空氣源熱泵供熱參數特性實驗研究

任昕瑜 王云峰,2 李國良,2 姚昊翊,2

空氣源熱泵供熱參數特性實驗研究

任昕瑜1王云峰1,2李國良1,2姚昊翊1,2

（1.云南師范大學太陽能研究所 昆明 650500；2.云南省高校太陽能供熱與制冷技術重點實驗室 昆明 650500）

為了提高空氣源熱泵的供熱性能，搭建了空氣源熱泵性能測試系統，進行了不同運行工況下的熱泵性能測試研究，研究分析了冷凍水流量、節流閥開度，壓縮機頻率對熱泵機組制冷量與制熱量的影響。結果表明：一開始制熱量、制冷量隨冷凍水流量的增加而增加，當冷凍水流量超過一定范圍時，此時壓縮機吸排氣壓小，導致了制冷劑流量下降，從而造成制熱量、制冷量的減少；隨著壓縮機頻率的增加，制熱量、制冷量也隨之增加，與壓縮機頻率成正比關系；電子膨脹閥開度越大時越容易使壓縮機發生吸氣帶液，吸氣帶液開始時制熱量、制冷量開始下降。同時吸氣帶液也影響了制冷劑的質量流量，吸氣帶液時制冷劑流量減小。

熱泵；電子膨脹閥；壓縮機頻率；制熱量；制冷量

0 引言

隨著能源需求的增加和科技快速發展的要求，節能降耗成為社會重點關注問題。空氣源熱泵以其高效節能、綠色環保等優勢受到社會廣泛關注。但是，由于傳統的空氣源熱泵在冬季對氣候的依賴性強，使空氣源熱泵的使用受到一定程度上的限制。如何優化空氣源熱泵，減輕冬季惡劣天氣對系統性能造成的影響，采用何種方式來綜合衡量其系統的性能等，成為眾多學者的研究熱點。

王周等[1]人搭建了R410a高溫熱泵試驗臺上，對各循環參數與頻率之間的關系進行了研究分析，結果表明熱泵系統的循環參數易受壓縮機輸入頻率的影響。劉湘云等人[2]研究了熱力膨脹閥開度對空調系統的影響，研究表明熱力膨脹閥的非線性特性使制冷劑質量流量在一定范圍內呈現波形變化。侯澤飛[3]以壓縮機頻率和電子膨脹閥開度作為研究對象，研究其對空調系統能力及性能的影響，結果顯示：變頻空調在一定頻率下運行時，隨著閥開度的增大制冷量會先增后降，且每個頻率下存在一個最優開度。Choi等[4]研究了毛細管和電子膨脹閥對熱泵系統的影響，研究表明電子膨脹閥能有效提高運行工況變化較大時的熱泵系統性能。虞中旸等人[5]搭建空氣源熱泵熱水系統試驗臺，對電子膨脹閥開度的影響進行了試驗研究，研究不同調節方式對系統性能的影響。得到了在相同的膨脹閥開度下，隨著系統的運行，系統制熱量和系統COP均呈現先上升后下降的趨勢的。吳學紅[6]研究了不同供水溫度對空氣源熱泵的制熱量、系統功耗、能效、排氣溫度、壓縮比等的影響，結果表明：在相同初始水溫下，隨著加熱的進行，壓縮機的制熱量先增加后降低，供水溫度為40℃時的制熱量最大。王紹佳[7]以供水溫度作為研究對象，研究其對低溫空氣源熱泵制熱性能的影響，供水溫度達到40℃時，如果將環境溫度從-12℃上升到6℃，則整個系統熱量將會增加8.2%。而系統功耗增幅為3.3%。整個系統的能效增幅為5.1%。王曉東[8]等人通過搭建的空氣源熱泵系統試驗臺，研究分析了冷凝器進口水溫和冷凝溫度對系統換熱量、制熱量、壓縮機狀態及系統COP的影響。研究表明：蒸發器進風溫度為9.3℃、冷凝器入口水溫為26~45℃時，系統COP最高可達3.4。

