中間補(bǔ)氣空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)節(jié)流閥控制方法的實(shí)驗(yàn)研究

侯慶林 陳超 李明洋 王振寶 劉宏舉

數(shù)字多媒體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266100

1 引言

隨著室外環(huán)境溫度的逐步降低，空氣源熱泵機(jī)組的制熱性能逐漸衰減。其主要原因是低環(huán)境溫度下機(jī)組的蒸發(fā)壓力降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣比容增大，質(zhì)量流量降低，壓縮機(jī)容積效率降低[1]。如何提高熱泵機(jī)組的低溫制熱性能是當(dāng)今行業(yè)內(nèi)討論的熱點(diǎn)問題[2]。

中間補(bǔ)氣技術(shù)是近年來低溫制熱領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，其在解決低溫制熱能力不足、低溫制熱壓縮機(jī)排氣溫度過高等方面具有良好的作用[3-5]。該技術(shù)通過兩次節(jié)流，將制冷劑進(jìn)入室外蒸發(fā)側(cè)之前分離一部分氣體引入壓縮機(jī)，來提高壓縮機(jī)質(zhì)量流量，降低進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑干度，從而提高系統(tǒng)的制熱量和制冷量。

中間補(bǔ)氣方案根據(jù)補(bǔ)氣方式的不同可分為兩類系統(tǒng)方案：過冷器補(bǔ)氣方案和閃發(fā)器補(bǔ)氣方案[6]，其系統(tǒng)原理圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 過冷器補(bǔ)氣方案

圖2 閃發(fā)器補(bǔ)氣方案

相比較兩類補(bǔ)氣方案：從系統(tǒng)成本來看，過冷器一般采用板式換熱器，成本較高，而閃發(fā)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低；從系統(tǒng)控制方式看，過冷器補(bǔ)氣方案的補(bǔ)氣量可以通過補(bǔ)氣支路的節(jié)流裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，而閃發(fā)器方案的補(bǔ)氣支路上沒有可調(diào)節(jié)流量的裝置，因此閃發(fā)器補(bǔ)氣方案在系統(tǒng)控制上更為困難。

本文對(duì)使用閃發(fā)器補(bǔ)氣方案的中間補(bǔ)氣空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的節(jié)流閥控制方法進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)獲取節(jié)流閥的最佳控制策略和控制參數(shù)，在滿足系統(tǒng)制熱量需求的前提下獲取系統(tǒng)的最佳制熱能效系數(shù)（COP），從而為閃發(fā)器中間補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)提供支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)依據(jù)JB/T 13573-2018《低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)》[7]進(jìn)行設(shè)計(jì)，其名義制熱量為4000 W，設(shè)計(jì)方案如圖3所示。其中，壓縮機(jī)為中間補(bǔ)氣雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)；沿制冷劑的流動(dòng)方向，閃發(fā)器前設(shè)置電子膨脹閥EEV1，閃發(fā)器后設(shè)置電子膨脹閥EEV2；電磁閥SV1控制補(bǔ)氣回路的導(dǎo)通和關(guān)閉；室內(nèi)外換熱器都采用翅片管換熱器，制冷劑采用R410A。系統(tǒng)的主要零部件配置如表1所示。

圖3 空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

表1 零部件規(guī)格

系統(tǒng)的壓焓圖可由圖4所示的雙級(jí)壓縮循環(huán)來近似描述。其中，2-3為制冷劑在室內(nèi)換熱器中的冷凝放熱過程，3-4為制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥EEV1的節(jié)流過程，4’為閃發(fā)器下部出口連接電子膨脹閥EEV2的飽和液態(tài)點(diǎn)，2’是閃蒸器上部出口飽和氣態(tài)制冷劑與壓縮機(jī)補(bǔ)氣前過熱氣體的混合點(diǎn)，4’-5為制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥EEV2的節(jié)流過程，5-1制冷劑在室外換熱器吸熱過程，1-2’-2為制冷劑在壓縮機(jī)中壓縮過程。

