二次過冷系統在低環溫熱泵的應用研究

張 勇 鄧志揚 黎 珍

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

隨著國家“雙碳”政策[1]布局，低環溫熱泵在低溫制熱的性能提升明顯，分散清潔采暖應用越來越多。而在后煤改電時代的到來，對于具有強勁制冷功能的需求也被提上日程，可以同時滿足冬季采暖、夏季制冷的暖冷一體機組需求強烈，尤其是目前寸土寸金的城市、郊區等更為明顯。

低環溫熱泵系統在低溫制熱表現強勁[2,3]，其在高壓比、高排氣抑制方面的設計考量，使低環溫熱泵近年蓬勃發展，低溫制熱性能提升顯著，備受北方煤改電等供暖工程的青睞。而低環溫熱泵的壓縮機設計工況，一般基于標準工況如-12 ℃低環溫下設計，其性能的設計優化點更趨向于較低的蒸發溫度工況，而在常溫工況如制冷工況的性能表現并不突出，甚至會低于常規壓縮機的制冷性能。

為此，本文考慮低溫熱泵兼顧制冷的使用需求，在低環溫熱泵系統基礎上進行改進，重點研究二次過冷制冷系統[4]在低環溫熱泵的制冷應用，提高其在制冷運行時的制熱量和能效，為低環溫熱泵在制冷性能的提升設計應用提供參考。

1 低環溫熱泵二次過冷制冷系統設計

二次過冷的低環溫熱泵系統，其系統原理圖相比常規熱泵具有如圖1所示差異：

圖1 制冷運行二次過冷系統原理圖

在空調四大件基礎之上，系統上額外增加了板式換熱器做為二次過冷核心換熱部件，本系統采用下游取液的過冷方案，通過節流閥2控制二次過冷的冷媒量和過冷度，進而實現最優系統過冷度下的制冷性能。

其原理簡述如下：低溫低壓的氣態制冷劑被吸入壓縮機，壓縮成高溫高壓的氣態制冷劑，進入翅片蒸發器進行放熱，形成中溫高壓的液態制冷劑，液態制冷劑經過板式換熱器后，一分為二，一部分經節流閥2節流降壓降溫后，進入板換的另一側進行換熱，成中溫氣態制冷劑，并最終同主路制冷劑一同被吸入壓縮機進行再壓縮；同時可有效降低進入節流閥1的制冷劑溫度、提高過冷度，并經節流閥1節流降壓為氣液兩相制冷劑進入水側換熱器吸收末端管網中水的熱量，制取低溫冷水，并換熱成低溫低壓的氣態制冷劑，進入壓縮機吸氣口，如此往復。

根據上述系統改進方案，可以提高主路的過冷度和吸氣壓力，大幅提升冷媒循環量及空氣側的焓差，最終實現制冷性能的提升。

2 實際樣機準備

如圖2所示，以低溫噴液系統的樣機為基礎，進行樣機的搭建和設計工作，為保障低溫制熱性能不降低，同時提升制冷性能，將熱泵系統由低溫噴液系統更改為制熱低溫噴液、制冷二次過冷的系統方案。

圖2 實際樣機搭建系統原理圖

采用低溫熱泵專用壓縮機，低壓腔渦旋式，中間噴液，制冷劑R410A，吸氣容積170.3 cm3/rev，額定轉速2 900 rev/min。

采用板式換熱器作為二次過冷換熱，板式換熱器選用舒瑞普廠家B8TH系列，22片，換熱面積為0.46 m2，換熱量為4.5 kW。

制熱時，通過控制噴液電磁閥實現噴液開啟與否，噴液流量采用電子膨脹閥進行PID精準控制，實現低溫制熱及低溫性能的提升。

制冷時關閉噴液電磁閥及噴液路，通過開啟制冷電磁閥及制冷毛細管流路，同時調節電子膨脹閥控制，協同作用進行制冷運行，達到制冷運行時二次過冷目的。

3 實驗驗證情況

經試驗確認機組在低環溫熱泵GB/T 25217.1-2020、GB 37480-2019標準，制熱性能在更改前后無明顯差異，下面著重針對GB/T 18430.1-2016、GB 19577-2015標準進行制冷運行相關實驗對比驗證。

3.1 二次過冷系統制冷性能提升

在名義制冷（環溫35 ℃、進/出水12 /7 ℃）工況下，通過更換不同規格毛細管規格，在二次過冷系統制冷運行，進行對比性能測試，如圖3所示，最終確認采用毛細管的規格為內徑1.37×長度500 mm時達到最優性能值。

圖3 不同毛細管規格的制冷性能對比

見表1，隨著制冷毛細管規格的逐步減小，系統吸氣壓力呈現下降趨勢，系統排氣壓力呈現上升趨勢，二次過冷后的溫度呈現升高趨勢，二次過冷后溫度介于板式換熱器和翅片換熱器之間。制冷運行性能的取決于過冷度的提升量和功率高低，從制冷毛細管分配的流量會影響高低壓和功率的變化，最終達成制冷最優性能。

表1 不同毛細管規格的制冷運行關鍵數據

3.2 常規系統和二次過冷系統的制冷運行對比

見表2，在選定最優性能毛細管規格基礎上，通過對制冷電磁閥的開關動作，對比二次過冷系統與常規系統制冷性能在名義制冷工況的差異，二次過冷系統制冷運行能力提升1.504 kW，能效提升0.074 W/W。

表2 常規系統和二次過冷系統的制冷運行對比

二次過冷系統制冷運行的吸氣壓力、排氣壓力、排氣溫度均有小幅度上升，過冷度的提高8.7/9.1 ℃，二次過冷系統對于制冷的能力提高2 %、能效提高2.66 %，可見過冷度大幅提升是二次過冷系統能力更優的關鍵因素。

3.3 不同IPLV（C）制冷工況的過冷度變化與制冷性能變化

通過驗證IPLV（C）不同制冷工況下的對比測試，隨著環境溫度的降低，制冷性能的提升量逐漸增加，而二次過冷系統的過冷度提升幅度在35 ℃以下環溫基本可保持在（7～10）℃左右，但是在環境溫度48 ℃時，制冷性能幾乎沒有提升，這屬于毛細管規格的范圍不適用性，無法兼顧到高冷凝溫度、高蒸發溫度的惡劣工況，受制冷劑流量、系統高壓、換熱能力等因素影響較大，如圖4所示。

圖4 不同IPLV(C)工況 常規系統與二次過冷系統對比

4 總結

1）通過增加板式換熱器及對應二次過冷支路，可實現二次過冷系統過冷度的大幅提升，獲取最優二次過冷狀態，實現最佳的制冷性能。

2）通過制冷電磁閥的切換，實現常規制冷系統、二次過冷系統的制冷性能對比驗證，二次過冷系統可以提升2 %能力和2.66 %能效。

3）在環境溫度35℃以下，二次過冷系統隨著環境溫度的降低，能力提升（2.02～2.07）%，能效提升（2.5～2.9）%，主要是在中低環溫系統過冷度增加了（7～10）℃。

4）在環境溫度48 ℃時，二次過冷系統能力僅提升0.36 %、能效僅提升0.61 %，分析為依據名義制冷工況配試的毛細管具有高冷凝、高蒸發溫度的不適用性，受換熱因素影響，無法大幅度提升過冷度，導致性能提升有限。