從以上研究進展中可以看出：國內外許多學者從電子膨脹閥、供熱水溫、壓縮機頻率等多個方面對空氣源熱泵的性能進行了不同角度的研究，并取得了一定進展與成果。結合以上研究，很少有人以冷凍水流量、節流閥開度、壓縮機頻率這三個方面作為研究的切入點來研究熱泵的制熱性能和制冷性能。本文以冷凍水流量、電子膨脹閥開度、壓縮機頻率作為研究重點，搭建了空氣源熱泵測試系統，研究測試冷凍水流量、電子膨脹閥開度、壓縮機頻率對空氣源熱泵的制熱量和制冷量的影響，找到理論與實驗相互符合的規律。

1 實驗測試系統及方法

1.1 實驗系統結構

本文搭建的試驗臺是單級蒸汽壓縮式空氣源熱泵實驗臺，如圖1所示。

圖1 系統原理圖

整個測試系統分為3部分：

（1）工質循環部分。中間紅色方框內是主要的熱泵/制冷循環設備，包括壓縮機、冷凝換熱系統、蒸發換熱系統、電磁式電子膨脹閥。

（2）輔助水系統部分。藍色方框內是為主機部分提供恒定冷源與恒定熱源的輔助機組設備，兩套恒溫水箱內分別設置有加熱/冷卻盤管，為主機部分提供溫度恒定的冷、熱源（即冷凝器的冷卻水或蒸發器的冷凍水）。左邊藍色邊框是為冷凝器提供恒定冷源的輔助設備，主要為系統提供冷卻水，主要設備為冷卻水箱、加熱/制冷機。右邊藍色邊框是為蒸發器提供恒定熱源的輔助設備，主要為系統提供冷凍水，主要設備有有冷凍水箱、加熱/制冷機。

（3）檢測控制儀器部分。檢測控制儀器儀表。主要為壓縮機變頻器、電子膨脹閥控制板和相關儀器儀表。另外，本實驗系統還有很多輔助設備，主要包括工質的銅管網、冷卻及加熱的水管網、真空泵及保溫材料等。其中各管網用于連接設備，與工況儀表完成工況轉換工作。系統部件具體參數如表1所示。

表1 系統部件參數

1.2 載冷劑工況系統

本實驗采用液體載冷劑法，制冷劑為R134a。載冷劑工況系統由蒸發側工況系統和冷凝側工況系統組成。蒸發器和冷凝器都選用板式換熱器。機組的蒸發器（冷凝器）水路有流量計指示水流量，進出口設置有溫度檢測點，可根據實驗需要設置水流量調節閥來提供穩定可調的水流量。在進行測試時，由控制水溫的附加裝置完成工況水溫的調節和穩定。

在整個熱泵循環中，水作為載冷劑，在蒸發側提供熱量，使制冷劑受熱蒸發，在冷凝側接收制冷劑放出的熱量，使整個制冷循環穩定。作為液體載冷劑法的重要組成部分，工況系統中的水需要被采集的參數有換熱器進出口的溫度差和冷凝器進出口的溫度差及其壓力，用于計算制冷量和制熱量。

電子膨脹閥為電磁式電子膨脹閥，可通過手動調節控制器改變EEV（電子膨脹閥）開度。水循環部分由輔助供熱/制冷機組控制實驗水溫。冷凍水循環和冷卻水循環均裝有一個浮子流量計，可以測得水側體積流量q，其測量精度±3%。

1.3 試驗方法及過程

本實驗在低溫熱泵性能實驗室中進行，以R134a工質的空氣源熱泵為實驗機組，根據GB/T 10870-2001《容積式和離心式冷水（熱泵）機組性能試驗方法》[9]的要求調節組合，進行對照實驗。實驗開始，首先檢查熱泵系統密閉性能，密閉性能完好后，再充入循環工質。其次確定恒溫水箱1、恒溫水箱2都加滿水后，打開熱泵系統的機組，接通電源。（1）首先開啟冷卻水泵。（2）開啟冷凍水泵。（3）水泵1和水泵2開啟正常后，開啟加熱機組1。（4）通過加熱器使恒溫水箱1水溫恒定在20℃，恒溫水箱2水溫恒定在30℃。（5）根據不同的參數變量調節系統，待系統運行穩定后，開始記錄改變參數后的實驗數據。（6）分析空氣源熱泵機組的蒸發溫度、冷凝溫度、制熱量、制冷量等的變化規律，分析總結出影響空氣源熱泵制熱量和制冷量的重要因素。

