壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對空氣源熱泵機(jī)組制冷性能影響的試驗(yàn)研究

余壯 張瑤鑫 趙曉丹 王素英 趙楠楠

摘 要：【目的】研究壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對空氣源熱泵系統(tǒng)制冷性能的影響?！痉椒ā看罱ㄒ訰410A為制冷工質(zhì)的空氣源熱泵機(jī)組系統(tǒng)試驗(yàn)臺，在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)?！窘Y(jié)果】在標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從2 500 r/min增加到5 500 r/min時(shí)，系統(tǒng)的制冷量增長了122.65%，壓縮機(jī)功率增長了65.08%，系統(tǒng)的COP和EER分別增長了34.87%、46.99%，系統(tǒng)的排氣溫度及排氣壓力均上升，壓比由3.04上升到4.26，而吸氣壓力呈下降趨勢?！窘Y(jié)論】壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500～4 500 r/min時(shí)，系統(tǒng)的匹配性較好；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在4 500 r/min后，系統(tǒng)的匹配性較差。研究成果為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化變頻壓縮機(jī)對空調(diào)或熱泵系統(tǒng)的性能提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；空氣源熱泵；制冷性能

中圖分類號：TB61????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號：1003-5168（2024）08-0050-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.010

Experimental Research on the Effect of Compressor Rotation Speed on the Refrigeration Performance of Air Source Heat Pump Unit

YU Zhuang ZHANG Yaoxin ZHAO Xiaodan WANG Suying ZHAO Nannan

（School of Civil Engineering and Architecture， Zhengzhou University of Economics and Trade， Zhengzhou 451191， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims study the effect of compressor speed on the cooling performance of air source heat pump system. [Methods] An air source heat pump unit system test bench with R410A as the refrigeration medium was constructed， and experiments were carried out in the standard enthalpy difference laboratory. [Findings] Under the standard refrigeration working condition， when the compressor speed was increased from 2 500 r/min to 5 500 r/min， the refrigeration capacity of the system increased by 122.65%， the compressor power increased by 65.08%， and the COP and EER of the system increased by 34.87% and 46.99%， respectively; the exhaust temperature and exhaust pressure of the system increased， and the pressure ratio increased from 3.04 to 4.26， while the suction pressure shows a decreasing trend. [Conclusions] When the compressor speed is 2 500～4 500 r/min， the system is well matched; after the compressor speed is 4 500 r/min， the system is poorly matched; this paper provides experimental data for the subsequent further optimization of inverter compressor on the performance of air conditioning or heat pump system for reference.

Keywords： compressor speed; air source heat pump; refrigeration performance

0 引言

我國北方地區(qū)“煤改電”政策和相關(guān)措施相繼實(shí)施，并獲得了一定的成效，為熱泵技術(shù)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇［1］。空氣源熱泵具有節(jié)能、環(huán)保、能效高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于人們的生活和工作環(huán)境中［2］。而壓縮機(jī)作為空調(diào)系統(tǒng)的四大件之一，是影響空調(diào)性能的核心部件［3］。

許多學(xué)者針對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速或者頻率對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了研究。秋雨豪等［4］研究了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對冷藏車制冷機(jī)組性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境溫度為50 ℃時(shí)，在冷藏和冷凍模式下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從800 r/min升至1 600 r/min的過程中，壓縮機(jī)排氣溫度、排氣壓力分別升高至110.9～130 ℃、26.8～29.5 bar。許文明等［5］為了提高房間空調(diào)器運(yùn)行時(shí)室內(nèi)熱舒適性，提出一種基于壓縮機(jī)頻率及室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的溫濕雙控方法，結(jié)果表明，該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)至設(shè)定溫度，相對濕度維持在40%～60%范圍，滿足用戶熱舒適要求。武衛(wèi)東等［6］通過研究壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對新能源汽車熱泵空調(diào)制冷性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，冷凝壓力隨之增加，蒸發(fā)壓力反而降低。楊忠誠等［7］研究了電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度、排氣壓力和系統(tǒng)制熱量均增加，而COP重要參數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。楊永安等［8］研究了變轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)對雙級壓縮熱泵系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，隨著高溫壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，制熱量提升了129.7%，低溫壓縮機(jī)功率減少，43.4%；COP隨高溫壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加呈先增大后減小的趨勢，存在最大COP值以及相對應(yīng)的最佳高溫壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。崔嵩等［9］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓縮機(jī)為800～1 100 rpm轉(zhuǎn)速時(shí)，增大壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速能夠提高系統(tǒng)制冷量和制冷效率。綜上所述，相關(guān)學(xué)者對于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對空氣源熱泵系統(tǒng)研究還較少，故本研究搭建了以R410A為制冷工質(zhì)的空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組試驗(yàn)臺，研究變頻空調(diào)技術(shù)，通過改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對空氣源熱泵性能的影響，為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對空調(diào)或熱泵系統(tǒng)的性能提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 空氣源熱泵機(jī)組原理

