基于中間補(bǔ)氣壓縮機(jī)的地暖系統(tǒng)制熱性能實(shí)驗(yàn)研究

費(fèi)繼友王英邗張文強(qiáng)李花謝金路陳東東梁晟銘

（1大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 大連 116028；2青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司 青島 266071）

基于中間補(bǔ)氣壓縮機(jī)的地暖系統(tǒng)制熱性能實(shí)驗(yàn)研究

費(fèi)繼友1王英邗1張文強(qiáng)2李花1謝金路1陳東東1梁晟銘1

（1大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 大連 116028；2青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司 青島 266071）

本文將中間補(bǔ)氣渦旋式壓縮機(jī)應(yīng)用于地暖制熱系統(tǒng)，以解決地暖制熱系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱性能不佳、機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定等問題，并建立補(bǔ)氣地暖樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了在不同運(yùn)行工況下中間補(bǔ)氣地暖系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度、制熱量、功耗及制熱COP等參數(shù)，分析了中間補(bǔ)氣地暖系統(tǒng)制熱性能與常規(guī)熱泵制熱性能之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)環(huán)境溫度處于-20～7℃之間時(shí)，帶中間補(bǔ)氣系統(tǒng)的地暖機(jī)組的制熱量相比于普通熱泵平均提升約26.2%，制熱COP平均提升約為8.7%，功耗僅平均增加約16%；當(dāng)室外環(huán)境溫度為-20℃時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度降低了12℃。可見采用中間補(bǔ)氣技術(shù)的地暖系統(tǒng)在低能耗的條件下更能滿足低環(huán)境溫度的需求。

中間補(bǔ)氣；渦旋式壓縮機(jī)；地暖系統(tǒng)；制熱性能

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，民眾對生活舒適性的要求顯著提高，尤其寒冷冬季對室內(nèi)環(huán)境溫度的需求。地?zé)岵膳悄壳白罱咏梭w舒適健康的理想采暖方式，因此獨(dú)立的空氣源熱泵地暖系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生［1-2］，該系統(tǒng)與當(dāng)前分布式供熱技術(shù)發(fā)展趨勢相吻合，但這種取暖方式的不足是機(jī)組在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，由于蒸發(fā)溫度過低，導(dǎo)致壓縮機(jī)的壓縮比過大，造成排氣溫度過高，甚至超出壓縮機(jī)本身允許的工作溫度范圍，使壓縮機(jī)可靠性降低。同時(shí)，在低蒸發(fā)溫度下，由于制冷劑流量低，制熱量衰減明顯，影響制熱效率［3-5］。

目前主要采用中間補(bǔ)氣技術(shù)解決這類問題，即在壓縮機(jī)中間腔補(bǔ)充中壓氣體，增加排氣量，降低排氣溫度，能夠很好解決熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱能力不足、壓縮機(jī)排氣口溫度過高、運(yùn)行不穩(wěn)定等問題，是較為經(jīng)濟(jì)、有效的改善方案。研究大多將中間補(bǔ)氣技術(shù)應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)，地暖系統(tǒng)中應(yīng)用較少。費(fèi)繼友等［4］對采用吸氣噴液的空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，得到不同噴液量對機(jī)組性能參數(shù)的影響。張劍飛等［5］對渦旋式壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)進(jìn)行了研究，得出中間補(bǔ)氣技術(shù)能夠很好地解決熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱能力不足、壓縮機(jī)排氣口溫度過高、運(yùn)行不穩(wěn)定等問題的結(jié)論。秦妍等［6-11］對采用噴射器的經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)循環(huán)機(jī)制與特性進(jìn)行了研究。王文毅等［12］研究分析了低溫工況下中間補(bǔ)氣量對熱泵系統(tǒng)性能的影響。

為驗(yàn)證應(yīng)用中間補(bǔ)氣技術(shù)能提高地暖系統(tǒng)的制熱性能及穩(wěn)定性，本文從理論循環(huán)和實(shí)驗(yàn)方法兩方面進(jìn)行探究，并分析中間補(bǔ)氣地暖系統(tǒng)較常規(guī)熱泵系統(tǒng)在制熱性能方面的提升和優(yōu)勢，為工程實(shí)踐提供重要的技術(shù)支持。

1　帶中間補(bǔ)氣壓縮機(jī)的地暖系統(tǒng)

