R410A低温喷液式热泵机...出水温度的制热运行试验研究_李恒索.pdf

节能基础科学46节能 ENERGY CONSERVATIONNO.01 2023R410A低温喷液式热泵机组高出水温度的制热运行试验研究李恒索 和富超 李培伦（山东力诺瑞特新能源有限公司，山东 济南 250100）摘要：为了验证喷液冷却空气源热泵低温适应高出水温度制热的可靠性，探究热泵高出水温度制热的运行特性，以R410A为制冷剂，在2、-10、-20 的环境温度下开展喷液冷却空气源热泵样机45、50、55、60 变出水温度的试验测试。结果表明：压缩机排气温度和热泵功耗随出水温度的升高而升高，制热量和COP值随出水温度的升高而降低，环境温度降低热泵制热性能下降；环境温度为-20、出水温度为55 工况（循环温差大于75）的压缩机排气温度为115.2，低于R410A的排温上限125，COP值为1.275，喷液冷却空气源热泵具有低温适应高出水制热的安全可靠性。关键词：空气源热泵；喷液冷却；低环境温度；高水温制热中图分类号：TB657 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）01-0046-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.0121概述空气源热泵作为高效节能装置被广泛应用于建筑环境冷热舒适调节。随着环境温度降低，空气源热泵会出现压缩机排气温度升高、制热量急剧衰减甚至不制热的问题1，严重影响空气源热泵的制热可靠性。空气源热泵如何满足高出水温度、提供高品质热源成为热泵领域研究的热点，有必要开展空气源热泵低环境温度适应、高出水温度制热的研究。压缩机的相关研究逐渐成熟，喷入制冷剂（喷液冷却和补气增焓）成为空气源热泵制热性能提升的可靠途径2。杨文军3等在制冷剂喷入式空气源热泵的排气温度控制试验中指出，喷液和补气在提升热泵制热性能方面具有各自的优势，低环境温度适应性好。马麟4等针对低环境温度热泵开发了喷液冷却和喷气增焓R410A涡旋压缩机，对二者的技术特点进行了对比，指出制冷剂喷入技术可以提高热泵低环境温度工况制热量及制热性能。禹志强5等借助补气增焓和喷液冷却低环境温度空气源热泵，开展了出水温度为45、环境温度为-2521 的制热对比试验，喷液冷却热泵更适合被应用于较高出水温度情况，补气增焓热泵在低温区域更具优势。蔡志敏6等对比了喷气增焓和喷液冷却热泵的热力学差异，研究出水温度为41、环境温度为-3010 时热泵的制热性能，制冷剂喷入压缩机能够显著提升空气源热泵的制热性能。现有研究表明制冷剂喷入技术能够有效提升低环境温度空气源热泵的制热性能，抑制热泵制热量衰减，但数值模拟和试验研究多围绕制冷剂喷入式空气源热泵低环境温度变化开展，高出水温度（50 以上）的相关试验较少，尤其是喷液冷却技术的应用。开展低环境温度下喷液冷却空气源热泵高出水温度试验测试，验证喷液冷却技术应用于低环境温度、高出水温度空气源热泵的制热可靠性，探究高出水温度制热的运行特性。2喷液冷却式空气源热泵系统运行原理引入喷液冷却技术使压缩机压缩过程由“单级压缩”变为“准二级压缩”，喷入压缩机的液体制冷剂在降低压缩机排气温度的同时显著提升了系统的制热量。喷液冷却式空气源热泵的系统原理图和p-h关系曲线如图1、图2所示。由图1可知，喷液冷却式空气源热泵系统运行时，冷图1喷液冷却式空气源热泵图2喷液冷却式空气源热泵p-h关系曲线作者简介：李恒索（1982），男，本科，工程师，研究方向为太阳能及空气源热泵空调等新能源。收稿日期：2022-06-17引用本文：李恒索，和富超，李培伦.R410A低温喷液式热泵机组高出水温度的制热运行试验研究 J.