圖4 系統(tǒng)壓焓圖

3 電子膨脹閥的控制方案

根據(jù)行業(yè)內(nèi)比較成熟的電子膨脹控制方法，電子膨脹閥可采用壓縮機(jī)的排氣過熱度（Discharge Superheat，簡(jiǎn)稱：DSH）或吸氣過熱度（Suction Superheat，簡(jiǎn)稱：SSH）作為被控參數(shù)對(duì)其進(jìn)行控制。排氣過熱度（DSH）是指壓縮機(jī)排氣溫度Td與飽和冷凝溫度Tc之間的差值，即圖4所示的2與3’之間的溫度差值；吸氣過熱度（SSH）是指壓縮機(jī)吸氣溫度Ts與飽和蒸發(fā)溫度Te之間的差值，即圖4所示的1與5’之間的溫度差值。

各溫度檢測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示，排氣溫度點(diǎn)Td布置在壓縮機(jī)的排氣管上，冷凝溫度點(diǎn)Tc布置在室內(nèi)換熱器的中部，吸氣溫度點(diǎn)Ts布置在壓縮機(jī)的吸氣管上，蒸發(fā)溫度點(diǎn)Te布置在室外換熱器的中部。

具體的控制方案是：采用正交實(shí)驗(yàn)方法，通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度，分別研究?jī)蓚€(gè)電子膨脹閥開度對(duì)壓縮機(jī)DSH、SSH、制熱量和制熱性能系數(shù)COP（coefficient of performance）的影響規(guī)律，從而探明在滿足制熱能力的前提下使系統(tǒng)的COP達(dá)到最優(yōu)的膨脹閥的開度（組合）。因此，在控制過程中，為了使當(dāng)前DSH值或當(dāng)前SSH值能穩(wěn)定地達(dá)到目標(biāo)值，當(dāng)前DSH值或當(dāng)前SSH值必須隨電子膨脹閥開度的變化具有單調(diào)性，否則將會(huì)出現(xiàn)同一個(gè)控制參數(shù)對(duì)應(yīng)多個(gè)電子膨脹閥開度的情況，從而會(huì)使系統(tǒng)誤判電子膨脹閥的開關(guān)方向，使系統(tǒng)無法達(dá)到穩(wěn)定。

4 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

通過實(shí)驗(yàn)研究，探明兩個(gè)電子膨脹閥對(duì)DSH和SSH的影響，進(jìn)而確定電子膨脹閥的控制方法，并確定實(shí)驗(yàn)工況下最優(yōu)過熱度目標(biāo)值。實(shí)驗(yàn)過程采用單變量分析方法，即將一個(gè)電子膨脹閥開度固定，只調(diào)節(jié)另一個(gè)閥，來研究對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)過程中壓縮機(jī)運(yùn)行頻率固定不變。

樣機(jī)采用空氣焓差法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法參照J(rèn)B/T 13573-2018《低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)》，實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況采用表2所示的空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的名義工況。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）EEV1開度對(duì)DSH和SSH的影響

將EEV2開度固定為230 pls，只調(diào)節(jié)EEV1，其開度對(duì)DSH和SSH的影響如圖5所示。從結(jié)果可以看出隨著EEV1開度的增大，DSH和SSH單調(diào)遞減。

圖5 EEV1開度對(duì)DSH和SSH的影響

這是因?yàn)镋EV1控制著整個(gè)系統(tǒng)的制冷劑流量，當(dāng)EEV1閥開度增大時(shí)系統(tǒng)的制冷劑循環(huán)量增大，壓縮機(jī)的吸氣量增多，同樣的壓縮功下，排氣溫度會(huì)降低，因而DSH會(huì)減小；隨著EEV1開度的增加，室外換熱器中的制冷劑循環(huán)量增大，同樣散熱能力下，換熱器出口的制冷劑會(huì)由過熱狀態(tài)變化為飽和狀態(tài)，因此SSH逐漸減小。由于此處SSH是室外換熱器出口溫度（等于壓縮機(jī)吸氣溫度Ts）與室外換熱器中部溫度Tc之間的差值，當(dāng)換熱器出口制冷劑為飽和狀態(tài)時(shí)，受管內(nèi)流動(dòng)引起的壓力損失的影響，出口制冷劑飽和溫度會(huì)低于中部制冷劑飽和溫度，因此此處計(jì)算的SSH會(huì)出現(xiàn)負(fù)值（回液）。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，EEV1的開度和DSH以及SSH都存在單調(diào)關(guān)系，因此EEV1的控制既可以采用DSH為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行控制，也可以采用SSH為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行控制。但DSH隨閥開度變化斜率要大于SSH，也就是說，相同的EEV1閥開度的變化值下，DSH會(huì)變化的更加明顯，因此EEV1采用DSH為目標(biāo)來進(jìn)行控制時(shí)，可以使用更快的調(diào)閥速率，從而更有利于系統(tǒng)快速穩(wěn)定。綜上所述，EEV1優(yōu)先采用DSH為控制參數(shù)對(duì)其進(jìn)行控制。

