運行頻率對復合熱源熱泵熱水器性能的影響

趙偉強

東南大學能源與環境學院

0 引言

直膨式太陽能熱泵熱水器將太陽能集熱器與熱泵蒸發器合二為一，結構簡單，集熱效率高，更具有小型化和實用化發展潛力[1]，因而深受國內外研究學者的關注，他們主要從集熱/蒸發器的結構優化[2-5]、環境參數對系統性能的影響[5-8]、制冷劑的選擇[9-12]等方面對其進行了大量的理論研究和實驗研究并取得了一定的研究成果。但常規直膨式太陽能熱泵熱水器受太陽輻射強度的影響較大，在太陽輻射不足時難以滿足生活熱水供應需求。為了解決這一問題，徐國英等[13-14]提出了一種新型太陽能-空氣復合熱源熱泵熱水器，并對系統的運行模式與特性進行了模擬研究和實驗研究。這種新型熱水器，將直膨式太陽能熱泵與空氣源熱泵相結合，在太陽輻射不足時，可同時吸收空氣中的熱量，使得系統能穩定高效地運行。

隨著變頻技術的日益成熟，變頻器廣泛應用于空調領域，并越來越多地成為了太陽能熱泵系統的控制部件。由于系統通常在非設計工況下運行，尤其是當環境溫度和太陽輻射強度劇烈變化時，系統將嚴重偏離設計工況運行，系統性能將急劇下降。而變頻壓縮機的應用可以保持變環境工況下集熱/蒸發器與壓縮機之間的容量匹配[15]。孫振華等[16]也對直膨式太陽能熱泵全年運行的工作性能進行數值仿真計算，制定了系統全年運行的變頻策略，以保證系統維持較高的性能系數。

變頻技術的應用將大大提高熱泵系統的性能并使其適應各種環境工況，為了全面分析壓縮機運行頻率對系統性能的影響，本文搭建了采用變頻壓縮機的直膨式太陽能-空氣復合熱源熱泵熱水器（DX-SASHPWH）實驗裝置，通過實驗分析不同運行頻率下系統各性能參數的瞬時變化特性，以期對系統的變頻控制提供理論依據。

1 實驗系統介紹

1.1 實驗裝置與原理簡介

直膨式太陽能-空氣復合源熱泵熱水器實驗原理以及主要的溫度，壓力和功率測點布置如圖1所示。該實驗裝置主要包括集熱/蒸發器、壓縮機、儲水箱（內含沉浸式冷凝盤管）、儲液器、干燥過濾器、膨脹閥等，各部件具體參數見表1。

圖1 直膨式太陽能-空氣復合源熱泵熱水器實驗原理圖與測點布置圖

由圖1可見，該系統的實驗原理與普通熱泵類似，只是把蒸發器和太陽能集熱器合二為一，組成集熱/蒸發器。制冷劑R134a作為系統循環工質，直接在集熱/蒸發器中吸收太陽能和空氣中的熱量而蒸發，然后進入壓縮機變成高溫高壓蒸汽，接著在水箱的冷凝盤管中冷凝放熱加熱水箱中的水，再流經儲液器、干燥過濾器，經膨脹閥節流降壓后回到集熱/蒸發器，完成一個循環。

圖2為集熱/蒸發器結構，截面從上而下依次為：玻璃蓋板、空氣層、集熱板、螺旋翅片蒸發管，集熱板下方、蒸發管之間鋪設保溫材料，以防止集熱板吸收的太陽能熱量直接散發到背部空氣中，增大熱損失。由圖可知，蒸發管既可以吸收太陽能熱量，也可以吸收空氣中的熱量，實現太陽能熱泵與空氣能熱泵的復合。比起傳統的直膨式太陽能熱泵熱水器，該復合熱源熱泵熱水器增加空氣側取熱，并采用螺旋翅片管強化空氣側換熱，因而可以保證系統在太陽輻射強度不足的情況也能正常運行，滿足熱水負荷需求。

圖2 集熱/蒸發器結構圖

1.2 測試系統及評價指標

實驗過程中可直接測量的參數有：集熱/蒸發器進口溫度T1和壓力P1，壓縮機進、出口溫度T2、T3和壓力P2、P3，冷凝盤管出口溫度T4和壓力P4，水箱內熱水溫度Tw、集熱/蒸發器蓋板溫度Tg、環境溫度Ta、太陽輻射強度I等。溫度，壓力，壓縮機功率和太陽輻射強度采用Agilent數據采集儀進行掃描和采集。為研究系統的瞬時變化特性，將掃描循環間隔時間設定為1分鐘。以上所有參數的測試裝置名稱及規格見表2。

