增加，壓縮機(jī)耗功也增加，增加的耗功最終也會(huì)變成散熱釋放到水中轉(zhuǎn)變成制熱量，兩者的綜合作用最終體現(xiàn)為機(jī)組制熱量的增加；機(jī)組的COP 隨著室外環(huán)溫的升高而增大，隨著出水溫度的升高而減小；機(jī)組的功率隨著室外環(huán)境溫度的升高而減小，隨著出水溫度的升高而增加。

3）同一水溫下，隨著環(huán)溫的上升，單級(jí)運(yùn)行和雙級(jí)運(yùn)行的制熱量和COP 都是上升的。雙級(jí)運(yùn)行的制熱量高于單級(jí)運(yùn)行的制熱量，但是隨著環(huán)溫的升高，單級(jí)運(yùn)行和雙級(jí)運(yùn)行的制熱量之間的差距是逐漸縮小的；隨著環(huán)溫的升高，單級(jí)運(yùn)行和雙級(jí)運(yùn)行的COP 的值是越來越接近的，在環(huán)溫達(dá)到20 ℃時(shí)，單級(jí)運(yùn)行的COP 與雙級(jí)運(yùn)行的COP 基本相等，甚至單級(jí)運(yùn)行的COP 值要稍微高于雙級(jí)運(yùn)行的COP。因此，對(duì)于復(fù)疊熱泵系統(tǒng)，單/雙級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行最佳環(huán)溫切換點(diǎn)為20 ℃，即：在環(huán)溫20 ℃以下雙級(jí)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)節(jié)能性要高于單級(jí)運(yùn)行，且環(huán)溫越低，雙級(jí)運(yùn)行的節(jié)能性越高；當(dāng)環(huán)溫超過20 ℃，單級(jí)運(yùn)行的要比雙級(jí)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

5 結(jié)論

1）機(jī)組在額定工況：室外干/ 濕球溫度為-12 ℃ /-13.5 ℃，機(jī)組的進(jìn)出水溫度為40/80 ℃，實(shí)測(cè)制熱量為18.243 kW，COP 為1.715 W/W。在室外環(huán)境溫度-20 ℃制取80 ℃熱水，系統(tǒng)COP 也達(dá)到1.32 高于電熱水器。說明機(jī)組在即使在低環(huán)溫下制取高溫?zé)崴簿哂休^好的節(jié)能性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，機(jī)組在測(cè)試過程中運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，各項(xiàng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)均在合理范圍內(nèi)，說明系統(tǒng)方案是可行的。

2）機(jī)組的制熱量隨著室外環(huán)境溫度的升高而增大，隨著水溫的升高緩慢增加；機(jī)組的COP 隨著室外環(huán)溫的升高而增大，隨著出水溫度的升高而減小。

3）對(duì)于復(fù)疊式熱泵機(jī)組，存在單/雙級(jí)切換運(yùn)行的最佳環(huán)溫點(diǎn)，在最佳環(huán)溫點(diǎn)以下，雙級(jí)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)節(jié)能，在最佳環(huán)溫點(diǎn)以上，單級(jí)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

綜上所述，復(fù)疊式空氣源熱泵高溫?zé)崴到y(tǒng)即使在極端低溫環(huán)溫下也能可靠性、高效的制取高溫?zé)崴ㄟ^合理的系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)，在常溫工況運(yùn)行單級(jí)制熱，低環(huán)溫高水溫工況運(yùn)行復(fù)疊，還能進(jìn)一步提高節(jié)能效果，可以在廣大的嚴(yán)寒地區(qū)推廣應(yīng)用。