研究冷凍水變流量對系統的影響時，環境溫度保持在18.5℃。冷卻水進口流量控制在0.6m3/h，恒溫水箱1水溫恒定在20℃，恒溫水箱2水溫恒定在30℃，EEV開度恒定為5.6%。冷凍水流量分別設置為250m3/h、300m3/h、350m3/h、400m3/h、450m3/h。開始實驗，冷凍水流量第一次設定為250m3/h，系統穩定后記錄一組數據，而后依次改變流量參數，待系統運行至穩定后，記錄數據。分析熱泵機組的吸排氣溫度、壓縮比、制熱量、制冷量的變化規律。

壓縮機變頻實驗中，環境溫度保持在18.5℃。恒溫水箱1水溫恒定在20℃，恒溫水箱2水溫恒定在30℃，EEV開度恒定為5.6%，冷卻水進口流量控制在0.4m3/h，冷凍水進口流量控制在0.5m3/h。壓縮機頻率分別設置為30Hz、40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz。待系統運行穩定后記錄數據。

研究電子膨脹閥開度對系統的影響，恒溫水箱1水溫恒定在20℃，恒溫水箱2水溫恒定在30℃，冷卻水進口流量控制在0.4m3/h，冷凍水進口流量控制在0.5m3/h。EEV開度分別設置為4%、6%、8%、10%、12%、14%，在各EEV開度下系統運行至穩定后記錄數據。

2 熱泵系統制熱量、制冷量計算

實驗中可測得冷凝器的進口溫度1、冷凝器出口溫度2、蒸發器進口溫度1、蒸發器出口溫度2、冷卻水質量流量q等數據，則熱泵制熱量可由下式計算[9]：

式中：Q為熱泵制熱量，W；為平均溫度下水的比熱，J/(kg·℃)；q為冷卻水質量流量，kg/s；t1為冷凝器冷（熱）水進口溫度，℃；t2為冷凝器冷（熱）水出口溫度，℃；Q為環境空氣對干式蒸發器的冷水側修正項，W，可由式（2）獲得

式中：t為冷凝器進、出口溫度平均值，℃；t為環境溫度，℃；為換熱器外表面與環境空氣之間的傳熱系數，W/(m·K)；為換熱器外表面積，0.36m3。

熱泵制冷量可由下式計算[9]：

式中：Q為熱泵制冷量，W；為平均溫度下水的比熱，J/(kg·℃)；q為冷凍水質量流量，kg/s；t1為蒸發器冷（熱）水進口溫度，℃；t2為蒸發器冷（熱）水出口溫度，℃；為環境空氣對干式蒸發器的冷水側修正項，W。可由式（4）獲得

式中：t為蒸發器進、出口溫度平均值，℃；t為環境溫度，℃；為換熱器外表面與環境空氣之間的傳熱系數，W/(m·K)；為換熱器外表面積，0.36m3。

3 試驗結果與分析

3.1 冷凍水變流量對系統制熱/制冷性能的影響

圖2（a）和（b）分別為變流量下機組制熱量和制冷量隨冷凍水的變化曲線。

圖2（a） 冷凍水進水流量對制熱量的影響

Fig.2(a) The influence of chilled water inlet flow on heating capacity

圖2（b） 冷凍水進水流量對制冷量的影響

Fig.2(b) The influence of chilled water inlet flow on cooling capacity

由圖2（a）知，冷凍水流量在100m3/h至200m3/h之間時，制熱量隨著冷凍水進水量的增加而增大，且上升幅度趨勢較大，冷凍水流量在200m3/h時，制熱量存在一個最大值1056.72W。此時制熱量隨著系統運行，上升幅度明顯。隨著冷凍水進水量的繼續增加，流量在超過200m3/h之后，制熱量下降到一定數值后不再下降，維持在一定數值范圍內，分析其原因是蒸發器側高低壓力會隨著冷凍水流量的變化而變化，從而形成了新的平衡，改變了蒸發器的蒸發溫度，導致壓縮機的吸氣、排氣狀態變化，壓縮機的性能也會隨之變化。冷凍水流量增大到一定范圍時，使壓縮機當中的排氣溫度與壓縮比不斷增加，此時壓縮機容積效率便會降低，吸排氣壓比小[11]，這樣導致了繼續增加冷凍水流量時，制熱量減少。