1.1中間補(bǔ)氣地暖系統(tǒng)原理

地暖制熱系統(tǒng)工作原理如圖1所示。制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，進(jìn)入冷凝器（殼管式換熱器）被冷凝。由冷凝器排出的液體制冷劑分為兩路，主路為制冷回路，輔路為補(bǔ)氣回路。主路的制冷劑直接進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器（板式換熱器）實(shí)現(xiàn)熱交換后進(jìn)一步被過冷，經(jīng)電子膨脹閥1節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器（翅片式換熱器）。輔路的制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥2被節(jié)流到中間某壓力進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器，在經(jīng)濟(jì)器中吸熱汽化通過渦旋式壓縮機(jī)中間腔的補(bǔ)氣孔進(jìn)入壓縮機(jī)。主路的制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，氣體制冷劑被壓縮機(jī)吸氣口吸入，至此完成一次制冷劑循環(huán)。

圖1　帶中間補(bǔ)氣壓縮機(jī)地暖制熱系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of under-floor heating system w ith vapor-injection compressor

本系統(tǒng)可保證在室外環(huán)境溫度為-20℃以上時(shí)都能以較高效率提供室內(nèi)所需的熱量。在渦旋式壓縮機(jī)壓縮腔的適當(dāng)部位開設(shè)一補(bǔ)氣口，通過設(shè)置經(jīng)濟(jì)器提高系統(tǒng)低溫下的制熱量和COP，明顯降低壓縮機(jī)的排氣溫度。

1.2理論分析與計(jì)算

圖2所示為中間補(bǔ)氣地暖制熱系統(tǒng)的壓-焓圖，其中1→3′→4→6′→1為普通熱泵系統(tǒng)制熱循環(huán)過程；1→2→2′→3→5→6→1為中間補(bǔ)氣地暖制熱系統(tǒng)中主路制冷劑循環(huán)過程；2′→3→4→5′→2′為中間補(bǔ)氣地暖制熱系統(tǒng)中補(bǔ)氣回路制冷劑循環(huán)過程。根據(jù)系統(tǒng)壓-焓圖，對該系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行理論分析。

圖2　壓焓圖Fig.2 Pressure enthalpy diagram

1）制冷量的計(jì)算

由圖2可知，壓縮機(jī)吸氣側(cè)制冷劑流量不變［5，10］，均為ms，普通熱泵制冷量Q′冷為:

式中:ms為普通熱泵循環(huán)過程制冷劑質(zhì)量流量，kg；h1為普通熱泵壓縮機(jī)吸氣比焓，kJ/kg；h6′為普通熱泵蒸發(fā)器入口比焓，kJ/kg。

中間補(bǔ)氣系統(tǒng)制冷量Q冷為:

式中:ms為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)蒸發(fā)過程制冷劑質(zhì)量流量，kg；h1為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)壓縮機(jī)吸氣比焓，kJ/ kg；h6為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)蒸發(fā)器入口比焓，kJ/kg。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，采用中間補(bǔ)氣技術(shù)的循環(huán)在蒸發(fā)側(cè)焓差明顯增加，從而提高壓縮機(jī)的制冷能力。由式（1）及式（2）可知，中間補(bǔ)氣系統(tǒng)相比于普通熱泵系統(tǒng)制冷能力增加值ΔQ冷為:

2）壓縮機(jī)功耗的計(jì)算

由圖2可知，普通熱泵壓縮過程為1點(diǎn)至3′點(diǎn)，壓縮過程制冷劑流量一直為ms，所以普通熱泵壓縮機(jī)功耗W′為:

式中:h3′為普通熱泵壓縮機(jī)排氣比焓，kJ/kg。

由于3′點(diǎn)至2點(diǎn)和3點(diǎn)至2′點(diǎn)的等熵效率相同，即h3′-h2=h3-h2′，因此普通熱泵壓縮機(jī)功耗W′可等效為:

式中:h2′為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)壓縮機(jī)補(bǔ)氣比焓，kJ/ kg；h3為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣比焓，kJ/kg。

中間補(bǔ)氣系統(tǒng)壓縮機(jī)的壓縮過程可以近似的看成補(bǔ)氣前壓縮過程和補(bǔ)氣后壓縮過程［12］，補(bǔ)氣前壓縮由1點(diǎn)至2點(diǎn)，此階段制冷劑流量為ms，壓縮機(jī)功耗W1為:

式中:ms為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)補(bǔ)氣前壓縮過程制冷劑質(zhì)量流量，kg；h1為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)壓縮機(jī)吸氣比焓，kJ/kg；h2為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)補(bǔ)氣前比焓，kJ/kg。

補(bǔ)氣后壓縮為2′點(diǎn)至3點(diǎn)，此階段制冷劑流量為（ms+mi），壓縮機(jī)功耗W2為:

式中:mi為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)補(bǔ)氣口補(bǔ)入制冷劑質(zhì)量流量，kg。

中間補(bǔ)氣系統(tǒng)壓縮機(jī)總功耗為補(bǔ)氣前壓縮和補(bǔ)氣后壓縮功耗之和，計(jì)算公式為:

因此由式（5）及式（8）可知，中間補(bǔ)氣系統(tǒng)相對于普通熱泵系統(tǒng)功耗增加，增加值ΔW的計(jì)算公式為:

3）制熱量的計(jì)算

普通熱泵系統(tǒng)冷凝過程為3′點(diǎn)至4點(diǎn)，普通熱泵系統(tǒng)制熱量Q′熱為:

式中:Q′熱為普通熱泵系統(tǒng)制熱量，kJ；h4為冷凝器出口比焓，kJ/kg。

中間補(bǔ)氣系統(tǒng)冷凝過程為3點(diǎn)至4點(diǎn)，中間補(bǔ)氣系統(tǒng)制熱量Q熱為:

式中:Q熱為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)制熱量，kJ；h3為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣比焓，kJ/kg。

中間補(bǔ)氣系統(tǒng)冷凝過程中，制冷劑質(zhì)量流量增加，但其壓縮機(jī)排氣溫度低于普通熱泵系統(tǒng)，導(dǎo)致其在冷凝過程中焓差值小于普通熱泵系統(tǒng)，因此制熱量變化情況根據(jù)壓-焓圖很難得出。由文獻(xiàn)［5］可知，系統(tǒng)制熱量的增加為制冷量增加量與功耗增加量之和，因此其制熱量增加值計(jì)算公式為:

式中:ΔQ熱為制熱量增加值，kJ；h2′為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)壓縮機(jī)補(bǔ)氣比焓，kJ/kg；h3為中間補(bǔ)氣系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣比焓，kJ/kg。

2　機(jī)組性能參數(shù)測試

實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)依照GB/T17758—2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》［13］和GB/T18430.1—2007《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組》［14］設(shè)計(jì)建造，由室外機(jī)循環(huán)系統(tǒng)、室內(nèi)機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)和控制測量系統(tǒng)組成，室外機(jī)主要包括中間補(bǔ)氣壓縮機(jī)、換熱器、電子膨脹閥等裝置，室內(nèi)機(jī)主要由循環(huán)水泵、儲液罐、壓力罐等裝置組成。中間補(bǔ)氣地暖系統(tǒng)整機(jī)配置詳見表1。

表1　中間補(bǔ)氣地暖系統(tǒng)整機(jī)配置Tab.1 The configuration of the under-floor heating system w ith vapor-injection

表2　機(jī)組測試工況Tab.2 The testing condition of units

基于渦旋式壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)的地暖機(jī)組制熱性能實(shí)驗(yàn)測試工況如表2所示，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，室外側(cè)環(huán)境溫度由焓差實(shí)驗(yàn)室控制。

中間補(bǔ)氣地暖系統(tǒng)的冷凝器為安裝在室內(nèi)機(jī)（水模塊）中的殼管式換熱器，殼管式換熱器由圓柱形殼體和安裝在殼體內(nèi)的蛇形管束構(gòu)成。載冷劑冷卻水在管束內(nèi)流動(dòng)，流向?yàn)橄逻M(jìn)上出；高壓氣態(tài)制冷劑R410A在圓柱形殼體與管束之間自上向下流動(dòng)，與冷凝水進(jìn)行熱交換。該系統(tǒng)屬于分體式水冷空調(diào)機(jī)，機(jī)組的制熱量須根據(jù)測量進(jìn)出水模塊的水溫變化和水流量確定［13-15］。測點(diǎn)布置如圖3所示，室內(nèi)機(jī)進(jìn)水口、出水口分別布置溫度計(jì)測量進(jìn)、出口水溫；進(jìn)水口處布置流量計(jì)，測量室內(nèi)機(jī)內(nèi)的循環(huán)水流量。同時(shí)，在壓縮機(jī)排氣口布置NTC類型溫度傳感器，采集壓縮機(jī)排氣溫度。