表2 實驗測試裝置及其規格

實驗裝置中各測點的布置情況如圖1所示。其中水箱內設置上、中、下三個溫度測點，取三個溫度平均值作為水箱內熱水溫度Tw，集熱/蒸發器蓋板設置四個溫度測點（Tg1～Tg4），同樣取四個溫度平均值作為集熱/蒸發器蓋板溫度Tg。分光譜輻射表安裝在集熱/蒸發器旁，傾斜角度與集熱板一致，以保證太陽輻射強度測量的準確性。

實驗過程中，系統制熱量、性能系數、集熱/蒸發器集熱效率并不能直接測量得到，可按以下公式計算：

系統制熱量Qw：

系統性能系數COP，定義為系統制熱量Qw和壓縮機耗功Ncom的比值：

集熱/蒸發器的集熱效率ηc，定義為集熱/蒸發器吸收的有效熱量Qe和集熱/蒸發器表面太陽總輻射量的比值：

式中：Cp,w為水的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；ρw為水的密度，kg/m3；Vw為水箱容積，m3；Tw1、Tw2為運行時間間隔內儲水箱中起、終水溫，℃；Ncom為壓縮機耗功，kW；Ap為集熱/蒸發器的集熱面積，m2；I為集熱/蒸發器表面太陽輻射強度，W/m2。

2 實驗結果與分析

太陽輻射強度、環境溫度對系統性能具有較大影響[5-8]，為了全面準確地分析壓縮機運行頻率對系統性能的影響，需排除太陽輻射強度和環境溫度對分析的干擾。為此，擇取3組太陽輻射強度和環境溫度都比較接近、壓縮機運行頻率不同的實驗數據，具體分析熱水溫度，蒸發壓力和冷凝壓力，壓縮機瞬時耗功，系統性能系數COP以及集熱/蒸發器的集熱效率ηc隨運行時間的變化關系。3組實驗的運行狀況如表3所示，其中太陽輻射強度和環境溫度隨運行時間的變化關系見圖3。從表3和圖3可以看出，三組實驗中太陽輻射強度和環境溫度都很接近，符合控制變量要求。

圖3 太陽輻射強度和環境溫度隨運行時間的變化

2.1 運行頻率對熱水加熱速率的影響

圖4表示不同運行頻率下，水箱中熱水溫度隨運行時間的變化。從圖中可以看出，就某一特定頻率，隨著運行時間的增加，加熱速率不斷降低（表現為熱水溫度曲線的斜率不斷降低）。這是因為，在加熱初期，水溫較低，冷凝盤管中的高溫制冷劑與水溫溫差較大，換熱效果好，加熱速率大。隨著運行時間的增加，水溫逐漸上升，換熱條件越來越惡劣，換熱效果變差，加熱速率減小。

圖4 熱水溫度隨運行時間的變化

由圖4還可以看出，隨著運行頻率的增加，熱水溫升曲線的斜率增大，即熱水加熱速率增大。將120 L的自來水從相近水溫加熱到55℃，當運行頻率分別為40 Hz、50 Hz、60 Hz時，所需要的時間分別為 185 min、167 min、140 min，下降幅度依次為 9.73%、16.17%。可見，提高壓縮機的運行頻率，可以提高熱水加熱速率，縮短熱水加熱時間，且頻率越大，熱水加熱速率的增幅越大。

2.2 運行頻率對蒸發壓力及冷凝壓力的影響

壓縮機的運行頻率對系統蒸發壓力和冷凝壓力的影響如圖5所示。由圖可以明顯看出，相同的運行頻率下，冷凝壓力都隨著運行時間的增加而不斷增大，這是由熱水溫度不斷上升引起的。但不同運行頻率下，冷凝壓力隨時間的增大速率是不一樣的，且冷凝壓力的增大速率隨運行頻率的增大而增大。此外，運行頻率對最大冷凝壓力也有重大影響。由圖可知，當壓縮機的運行頻率分別為40 Hz、50 Hz、60 Hz時，系統的最大冷凝壓力分別為 1.336 MPa、1.593 MPa、1.734 MPa，可見，如果運行頻率太大，將導致冷凝壓力過大，即壓縮機出口壓力太大，繼而導致壓縮機排氣溫度過大，影響壓縮機的運行性能和使用壽命。