由圖2（b）可知冷凍水流量在250m3/h時，制冷量存在一個最優值。這是因為隨著蒸發器側冷凍水流量越大，增強了制冷劑與冷凍水熱交換，制冷量增加。同時熱交換量的變大使壓縮機進氣溫度上升，壓縮機排氣溫度也隨之上升。

當冷凍水流量超過250m3/h后，制冷量呈現下降趨勢，其原因是由于水流量越大吸排氣壓比越小[11]，制冷劑流量越小，而板式換熱器面積不變，導致與制冷劑的熱交換過程不能充分進行，制冷量呈現下降趨勢。

3.2 不同壓縮機頻率對系統制熱/制冷性能的影響

圖3（a） 壓縮機頻率對制熱量的影響

Fig.3(a) The influence of compressor frequency on heating capacity

圖3（b） 壓縮機頻率對制冷量的影響

Fig.3(b) The influence of compressor frequency on cooling capacity

由圖3可知，制熱量和制冷量均隨著壓縮機頻率的增加而上升，呈現線性增長趨勢，制冷量的線性趨勢比制熱量的線性趨勢好。

分析其制熱量、制冷量增加原因，工質熱力學參數在換熱器換熱面積不變、進出口處基本無變化時，制熱量、制冷量與工質流量成正比，當壓縮機頻率增加，壓縮機壓縮比增大，流量也相應增加時，制熱量、制冷量也隨之增加，即符合了理論上制熱量、制冷量與壓縮機轉速成正比的結論，進而得出制熱量、制冷量與壓縮機頻率成正比關系。

3.3 不同EEV開度對系統制熱/制冷性能的影響

圖4為EEV開度變化情況下機組制熱量、制冷量變化的曲線

圖4（a） EEV不同開度對制熱量的影響

Fig.4(a) The influence of different opening degrees of EEV on heating capacity

圖4（b） EEV不同開度對制冷量的影響

Fig.4(b) The influence of different opening degrees of EEV on cooling capacity

如圖4（a）所示EEV開度在10%時，制熱量存在一個最大值860W。EEV開度在4%至6%之間上升幅度趨勢較大，這是由于隨著膨脹閥的開度變大，蒸發器進口溫度隨膨脹閥開度增大而上升，系統的蒸發壓力隨之迅速上升，受到蒸發壓力升高的影響，壓縮機的排氣壓力及排氣溫度同步升高，補氣量的增加造成了制熱量的增加。因為蒸發壓力升高到一定數值后，壓力由快速升高階段轉變為小幅度升高階段，壓縮機排氣壓力及排氣溫度緩慢上升，所以EEV開度在6%至10%之間制熱量上升幅度趨勢漸緩，此時壓縮機吸入的制冷劑逐漸由過熱蒸汽轉變為飽和干蒸氣[10]；在此基礎上再開大閥門，則會使壓縮機吸入制冷劑濕蒸氣，此時，冷凝器內兩相態換熱比增大，過熱態換熱比降低，冷凝器總傳熱系數增大，制熱量進一步上升，達到最優點。隨著閥開度的繼續增大，壓縮機將一直處于吸氣帶液狀態，冷凝器內兩相態進一步增多，制冷劑與水換熱減少，制熱量呈現下降趨勢[17]。當排氣溫度下降至冷凝溫度附近時，排氣過熱度已降至最低，排氣溫度出現拐點隨冷凝溫度同步上升，此后再保持吸氣帶液非但不能降低排氣溫度反而使制冷劑流量下降，制熱量進一步減小，導致系統制熱性能惡化[12]。

