黃成達 許樹學 馬國遠 崔增燕

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利用自然冷源過冷改善R32熱泵制熱性能的實驗研究

黃成達 許樹學 馬國遠 崔增燕

（北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院 北京 100124）

蒸汽壓縮式熱泵在蒸發(fā)溫度低時排氣溫度很高，嚴重影響機組運行的穩(wěn)定性，特別是R32工質。提出利用自然冷源過冷的方法改善其低溫制熱性能，并搭建了實驗臺。對以R32為工質的蒸氣壓縮式熱泵進行了實驗，研究熱泵在過冷及普通工況下，排氣溫度、制熱量、制熱COP等參數的變化規(guī)律。

熱泵；過冷度；R32；COP

0 引言

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎[1]。全球經濟的增長和人口增多導致對能源的需求與日俱增。熱泵技術是近年來在全世界倍受關注的新能源技術。采用熱泵技術可以節(jié)約大量高品位能源。世界上的溫寒帶國家，美國、日本、韓國、德國及北歐一些的國家，冬季供暖仍主要采用天然氣和燃油供暖，少量采取遠距離供熱的住宅，用電或燒煤等方式采暖[2]?？照{是人類生活和工作環(huán)境不可或缺的重要組成部分。據文獻報導，全球平均建筑能耗占到總能耗的37%左右[3]，我國建筑能耗約為總能耗的40%[4]，且呈現剛性增長趨勢[5]。在建筑總能耗中，空調系統(tǒng)耗能所占比重最大。針對提高制冷和制熱能效提升的研究很多，過冷技術被廣泛地運用在中低溫領域的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)里[6]。過冷的實現主要有以下幾種：環(huán)境冷卻過冷、吸氣管道過冷及使用外部機械過冷[7,8]。我國依據國情提出采用R32的制冷劑替代方案，但過高的排氣溫度制約其推廣，特別是制熱領域的應用。本文針對以R32為制冷工質的熱泵系統(tǒng)，引入過冷改善熱泵制熱性能的研究，對其進行理論分析和實驗研究。

1 系統(tǒng)的工作原理

利用自然冷源過冷的熱泵系統(tǒng)工作原理如圖1所示。與單級相比增加了過冷裝置，冷源來自低溫環(huán)境中。當過冷運行時，從低溫環(huán)境中引入部分冷源介質對液體過冷從而改善制熱，特別是低環(huán)境溫度下的制熱性能。

圖1 自然冷源過冷循環(huán)原理圖和lg p-h圖

2 計算模型

計算過程條件：

（1）系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下運行；

（2）冷凝溫度40 ℃，蒸發(fā)溫度范圍-20～5 ℃；

（3）過熱度0～10 ℃；

（4）指示效率取0.8；

圖2 排氣溫度隨吸氣過熱度的變化

圖2所示為排氣溫度隨吸氣過熱度的變化。由圖2可以看出，過熱度越高排氣溫度越高，蒸發(fā)溫度越低排氣溫度也越高。在蒸發(fā)溫度0 ℃、-10 ℃和-20 ℃候，每增加1 ℃的過熱，排氣溫度相應平均增高2.3 ℃。且在蒸發(fā)溫度越高時，過熱度對排氣溫度影響越明顯。

圖3所示為制熱COP隨蒸發(fā)溫度的變化。由圖3可以看出，蒸發(fā)溫度提高時制熱COP增大，蒸發(fā)溫度在-20 ℃～5 ℃的時候單級系統(tǒng)與過冷度為8 ℃時的制熱COP平均增大45%。

圖3 過冷系統(tǒng)和單級系統(tǒng)的制熱COP比較

3 實驗研究

圖4所示為利用自然冷源過冷的熱泵系統(tǒng)實驗裝置圖。系統(tǒng)包括：1-渦旋壓縮機，2-油分離器，3-冷凝器，4-視液鏡，5-干燥過濾器，6-過冷器，7-節(jié)流閥，8-蒸發(fā)器，9-冷凍水流量計，10-冷凍水箱，11、14-電加熱器，12-冷凍水泵，13-冷卻水箱，15-冷卻水泵，16-冷卻水流量計。系統(tǒng)運行時，從冷凍水端引入一部分冷凍水冷卻制冷劑液體，以此實現過冷循環(huán)。

以R32為工質進行實驗研究，比較單級模式、帶過冷模式的性能。為了更好的評價樣機系統(tǒng)的性能，本實驗對儀表儀器進行了標定。開機過程如下：首先接通控電柜電源，啟動并調整冷卻水系統(tǒng)，待水系統(tǒng)調試好后開啟壓縮機，同時開啟數據采集系統(tǒng)。實驗過程中，待工況穩(wěn)定一段時間后，先做單級壓縮循環(huán)實驗。待機組在實驗設定工況下穩(wěn)定運行一段時間后，再分別開啟過冷。需直接測量的參數包括：吸氣溫度及壓力、排氣溫度及壓力、冷凝器進出口溫度及壓力、冷卻水進出口溫度、冷卻水流量、過冷溫度及壓力、壓縮機功率。需間接測量的量為：冷卻水進出口溫差、制熱量、制熱COP。

圖4 實驗裝置圖

4 結果與討論

圖5所示為排氣溫度隨過冷流量的變化。由圖5可看出，相同蒸發(fā)溫度下，過冷流量增加排氣溫度都降低；蒸發(fā)溫度越低，過冷流量的增大排氣溫度的降低趨勢越明顯。在蒸發(fā)溫度分別為-20 ℃～5 ℃時，過冷流量每增加0.005 m3/h，排氣溫度平均降低1.7 ℃～3.0 ℃。

