多功能熱泵空調與熱水負荷調節的理論分析與試驗研究

江樂新 鐘 杰

(中南大學 長沙 410012)

多功能熱泵[1,2]是一種集制冷、制熱及產衛生熱水于一體的熱泵系統，它能將空調中的冷凝熱量予以回收并用于生活熱水供應，不但可以提高空調的制冷效率，也可以制取大量的免費熱水，同 可以減少空調冷凝熱對周圍環境造成的熱污染，節約大量的一次能源。另外，在春秋季節，利用原本閑置的空調熱泵系統制取熱水，可提高設備的全年利用效率。多功能熱泵通常有5種工作模式[3,4]：單獨制熱水模式、制冷兼制熱水模式、單獨制冷模式、單獨制熱模式和制熱兼制熱水模式。在冬季工況下，由于空調和熱水的需求，機組大部分 間都工作在空調兼制熱水模式下，而空調負荷和熱水負荷都是連續變化的。這就引出了一個非常重要的問題，即如何調整空調換熱器和熱水換熱器的換熱量，以同 滿足不斷變化的空調負荷和熱水負荷。

目前，多功能熱泵屬于一種比較的新的技術，國內外學者對它的研究主要集中在系統結構及各個模式的運行特性[5,6]，對于空調負荷和熱水負荷調節的研究則非常的少。但是，許多學者對單空調下的負荷調節做了大量的研究，提出了很多先進的控制方法，這里將在此基礎之上對空調和熱水負荷調節方式進行研究。

1 負荷調節方式及理論分析

1.1 啟停切換控制方式

多功能熱泵空調與熱水負荷調節目前普遍采用的是啟停切換控制[7]，即采取空調優先(或熱水優先)的方式，當空調負荷滿足后停止空調，切換到空調水的狀態；當空調負荷不滿足 再切回到空調的狀態。

在此控制方式下，空調側的能量輸入是一系列不同間隔的矩形波形式，以滿足連續變化的空調負荷要求。其能量的輸入與負荷匹配效果比較差，容易造成空調房間的溫度波動。另外，空調與空調水狀態的頻繁切換影響系統運行的穩定性。

1.2 壓縮機變頻控制方式

壓縮機變頻控制是通過改變壓縮機的轉速來改變單位 間的排氣量[8,9]，從而改變熱泵的能量的輸出。目前，變頻技術的應用日益廣泛，但是這種方式只能調節壓縮機的能量輸出與空調和熱水總負荷之間的最佳匹配，無法實現熱水負荷和空調負荷之間的合理分配調節，因此無法實 滿足空調或熱水負荷。

1.3 變水流量的空調負荷和熱水負荷的調節

多功能熱泵空調兼制熱水模式的系統簡圖如圖1所示，熱水采用循環加熱方式，由于熱水換熱器連有蓄熱水箱，對熱量有一定的緩沖和補償作用，所以以滿足空調實 負荷作為控制目標。當空調負荷增加 ，在熱泵輸出總能量不變的情況下，通過調節，減少熱水側熱量分配，從而增加空調側的熱量輸入；當空調負荷減少 ，則通過增加熱水側換熱量的方法以適應空調負荷的變化。

圖1 多功能熱泵空調兼制熱水模式系統簡圖Fig.1 The system scheme of muti-function heat pump in warming and water heating

空調兼制熱水模式 熱泵產生的總換熱量Q總為熱水側換熱量Q熱水與空調側換熱量Q空調之和。

由對數平均溫差法可知：

式中：

K—總傳熱系數，W/(m2.K)；A—傳熱面積，m2；ΔT—對數平均溫度差，℃。

式中：T1—制冷劑工質進入熱水換熱器溫度，℃；T2—制冷劑工質出熱水換熱器溫度，℃；ti—熱水循環水進水溫度，℃；to—熱水循環水進水溫度，℃。

熱水側換熱量Q熱水也可以根據循環水的水流量mw、水的比熱容cp和進出水溫度來計算。

在式(4)中，當換熱量Q熱水和循環水進水溫度ti一定 ，減少循環水流量mw，循環水出水溫度to則增大，而在吸收潛熱 出水溫度to始終小于等于冷凝溫度，所以直接決定了換熱量的減少；另外，由式(2)、(3)也可推導出，當to增大 對數平均溫度差ΔT減小，熱水側換熱量Q熱水隨之減少；反之，增大循環水流量mw，循環水出水溫度to減小，對數平均溫度差ΔT則增大，熱水側換熱量Q熱水也隨之增加。由式(1)可知，當系統總空調量Q總不變 ，熱水側換熱量Q熱水減少 ，空調側換熱量Q空調則增加；熱水側換熱量Q熱水增加 ，空調側換熱量Q空調則減少。因此，可以通過調節熱水換熱器循環水流量的方法對熱水換熱器和空調換熱器之間的換熱量進行合理的分配，當空調側負荷增加 ，增加熱水側循環水流量；當空調側負荷減少 ，降低熱水側循環水流量。