圖5 蒸發壓力和冷凝壓力隨運行時間的變化

觀察圖5中蒸發壓力的變化可以看出，隨著壓縮機運行頻率的降低，蒸發壓力增大，即蒸發溫度增大。這是因為當壓縮機運行頻率降低時，流經集熱/蒸發器的制冷劑質量流量降低，與集熱板的換熱時間加長，換熱充分，因而蒸發溫度上升，即蒸發壓力上升[17]，這對系統性能的提高是有利的。

對比不同頻率下蒸發壓力和冷凝壓力的變化趨勢，還可以看出，隨著壓縮機運行頻率的增大，冷凝壓力增大，而蒸發壓力降低，因此，系統的壓比升高。此外，相比運行頻率為40 Hz和50 Hz的情況，當壓縮機運行頻率為60 Hz時，蒸發壓力和冷凝壓力變化曲線的波動性明顯增大，可見太大的運行頻率也會影響系統的穩定性。

2.3 運行頻率對壓縮機耗功的影響

圖6表示不同運行頻率下，壓縮機耗功隨運行時間的變化。由圖可以看出三條曲線的變化趨勢基本相同，壓縮機耗功在加熱過程中逐時增加，例如，當運行頻率為40 Hz時，加熱過程中壓縮機耗功從0.2145 kW增加到0.5614 kW，這主要是因為運行過程中壓縮機的壓比增大，容積效率變小，導致耗功增加。當運行頻率為40 Hz、50 Hz時，壓縮機耗功與運行時間基本成線性關系。當運行頻率為60 Hz時，壓縮機耗功在40～50 min時出現折點，且之后存在波動，這應該與蒸發壓力和冷凝壓力的波動性有關。

對數據進行計算可知，當壓縮機運行頻率分別為40 Hz、50 Hz、60 Hz時，壓縮機的平均耗功分別為0.384 kW、0.547 kW、0.687 kW，整個加熱過程總的耗電量分別為 1.1824 kW·h、1.5220 kW·h、1.6025 kW·h，可見，壓縮機平均耗功以及加熱過程總耗電量與運行頻率成正比關系，但隨著壓縮機運行頻率的增大，它們的增幅變小。

圖6 壓縮機耗功隨運行時間的變化

2.4 運行頻率對系統COP的影響

圖7給出了3個不同運行頻率下，系統性能系數COP隨運行時間的變化情況，可以發現三條曲線的變化趨勢也基本相同，這也間接說明了該變化趨勢的規律性。對于某一特定頻率，系統COP隨著加熱時間的增加而逐漸下降，且加熱初期COP下降較快，約30 min后下降程度減緩。比如，當壓縮機運行頻率設置為40 Hz時，加熱初始時的COP達到最大值13.758，此后隨著熱水溫度的提高，冷凝溫度也提高，壓縮機耗功增加，導致系統COP不斷下降到最低值2.221。由圖7還可以注意到，相比運行頻率為40 Hz和50 Hz，運行頻率為60 Hz時的系統瞬時COP波動性更大，這與上文提到的蒸發壓力和冷凝壓力的波動性相對應。

圖7 系統COP隨運行時間的變化

隨著運行頻率的降低，系統制熱量和壓縮機耗功都降低，但壓縮機耗功降低的幅度大于制熱量降低的幅度，故系統COP在運行頻率降低時是增大的[15]。本實驗中，當壓縮機運行頻率分別為60 Hz、50 Hz、40 Hz時，系統平均 COP 分別為 3.097、3.414、4.512，當運行頻率從60 Hz降到50 Hz，系統平均COP增長9.29%。而當運行頻率從50 Hz降到40 Hz，系統平均COP增長24.34%，可見系統平均COP隨運行頻率的降低而增大，且低頻區的增幅顯著高于高頻區的增幅，即運行頻率對系統COP的影響程度在低頻范圍內表現得更加顯著。從圖8可以更直觀地看清楚這一點。