圖5 排氣溫度隨過冷流量的變化

圖6所示為制熱量隨過冷流量的變化。由圖6可看出，相同蒸發(fā)溫度下，過冷流量的增加會使制熱量降低。在蒸發(fā)溫度為-20 ℃～5 ℃時，過冷流量每增加0.005 m3/h，制熱量相應的平均降低2.5%；在蒸發(fā)溫度為-10 ℃時，過冷流量增加的對制熱量的降低影響最大。蒸發(fā)溫度在-10～5 ℃范圍內，最佳過冷流量為0.015 m3/h；蒸發(fā)溫度在-20～-15 ℃時，制熱量隨過冷流量的變化效果不再明顯。

圖6 制熱量隨過冷流量的變化

圖7所示為制熱COP隨過冷流量的變化。由圖7可看出，制熱COP的變化趨勢與制熱量的變化趨勢基本一致。相同蒸發(fā)溫度下，制熱COP隨著過冷流量的增加而降低。在蒸發(fā)溫度為-10 ℃時，過冷流量的增加對制熱COP的降低影響最大，在蒸發(fā)溫度為-15 ℃和-20 ℃的時候過冷流量的制熱COP影響最小。在蒸發(fā)溫度為-10～-5 ℃工況下，最佳過冷流量為0.015 m3/h，在-15 ℃和-20 ℃工況下，制熱COP隨過冷流量的變化不明顯。其原因是過冷流量增加，液體過冷度增大，但同時冷凝壓力降低，制熱量降低，壓縮機功率增加，制熱COP降低。

圖7 制熱COP隨過冷流量的變化

圖8所示為排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律。由圖8可知，蒸發(fā)溫度越低排氣溫度越高，當蒸發(fā)溫度低至-20 ℃以下時，單級壓縮機系統(tǒng)和過熱系統(tǒng)排氣溫度過高，系統(tǒng)運行惡化甚至無法運行，只有在過冷系統(tǒng)模式下才能安全運行，且過冷后排氣溫度仍達到120.6 ℃。在蒸發(fā)溫度為-15 ℃～5 ℃時，過冷系統(tǒng)的排氣溫度較普通單級運行降低4 ℃～6 ℃，在蒸發(fā)溫度為5 ℃時，過冷系統(tǒng)的排氣溫度降低最明顯，排氣溫度僅為68 ℃。在冷凝器后增設過冷器對系統(tǒng)低溫工況運行時排氣溫度過高有明顯的效果。

圖8 排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的變化

圖9所示為制熱量隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律。由圖9可看出，在相同運行模式下，制熱量都隨著蒸發(fā)溫度的升高而增加。但系統(tǒng)在過冷運行模式時，在不同的蒸發(fā)溫度下較普通單級運行模式相比，制熱量都降低。在蒸發(fā)溫度-15 ℃～5 ℃，過冷的制熱量平均降低5%，過冷在蒸發(fā)溫度-15 ℃時效果更明顯，降低約9.8%。

圖9 制熱量隨蒸發(fā)溫度的變化

圖10所示為制熱COP隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律。由圖10可看出，隨著蒸發(fā)溫度的升高，單級運行和過冷運行系統(tǒng)制熱COP呈上升趨勢。但較單級運行相比，過冷運行模式下制熱COP更低。在蒸發(fā)溫度為-15 ℃～5 ℃時，過冷后的制熱COP降低約3.2%。在蒸發(fā)溫度-15 ℃工況下，制熱COP降低達到14.4%。

圖10 制熱COP隨蒸發(fā)溫度的變化

5 結論

本文實驗研究了利用自然冷源過冷改善熱泵制熱性能影響，得出的結論如下：

（1）過冷對系統(tǒng)排氣溫度降低較明顯，非常適合如R32這種排氣溫度高的制冷劑制熱運行。隨著過冷流量的增加，排氣溫度的下降幅度越大。

（2）自然冷源過冷運行存在最佳過冷流量值。蒸發(fā)溫度在-10～5 ℃范圍內，過冷流量為0.015 m3/h時制熱量和制熱COP獲得最大值；蒸發(fā)溫度在-20～-15 ℃時，制熱量和制熱COP隨過冷流量的變化效果不明顯。

（3）相同工況下，與單級系統(tǒng)相比過冷系統(tǒng)的制熱量和制熱COP略有降低。在蒸發(fā)溫度為-15 ℃時降低最明顯，分別降低9.8%和14.4%。

[1] 冷天玖,韓雷濤,馬煌.非常規(guī)能源的開發(fā)及利用前景[J].農業(yè)工程技術:新能源產業(yè),2008,(6):26-29.

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Experimental Study on the Heating Performance of R32 Heat Pump Using Natural Cold Source

Huang Chengda Xu Shuxue Ma Guoyuan Cui Zengyan

( College ofEnvironmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124 )

The compression heat pump has high exhaust temperature when evaporation temperature is low, which seriously affects the stability of the operation of the unit, especially the R32 engineering quality. This paper presented a method to improve the thermal performance of low temperature and established the experimental table. In this paper, the compression heat pump refrigerant is R32. The heat pump was studied under sub-cooling and normal conditions, exhaust temperature, heat production, the change rule of the parameters such as heat COP.

heat pump; sub-cooling; R32; COP

1671-6612（2018）04-423-05

TM925.1/TU831.7

A

國家自然科學基金項目（編號51641602）；北京市教委科技計劃項目資助

黃成達（1976-），男，博士生，主要從事新能源，制冷熱泵技術研究

許樹學（1981-），男，講師，主要從事制冷、熱泵技術方面的研究，E-mail：xsx@bjut.edu.cn

2017-10-23