機(jī)組理論循環(huán)壓焓如圖1所示，熱力循環(huán)計(jì)算公式如下。

①機(jī)組制冷量的計(jì)算見式（1）。

[Q1=m0h1-h6'#] （1）

式中：[m0]為制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量，kg/s；[h1]為蒸發(fā)器出口的焓，kJ/kg；[h6']為蒸發(fā)器進(jìn)口的焓，kJ/kg。

②壓縮機(jī)耗功的計(jì)算見式（2）。

[W=m0h2-h1#] （2）

式中：[h2]為冷凝器進(jìn)口的焓，kJ/kg。

③機(jī)組制冷性能系數(shù)的計(jì)算見式（3）。

[COP=Q1W=h1-h6'h2-h1#] （3）

④機(jī)組能效比EER的計(jì)算見式（4）。

[EER=Q1W+Wa#] （4）

式中：[Q1]為系統(tǒng)制冷量，kW；[Wa]為風(fēng)機(jī)功率，kW。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 測試工況及主要試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組性能試驗(yàn)方法》（GB/T 10870—2014）的相關(guān)要求，試驗(yàn)工況見表1。該試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的額定制冷量為28 kW，室內(nèi)外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速均為1 050 r/min，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為900～6 600 r/min，針對不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對機(jī)組進(jìn)行測試。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

該試驗(yàn)搭建了以R410A為制冷工質(zhì)的空氣源熱泵機(jī)組系統(tǒng)試驗(yàn)臺，主要試驗(yàn)設(shè)備見表2。

2.2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對機(jī)組的制冷量和壓縮機(jī)功率的影響

機(jī)組的制冷量和壓縮機(jī)功率隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)組的制冷量和壓縮機(jī)功率均增加。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由2 500 r/min增至5 500 r/min時(shí)，制冷量由11.17 kW增至24.87 kW，增加了13.70 kW，增長了122.65%；壓縮機(jī)功率由3.78 kW增至6.24 kW，增加了2.64 kW，增長了65.08%；壓縮機(jī)在4 500 r/min之后，壓縮機(jī)功率增幅較大。這是因?yàn)殡S著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，壓縮機(jī)做功增多，使得壓縮機(jī)功率增長；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加使系統(tǒng)的質(zhì)量流量增大，單位時(shí)間通過蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量增加，機(jī)組的制冷量呈明顯上升趨勢，且上升的幅度與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)。當(dāng)工質(zhì)循環(huán)量達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，影響了蒸發(fā)器進(jìn)出口焓差，呈現(xiàn)壓縮機(jī)功率增幅較大的狀態(tài)。