圖8 系統平均COP隨運行頻率的變化

2.5 運行頻率對系統熱效率的影響

理論上，隨著壓縮機運行頻率的增大，系統中制冷劑質量流量增大，制冷劑流體對集熱板的冷卻作用增強，使得集熱板溫度降低，進而導致從集熱板到環境的熱損失降低，集熱效率將會增大。但觀察圖9中不同運行頻率下的集熱效率變化曲線，可以發現3條變化曲線幾乎重合，集熱效率和運行頻率之間的關系與理論分析相差較大。這是因為本實驗中，太陽輻射強度較大（高于820 W/m2），集熱/蒸發器中制冷劑吸收的有用能遠遠大于熱損失，因而熱損失的少量降低對集熱效率的影響并不顯著。經計算，當壓縮機運行頻率分別為40 Hz、50 Hz、60 Hz時，集熱/蒸發器的平均集熱效率分別為0.614、0.620、0.681，可見集熱/蒸發器的集熱效率隨運行頻率的增大仍有所增大，只是這一規律在太陽輻射強度較大時表現得并不明顯。

圖9 集熱/蒸發器的集熱效率隨運行時間的變化

2.6 運行頻率變化對系統性能影響的敏感程度比較

由實驗結果分析可知，在運行頻率變化過程中，系統性能各個參數的變化量是不同的。將運行頻率為50 Hz時的數據分別與運行頻率為40 Hz和60 Hz時的數據作對比分析，具體比較如表4、表5如示。

由表4可見，當壓縮機的運行頻率從40 Hz增加到50 Hz時，壓縮機的平均耗功變化最為敏感，其次是系統的平均COP，平均蒸發壓力和最高冷凝壓力，系統的加熱時間也有所變化，但不是很敏感，集熱/蒸發器的集熱效率對運行頻率變化最為遲鈍。

而由表5可見，當壓縮機的運行頻率從50 Hz增加到60 Hz時，系統的平均蒸發壓力變化最為敏感，其次是壓縮機的平均耗功和加熱時間，系統的平均COP也有所變化，而集熱/蒸發器的集熱效率和系統的最高冷凝壓力對運行頻率變化比較遲鈍。

綜合表4和表5來看，當壓縮機的運行頻率發生變化時，系統平均蒸發壓力和壓縮機的平均耗功變化最為明顯，其次是加熱時間和系統平均COP，而集熱/蒸發器的集熱效率變化比較小。比較表3和表4中的數據，還可以發現，運行頻率對系統平均COP和壓縮機平均耗功的影響在低頻范圍內表現得更加顯著，而對系統加熱時間的影響則相反。

3 結論

本文搭建了直膨式太陽能-空氣復合熱源熱泵熱水器實驗裝置，并在相近的環境工況下，針對不同的壓縮機運行頻率，對該裝置進行了性能測試，分析了系統各性能參數的瞬態變化關系以及壓縮機運行頻率對系統性能參數的影響，得到如下結論。

1）隨著加熱的進行，壓縮機耗功不斷增加，系統COP不斷下降，這主要是由水溫上升，冷凝壓力逐漸增大引起的。因而，熱水終溫不宜設置太大，否則將引起耗功明顯增大以及性能下降，考慮到生活熱水的需要，建議將熱水終溫設置為50～55℃即可。

2）壓縮機的運行頻率對系統平均COP有較大影響。系統平均COP隨運行頻率的降低而增大，且運行頻率對系統COP的影響在低頻范圍內表現得更加顯著。當運行頻率從60 Hz降到50 Hz，系統平均COP增長9.29%。而當運行頻率從50 Hz降到40 Hz，系統平均COP增長24.34%。

3）集熱/蒸發器的集熱效率隨運行頻率的增大而增大，但這一規律在太陽輻射強度較大時表現得并不明顯。本實驗中，在太陽輻射強度達到820 W/m2以上的情況下，當壓縮機運行頻率分別為40 Hz、50 Hz、60 Hz時，集熱/蒸發器的平均集熱效率分別為0.614、0.620、0.681，相差不大。

4）壓縮機運行頻率的變化對系統各性能參數影響的敏感程度是不同的。在眾多性能參數中，系統平均蒸發壓力和壓縮機的平均耗功對運行頻率的變化最為敏感，其次是加熱時間和系統平均COP。

運行頻率對系統性能的影響程度可能會受到太陽輻射強度和環境溫度的影響，后續研究將進一步探究不同太陽輻射強度和環境溫度下，壓縮機運行頻率對系統性能的影響。