由圖4（b）知EEV開度在10%時，制冷量達到一個最優值301W。制冷量變化趨勢與制熱量變化趨勢基本相同。

分析其原因在于，隨著膨脹閥的開度變大，制冷劑質量流量的增加造成了制冷量的增加。當閥開度增加時，壓縮機吸入的制冷劑逐漸由過熱蒸汽轉變為飽和干蒸氣[10]，制冷量呈上升趨勢；在此基礎上再開大閥門，則會使壓縮機吸入制冷劑濕蒸氣，壓縮機開始吸氣帶液，導致制冷量出現下降拐點。這是由于蒸發壓力過高時，蒸發器中空氣與制冷劑的換熱溫差降低，壓縮機吸氣過熱度降低，壓縮機少量吸氣帶液[15,16]。吸氣帶液降低了排氣溫度，減小了冷凝器兩側焓差，增大了壓縮機膨脹比體積，降低了容積效率和等熵壓縮效率，降低排氣溫度，減小排氣過熱度，最終導致制冷劑流量降低[11-14]。質量流量降低導致了熱量交換減少，制冷量也相應下降。當壓縮機吸氣帶液時制冷量與制熱量一樣出現下降趨勢。

4 結論

研究分析了冷凍水流量、電子膨脹閥開度，壓縮機頻率對熱泵機組制冷量與制熱量的影響，試驗測試與分析表明：

（1）冷凍水流量的增加對系統的制熱量、制冷量帶來了一定程度上的影響，制熱量、制冷量都是先上升到最優點后下降。冷凍水流量與壓縮機的功耗成正比關系，冷凍水流量增加，壓縮機功耗也隨之增加，流量過大會加重壓縮機負擔，使壓縮機吸排氣壓小，導致了制冷劑減小。

（2）壓縮機頻率的不斷增加使系統的制熱量、制冷量呈現線性增長趨勢，但過高的壓縮機頻率會給系統帶來負面影響，同時壓縮機的頻率的調節需要考慮到電子膨脹閥開度的問題，壓縮機頻率變化的同時電子膨脹閥開度也需要做出相應改變，這樣才能使系統性能在一定程度上達到最佳狀態。

（3）電子膨脹閥具有控制冷凝壓力到蒸發壓力之間的壓降的作用，由試驗結果可知，電子膨脹閥開度過大容易導致壓縮機大量吸氣帶液，同時開度過大也會導致制冷劑流量減少，所以電子膨脹閥開度不適合大范圍調節。同時，電子膨脹閥開度的大小也會對冷凝壓力造成影響，冷凝壓力的過高會使制冷系數下降，對壓縮機等高壓部件產生不利影響。不同電子膨脹閥開度控制下的制熱量和制冷量的下降拐點，可以作為控制電子膨脹閥開度和壓縮機吸氣帶液的判斷依據。

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Experimental Research on the Characteristics of Heating Parameters of Air Source Heat Pump

Ren Xinyu1Wang Yunfeng1,2LiGuoliang1,2YaoHaoyi1,2

(1.Solar Energy Research Institute, Yunnan Normal University, Kunming, 650500;2.Key Laboratory of Solar Heating and Cooling Technology of Yunnan Provincial Universities, Kunming, 650500)

In order to improve the heating performance of the air source heat pump, this paper built an air source heat pump performance test system, carried out the heat pump performance test under different operating conditions, studied and analyzed the chilled water flow rate, the throttle opening, and the compressor frequency. The influence of cooling capacity and heating capacity of heat pump unit. The results show that at first the heating capacity and cooling capacity increase with the increase of the chilled water flow rate. When the chilled water flow rate exceeds a certain range, the compressor suction and discharge pressure is small at this time, resulting in a decrease in the refrigerant flow rate, resulting in heating and cooling capacity. As the frequency of the compressor increases, the heating capacity and cooling capacity also increase, which are directly proportional to the compressor frequency; the larger the opening of the electronic expansion valve, the easier it is to cause the compressor to suck in liquid and liquid. The heating capacity and cooling capacity begin to decrease when the liquid starts. At the same time, the intake of liquid in the air also affects the mass flow of the refrigerant, and the flow of the refrigerant decreases when the intake of liquid is carried out.

Heat pump; electronic expansion valve; compressor frequency; heating capacity; cooling capacity

1671-6612（2021）03-365-06

TB61

A

云南省基礎研究重點項目（項目編號：202001AS070025）

任昕瑜（1998-），女，研究方向為熱泵利用技術，E-mail：3409754610@qq.com

王云峰（1984-），男，博士，教授，研究方向為太陽能熱利用技術，E-mail：wangyf@ynnu.edu.cn

2021-01-14