2.3 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)COP和EER的影響

機(jī)組的COP和EER隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢如圖4所示。由圖4可知，機(jī)組的COP和EER均隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大，且增大趨勢先快后慢。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由2 500 r/min增至5 500 r/min時(shí)，機(jī)組的COP和EER分別增加了1.03、1.09，分別增長了34.87%、46.99%。機(jī)組COP是制冷量與壓縮機(jī)功率的比值，由于制冷量增加量大于壓縮機(jī)功率增加量，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，COP呈現(xiàn)上升趨勢；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，風(fēng)機(jī)功率不變，EER是制冷量與壓縮機(jī)功率和風(fēng)機(jī)功率之和的比值，所以EER的值也增大，且COP和EER的變化趨勢基本一致；當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從4 500 r/min到5 500 r/min時(shí)，系統(tǒng)COP和EER增長較為平緩，這是由于系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)量達(dá)到飽和狀態(tài)之后，蒸發(fā)器換熱效率有所下降，變頻壓縮機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)不能達(dá)到最佳，故增加的耗電量不能較好地轉(zhuǎn)化為制冷量。

2.4 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)排氣溫度及排氣壓力的影響

系統(tǒng)排氣溫度及排氣壓力隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢如圖5所示。由圖5可知，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，排氣溫度和排氣壓力均升高。當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由2 500 r/min增至5 500 r/min時(shí)，排氣溫度由60.96 ℃上升到91.43 ℃，增加了30.47 ℃，增長了49.98%；排氣壓力24.94 bar增至29.57 bar，增加了4.65 bar，增長了18.64%。這是因?yàn)閴嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，增大了循環(huán)質(zhì)量流量，而壓縮機(jī)做功轉(zhuǎn)化為熱能的部分逐漸增大，導(dǎo)致排氣溫度以及排氣壓力均升高。

2.5 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)壓比和吸氣壓力的影響

機(jī)組壓比和吸氣壓力隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢如圖6所示。由圖6可知，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，吸氣壓力出現(xiàn)下降，壓比升高。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由2 500 r/min增至5 500 r/min時(shí)，壓比由3.04上升到4.26，增長了1.24，增長了40.79%；排氣壓力8.21 bar減至6.94 bar，減少了1.27 bar，下降了15.47%。當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，排氣壓力也隨之升高，而壓比是排氣壓力與吸氣壓力的比值，則使壓比增大。

3 結(jié)論

為研究不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對空氣源熱泵機(jī)組制冷性能的影響，本研究搭建了以R410A為制冷工質(zhì)的空氣源熱泵機(jī)組系統(tǒng)試驗(yàn)臺，在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)研究，使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速保持在2 500～5 500 r/min，得出以下結(jié)論。

①機(jī)組的制冷量、壓縮機(jī)功率分別增長了122.65%、65.08%，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加對系統(tǒng)的制冷量提升較為明顯，制冷量上升的幅度與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)；系統(tǒng)的COP和EER，分別增長了34.87%、46.99%。

②機(jī)組的排氣溫度及排氣壓力均增大，分別增大了49.98%、8.64%；壓比由3.04上升到4.26，而吸氣壓力減小，下降了15.47%。

③壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從2 500 r/min增至4 500 r/min的過程中，系統(tǒng)工質(zhì)的質(zhì)量流量增加，蒸發(fā)器有效換熱面積增加，能量轉(zhuǎn)化效率較高；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增至4 500 r/min后，蒸發(fā)器有效換熱面積達(dá)到最大，工質(zhì)質(zhì)量流量達(dá)到飽和狀態(tài)，變頻壓縮機(jī)與系統(tǒng)的匹配性降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)耗功轉(zhuǎn)化率降低。

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（欄目編輯：孫艷梅）

收稿日期：2024-02-03

基金項(xiàng)目：河南省科技廳“蓄能型空氣源熱泵機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)”（202102310556）；2023年鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目“基于‘雙碳背景下應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)《空調(diào)用制冷技術(shù)》課程教學(xué)改革研究”（jg2331）；2023年鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目“數(shù)字化在《供熱工程》教學(xué)模式與教學(xué)改革中的應(yīng)用”（jg2319）；2022年鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目“冷藏與冷凍用同步雙循環(huán)復(fù)合制冷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”（QK2203）；2022年鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目“新鄭華祥國貿(mào)大廈辦公樓氣流組織分析與優(yōu)化”（QK2215）。

作者簡介：余壯（1993—），男，碩士生，研究方向：制冷空調(diào)節(jié)能新技術(shù)。