节能，2023，42（1）：46-48.节能基础科学47NO.01 2023节能 ENERGY CONSERVATION凝器出口处的高压制冷剂液体（点5）被分为主、辅两路，主路经过电子膨胀阀节流降压为低压制冷剂液体（点6），进入蒸发器与空气换热，低压制冷剂液体（点6）吸热蒸发为低温低压制冷剂气体（点1），进入压缩机被压缩；辅路经过电磁阀在喷液电子膨胀阀处节流降压为中压制冷剂液体（点5），被喷入压缩机，冷却来自蒸发器的已被压缩的制冷剂气体，混合后的制冷剂气体（点3）继续被压缩为高温高压制冷剂气体（点4），高温高压制冷剂气体（点4）进入冷凝器放热凝结，完成空气源热泵制热循环。压缩机排气出口处设置温度传感器，温控器通过感知压缩机的排气温度调节喷液电子膨胀阀的开度，防止压缩机排气温度过高。3试验装置与测试方法喷液冷却式空气源热泵以R410A为制冷剂，主要由喷液式压缩机、壳管式换热器、板翅式换热器、电子膨胀阀、喷液电子膨胀阀等组成。喷液冷却式空气源热泵的主要配置参数如表1所示。为了探究喷液冷却技术对空气源热泵低环境温度、高出水温度制热性能的影响，搭建喷液冷却式空气源热泵测试样机，在不同环境温度（2、-10、-20）下进行样机变出水温度（45、50、55、60）试验。除了测试样机预设测点布置外，主要测量压缩机排气出口制冷剂的温度值和压力值、壳管式冷凝器热媒水进口温度值和流量值以及出口温度值、测试样机输入功率（压缩机、风机、水泵的总功率）。试验待测物理量与仪器参数如表2所示。根据样机测量各物理量值可以明晰不同环境温度下喷液冷却式空气源热泵变出水温度的制热特性，进而优化热泵。热泵制热量Q为：Q=qv(Cp,ttout-Cp,ttin)(1)热泵系数COP为：COP=QW(2)式中：qv壳管式换热器进口热媒水的体积流量，m3/s；热媒水进、出口平均温度下的密度值，kg/m3；Cp,tt温度时的定压比热容，kJ/(kg )；tout壳管式换热器热媒水出口温度，；tin壳管式换热器热媒水进口温度，；W样机的总功率（含压缩机、风机、水泵的能耗功率）。4结果与分析不同环境温度下的实测进、出水温度工况如表 3、表4所示。压缩机排气温度随环境温度、出水温度的变化关系如图3所示。由图3可知，压缩机排气温度随出水温度的升高呈上升趋势，相同出水温度下，环境温度为-20 的压缩机排气温度依次高于-10、2 的压缩机排气温度。压缩机排气温度随热泵蒸发温度/冷凝温度的差值增大而增大，分析认为热泵循环温差增大，对应的循环压比增大，表1喷液冷却式空气源热泵的主要配置参数项目工况系统组成蒸发温度/冷凝温度/过冷度/过热度/压缩机冷凝器蒸发器风机参数节流装置说明3.0 50.0 5.0 PSH030（12HP），两台。干式壳管换热器板翅换热器，内螺纹换热管。风量13 000 m3/h，风机电机功率0.75 kW，两台。UKV-32电子膨胀阀表2试验待测物理量与仪器参数物理量压缩机排气温度压缩机排气压力壳管式换热器进/出口水温热媒水流量功率单位kPam3/hW测量仪器Pt100铂电阻压力传感器Pt100铂电阻孔板式流量计电功率计仪器精度/%0.10.20.10.50.5表3不同环境温度下的实测进水温度工况/理论环境温度2-10-20实测环境温度1.92.3-9.5-9.7-19.5-19.8理论出水温度4539.939.339.85044.745.245.75548.250.150.66054.954.7表4不同环境温度下的实测出水温度工况/理论环境温度2-10-20实测环境温度1.92.3-9.5-9.7-19.5-19.8理论出水温度4543.844.244.15049.148.948.85552.953.954.06059.158.5图3压缩机排气温度随环境温度、出水温度的变化关系节能基础科学48节能 ENERGY CONSERVATIONNO.01 2023压缩机排气压力升高，随之对应的排气温度升高。