2 試驗臺及測試方法

2.1 試驗裝置介紹

圖2 試驗系統測點布置圖Fig.2 Scheme of experimental test apparatus location

該試驗系統是單級壓縮式空氣-水熱泵系統。圖2為多功能熱泵空調兼制熱水模式下的測試系統圖。整個系統分為二個部分，其一為工質循環系統，它主要包括渦旋式壓縮機(額定功率5kW)、熱水換熱器、空調換熱器(均采用換熱面積5m2的板式換熱器)、翅片換熱器(換熱面積50m2)、風機(額定功率2kW)及熱力膨脹閥；其二為水系統，它包括與熱水換熱器相連的蓄熱水箱1、空調換熱器相連的水箱2及水泵和流量調節閥，增加的水箱2用于模擬空調換熱器穩定的進水溫度。系統檢測獲取溫度值采用的是銅-康銅熱電偶，精度為0.1℃；循環水流量采用的是轉子流量計，精度1.5級，測點的布置如圖2所示。

2.2 試驗流程

在標準空調工況下(環境干球溫度7℃，濕球溫度6℃)，保證熱水側換熱器和空調側換熱器進水一定的前提下，試驗不同的熱水換熱器循環水流量對熱水換熱量和空調換熱量的影響。試驗過程中采用一組對比試驗，具體試驗條件如表1所示。

表1 試驗工況Tab.1 Test condition

3 試驗結果及分析

圖3、4分別為試驗過程中記錄的熱水換熱器進水溫度為40℃和45℃ 熱水側換熱器和空調側換熱器循環水出水溫度隨熱水側換熱器循環水流量變化的曲線圖。

首先由圖3可以看出，熱水換熱器出水溫度、空調換熱器出水溫度都隨熱水換熱器循環水流量的增大而減少，冷凝溫度雖然隨熱水換熱器循環水流量的增大有減少的趨勢，但是變化相對比較小；熱水換熱器出水溫度在循環水流量由0.3m3/h變成0.8m3/h 溫度變化較大，因為熱水換熱器循環水流量為0.3m3/h左右 ，熱水換熱器側流量太小，溫升較大，熱水換熱器出水溫度高于冷凝溫度，所以熱水側僅吸收制冷劑工質顯熱部分，當流量增大為0.8m3/h ，溫升減少，出水溫度低于冷凝溫度，熱水側吸收制冷劑工質全部顯熱和部分潛熱。圖4表示的是熱水換熱器進水溫度為45℃ 熱水側換熱器和空調側換熱器循環水出水溫度隨熱水側換熱器循環水流量變化的曲線圖，對比圖3發現，熱水換熱器出水溫度、空調換熱器出水溫度都隨熱水換熱器循環水流量的變化相對比較平穩，因為進水溫度增加后傳熱溫差減少，影響了熱水換熱器出水溫度，再進行流量調節 ，出水溫度的變化也相對較小。

圖3 熱水換熱器進水溫度40℃時溫度曲線圖Fig.3 The temperature curve when water fl ow at temperature of 40℃

圖4 熱水換熱器進水溫度45℃時溫度曲線圖Fig.4 The temperature curve when water fl ow at temperature of 45℃

圖5 熱水換熱器進水溫度40℃時熱量曲線圖Fig.5 The heat exchange against water fl ow at temperature of 40℃

圖5、6為熱水側換熱器和空調側換熱器換熱量及總COP值隨熱水側換熱器循環水流量變化的曲線圖。隨著熱水換熱器循環水量的增加，空調換熱量逐漸減少，而熱水換熱量則逐漸增加，壓縮機輸入功率有減少的趨勢；另外，對比圖5和圖6發現，當熱水換熱器進水溫度為40℃ ，空調換熱量先是大于熱水的換熱量，隨著熱水換熱器循環水流量的增加，空調換熱量逐漸減少，熱水換熱量逐漸增加，當水流量為2m3/h 空調換熱量和熱水換熱量幾乎相等，而隨后空調換熱量接著減少，最后熱水換熱量大于空調換熱量。當熱水換熱器進水溫度為45℃ ，無論熱水換熱器循環水如何調節，空調換熱量始終大于熱水換熱量，因為水換熱器進水與冷凝溫度溫差小，大部分的冷凝熱被空調換熱器吸收。

圖7 系統總能效比Fig.7 The system COP against water fl ow

圖7為多功能熱泵空調兼制熱水模式下系統總能效比(即機組的總能源利用率，空調制熱和制熱水加熱總量與壓縮機功耗之比)隨熱水側換熱器循環水流量變化的曲線圖。可以看出系統總能效比隨熱水換熱器水流量的增加有增大的趨勢；另外，熱水換熱器進水溫度40℃ 的系統能效比始終高于進水溫度45℃ 的能效比。

4 結論

經過理論和試驗分析，對于熱水換熱器循環水變流量對空調換熱量和熱水換熱量的影響得出如下結論。

1)熱水換熱器循環水變流量調節技術可以有效地對空調側換熱量和熱水側換熱量進行調節，從而達到調節空調側換熱量與空調負荷相匹配的目的。

2)熱水換熱器進水溫度對熱水換熱器循環水變流量調節技術影響較大，熱水換熱器進水溫度越高，熱水換熱器循環水變流量調節對空調側換熱量和熱水側換熱量的分配影響越小。

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