圖3　制熱量測點(diǎn)布置示意圖Fig.3 M easuring points diagram of heating performance test

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在上述實(shí)驗(yàn)測試工況條件下，對以R410A為制冷劑的采用中間補(bǔ)氣渦旋式壓縮機(jī)的地暖系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測試機(jī)組的壓縮機(jī)排氣溫度、制熱量、功耗以及制熱COP等參數(shù)隨室外環(huán)境溫度變化情況，并將其與常規(guī)熱泵相應(yīng)性能進(jìn)行比較，得到如下測試結(jié)果。

3.1排氣溫度

圖4所示為壓縮機(jī)排氣溫度隨室外環(huán)境溫度變化曲線。當(dāng)環(huán)境溫度相對較高時(shí)，采用中間補(bǔ)氣技術(shù)系統(tǒng)較常規(guī)系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度的改善效果并不明顯，例如，在室外環(huán)境溫度為2℃時(shí)，補(bǔ)氣系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度比普通熱泵只降低了1.4℃；室外環(huán)境溫度為7℃時(shí)，補(bǔ)氣系統(tǒng)與普通熱泵的排氣溫度基本相當(dāng)。隨著室外環(huán)境溫度的降低，補(bǔ)氣系統(tǒng)壓縮機(jī)相對補(bǔ)氣量不斷增加，對排氣溫度的改善也越明顯，當(dāng)室外環(huán)境溫度為-20℃時(shí)，可降低排氣溫度約12℃。

圖4　壓縮機(jī)排氣溫度隨室外環(huán)境溫度變化曲線Fig.4 The variations of compressor discharge tem perature w ith am bient tem perature

3.2制熱量

圖5所示為制熱量隨環(huán)境溫度變化曲線。兩個(gè)系統(tǒng)的制熱量變化規(guī)律相似，隨著室外環(huán)境溫度的逐漸降低，制熱量都逐漸降低，但補(bǔ)氣系統(tǒng)的制熱量相對于常規(guī)熱泵系統(tǒng)而言整體有較大提升。由于壓縮機(jī)在補(bǔ)氣后的吸氣比容明顯減小，提高了壓縮機(jī)制冷劑理論循環(huán)流量，系統(tǒng)容積制熱量有了很大提高，提升了系統(tǒng)的制熱效率。隨著室外溫度的下降，補(bǔ)氣系統(tǒng)的制熱能力提升比例不斷增大，當(dāng)室外溫度為2℃時(shí)，補(bǔ)氣系統(tǒng)比普通熱泵制熱量提升約21%；在室外溫度降至-20℃時(shí)，補(bǔ)氣系統(tǒng)制熱能力相比于普通熱泵提升約為40%。當(dāng)環(huán)境溫度處于-20～7℃之間，中間補(bǔ)氣系統(tǒng)相比于普通熱泵系統(tǒng)制熱量平均提升26.2%。由此可以看出，補(bǔ)氣系統(tǒng)處于較低的室外環(huán)境溫度時(shí)會(huì)有更好的制熱能力提升效果。因此，帶有中間補(bǔ)氣壓縮機(jī)的熱泵系統(tǒng)更能適應(yīng)極低的室外環(huán)境溫度。

圖5　制熱量隨環(huán)境溫度變化曲線Fig.5 The variations of heating capacity w ith ambient temperature

3.3制熱功耗

對兩臺樣機(jī)進(jìn)行寬范圍的制熱性能測試發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)氣系統(tǒng)的制熱功耗隨室外環(huán)境溫度的降低基本保持不變，但其功耗比普通熱泵系統(tǒng)平均增加約16%，原因是補(bǔ)氣系統(tǒng)壓縮機(jī)壓縮的工質(zhì)質(zhì)量大于普通熱泵系統(tǒng)，補(bǔ)氣壓力升高增加了壓縮機(jī)的輸氣量，致使壓縮功耗增大。兩臺樣機(jī)的制熱功耗的變化規(guī)律如圖6所示，隨著室外環(huán)境溫度的降低，補(bǔ)氣系統(tǒng)與常規(guī)熱泵功耗差值逐漸增大。

圖6　制熱功耗隨環(huán)境溫度變化曲線Fig.6 The variations of thermal power consumption w ith ambient temperature