环境温度在-20、出水温度在55 的压缩机排气温度为115.2，低于 R410A 制冷剂的压缩机排气上限温度(125)，表明喷液冷却空气源热泵具备制热安全可靠性，循环温差大于75 的低环境温度、高出水温度工况下热泵可运行。热泵制热量随环境温度、出水温度的变化关系如图4所示。随着出水温度的升高，热泵制热量总体呈现下降的趋势，环境温度为 2 的制热量明显高于-10、-20 的制热量，表明热泵循环温差是影响热泵制热量的主要因素。环境温度降低和冷凝侧出水温度升高均会导致热泵制热量减小，环境温度降低引起热泵蒸发温度的降低，出水温度升高对应冷凝温度升高，单位质量、体积的制冷量减小，导致蒸发侧吸热量减小，引起热泵制热量降低。功率消耗随环境温度、出水温度的变化关系如图5所示。热泵功率消耗随出水温度的升高而增加，环境温度在-20 的功率消耗依次高于2、-10 的功率消耗，表明环境温度的降低会导致热泵功耗增加，随着出水温度升高，热泵功率消耗增加明显。冷凝器出水温度的升高对应冷凝温度和冷凝压力升高，热泵循环压比增大，压缩机的单位耗功增加，进而导致热泵总功率消耗增加。COP随环境温度、出水温度的变化关系如图6所示。热泵COP值随出水温度的升高而降低，环境温度在2 的COP值依次高于-10、-20 的COP值，表明环境温度的降低和出水温度的升高均会减小热泵COP值。环境温度越低，热泵COP值随出水温度升高的减小越为明显。热泵COP值受热泵制热量和功率消耗的综合影响，环境温度降低和出水温度的升高均会导致热泵制热量的减小，COP值减小，热泵循环温差受环境温度降低或出水温度升高的影响而增大，从逆卡诺循环角度分析，条件不利于循环进行，COP值减小。环境温度为-20、出为水温度55（循环温差大于75）时的COP值为1.275，表明喷液冷却空气源热泵具备低温适应高出水制热可靠性。5结语（1）压缩机排气温度和热泵功率消耗随出水温度的升高而升高，室外温度-20、出水温度55 工况下压缩机排气温度115.2 低于R410A的排温上限125，喷液冷却空气源热泵具有制热安全可靠性。（2）热泵制热量随出水温度的升高呈现下降的趋势，环境温度降低导致热泵制热量减少。（3）环境温度降低和出水温度升高均会导致热泵COP值降低。环境温度越低，热泵COP值随出水温度升高的降低趋势越明显，室外温度-20、出水温度55 工况的COP值为1.275，喷液冷却空气源热泵具有低温适应高出水制热可靠性。参考文献1 杨兴林，李自强，赵海波，等.基于适定工质的准二级压缩循环在高温工况下的特性研究 J.流体机械，2019，47（9）：40-46.2 王超，赵蕾，李延，等.制冷剂喷入技术在空气源热泵中的应用研究现状 J.制冷学报，2019，40（5）：13-25.3 杨文军，邓志扬，李敬泉.低环境温度工况下喷液和喷气增焓空气源热泵热水机排气温度控制分析 J.制冷与空调，2017，17（10）：70-73.4 马麟，姚文虎，钱坤.喷液冷却和补气增焓低温热泵涡旋压缩机的对比分析 J.制冷技术，2018，38（1）：55-59.5 禹志强，刘敬坤，李丛来，等.两种低环境温度空气源热泵机组的对比试验研究 J.制冷与空调，2020，20（10）：78-82.6 蔡志敏，赵密升，李建国，等.喷气增焓与喷液冷却式空气源热泵在低环境下试验数据对比及分析 J.制冷与空调，2020，34（4）：468-472.图6COP随环境温度、出水温度的变化关系图4热泵制热量随环境温度、出水温度的变化关系图5功率消耗随环境温度、出水温度的变化关系