（2）EEV2開度對(duì)DSH和SSH的影響

將EEV1開度固定為130 pls，只調(diào)節(jié)EEV2，其開度對(duì)DSH和SSH的影響如圖6所示。

圖6 EEV2開度對(duì)DSH和SSH的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著EEV2的閥開度增大，SSH單調(diào)遞減，DSH先增大后減小。

這是因?yàn)椋弘S著EEV2開度的增大，室外換熱器的制冷劑流量增大，因此在換熱器換熱能力不變的情況下，SSH會(huì)隨EEV2開度的增大而減小；當(dāng)EEV2開度增大時(shí)，雖然室外換熱器的制冷劑流量增大，但通過電磁閥SV1進(jìn)入壓縮機(jī)補(bǔ)氣口的制冷劑流量是減小的，因此當(dāng)壓縮機(jī)吸氣干度較大時(shí)，隨著補(bǔ)氣量的減少，可能會(huì)導(dǎo)致DSH增大，而隨著SSH降低引起的液壓縮又會(huì)導(dǎo)致DSH逐漸減小，所以DSH不會(huì)隨EEV2開度變化具有單調(diào)性。

因此，EEV2只能采用SSH為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行控制。

（3）EEV1、EEV2開度對(duì)制熱量、COP的影響

將電子膨脹閥EEV1采用DSH為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行控制，將電子膨脹閥EEV2采用SSH為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行控制，在表2所示的實(shí)驗(yàn)工況下，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行制熱量及COP測(cè)試分析。在不同DSH、SSH目標(biāo)控制參數(shù)值的組合下，可以得到系統(tǒng)穩(wěn)定后的對(duì)應(yīng)制熱量和COP數(shù)值，如表3、表4所示。

表3 系統(tǒng)的制熱量（W）

表4 系統(tǒng)COP（W/W）

從表3中可以看出，在所列各條件下的制熱量均能滿足JB/T 13573-2018對(duì)名義工況制熱量的要求（實(shí)測(cè)制熱量不應(yīng)小于名義制熱量明示值的95%，即大于等于3800 W）。從表4中可以得出系統(tǒng)最優(yōu)COP值為2.38，對(duì)應(yīng)目標(biāo)DSH值為43℃，對(duì)應(yīng)目標(biāo)SSH值為0℃。因此本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在表2所示工況下的最優(yōu)DSH目標(biāo)控制值為43℃，最優(yōu)SSH目標(biāo)控制值為0℃。

5 結(jié)論

本文以采用閃發(fā)器的中間補(bǔ)氣空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)系統(tǒng)為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究表明：

（1）對(duì)于采用閃發(fā)器的中間補(bǔ)氣空氣源熱泵系統(tǒng)，閃發(fā)器前的電子膨脹閥EEV1優(yōu)先采用DSH為目標(biāo)參數(shù)、閃發(fā)器后的電子膨脹閥EEV2只能采用SSH為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行控制。

（2）被測(cè)系統(tǒng)在名義制熱工況下，當(dāng)DSH目標(biāo)控制值為43℃，SSH目標(biāo)控制值為0℃時(shí)：系統(tǒng)制熱量為4042 W，可以滿足名義工況制熱量的需求；系統(tǒng)COP為2.38，達(dá)到最優(yōu)。

（3）對(duì)于其他工況、其他類型的空氣源熱泵系統(tǒng)，也可參照上述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立空氣源熱泵性能分析模型，以獲得任意工作條件下保證制熱量需求的COP最佳控制策略。