3.4制熱COP

圖7所示為制熱COP隨環(huán)境溫度變化曲線。由圖可知，兩臺樣機(jī)的制熱COP隨室外溫度的下降而近似線性下降；在不同蒸發(fā)溫度條件下，補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)要比常規(guī)熱泵系統(tǒng)的制熱COP高出0.2左右。對于常規(guī)熱泵，僅通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)使熱泵系統(tǒng)制熱COP提升0.2很難實(shí)現(xiàn)［5］，而采用中間補(bǔ)氣技術(shù)可輕松實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在我國標(biāo)準(zhǔn)GB19576—2004《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)能效限定值及能源效率等級》［16］以及GB12021.3—2010《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能源效率等級》［17］中均把0.2作為能效級別的劃分差值，因此中間補(bǔ)氣地暖系統(tǒng)相比于普通熱泵系統(tǒng)，制熱COP提高了一個(gè)能效級別。當(dāng)環(huán)境溫度處于-20 ～7℃之間，中間補(bǔ)氣系統(tǒng)相比于普通熱泵系統(tǒng)制熱COP平均提升8.7%。同時(shí)由圖可以得出，環(huán)境溫度越低，補(bǔ)氣系統(tǒng)比常規(guī)熱泵系統(tǒng)制熱COP提升越顯著。

4　結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)分析中間補(bǔ)氣地暖系統(tǒng)相比于常規(guī)熱泵系統(tǒng)在制熱性能及穩(wěn)定性方面優(yōu)勢，結(jié)論如下:

圖7　制熱COP隨環(huán)境溫度變化曲線Fig.7 The variations of COP w ith am bient tem perature

1）當(dāng)環(huán)境溫度處于-20～7℃之間，中間補(bǔ)氣系統(tǒng)相比于普通熱泵系統(tǒng)制熱量平均提升26.2%，制熱COP平均提升8.7%。

2）當(dāng)室外環(huán)境溫度為-20℃時(shí)，補(bǔ)氣系統(tǒng)相比于常規(guī)熱泵功耗盡管增加約21%，但其制熱量平均提升約40%，系統(tǒng)COP提升可達(dá)15%。

3）實(shí)驗(yàn)證明帶中間補(bǔ)氣壓縮機(jī)的地暖系統(tǒng)制熱性能明顯高于常規(guī)熱泵，具有良好的使用性能，更能滿足低環(huán)境溫度的需求。

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Li Hua，female，associate professor，School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，+86 411-84106776，E-mail: Cathyleecn@163.com.Research fields:heat pump cycle，the control and fault of air-conditioning unit，multiple unit detection technology.

Experimental Investigation on Heating Performance of Under-floor Heating
System based on Vapor-injection Com pressor

Fei Jiyou1Wang Yinghan1Zhang Wenqiang2Li Hua1Xie Jinlu1Chen Dongdong1Liang Shengming1

（1.School ofMechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian，116028，China；2.Qingdao Hisense Hitachi air-conditioning Systems Co.，Ltd.，Qingdao，266071，China）

The scroll compression with vapor injection is applied to under-floor heating system to solve the problems of poor heating performance and instability operation under the condition of low ambient temperature in this paper.The compressor discharge temperature，heating performance，power consumption and COP（Coefficientof Performance）are researched and compared with the heating system without vapor injection.The results show that under the ambient temperatures between-20℃ and 7℃，the under-floor heating system based on vapor-injection compressor has a higher heating capacity and COP compared with the normalheating pump，and the heating capacity is increased by 26.2%，and the COP is increased by 8.7%on average，and power consumption is only increased by 16%on average；and when the ambient temperature is-20℃，the discharge temperature is decreased 12℃.The experimental results demonstrate that the under-floor heating system based on vapor-injection compressor can better satisfy the demands of low ambient temperature with low energy consumption.

vapor injection；scroll compression；under-floor heating system；heating capacity

About the

TB61+1；TB652；TU831

A

0253-4339（2016）05-0057-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.057

國家自然科學(xué)基金（51376028）和國家科技支撐計(jì)劃（2015BAF20B02）資助項(xiàng)目。（The projectwas supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51376028）and National Key Technology R&D Program of China（No.2015BAF20B02）.）

2016年1月22日

簡介

李花，女，副教授，大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，（0411）84106776，E-mail:Cathyleecn@163.com。研究方向:熱泵循環(huán)，空調(diào)組控制與故障，動(dòng)車組檢測技術(shù)。