劉向龍，曾 智，王 艷，李文菁，曾麗萍，鄒 昊

(湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭 411104)

0 前言

空氣源熱泵熱水器是一種非常節(jié)能的制取熱水的設(shè)備，可從空氣吸收低位熱量而制取熱水用于供暖或者制取生活熱水.常規(guī)的空氣源熱泵在低溫高濕地區(qū)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜問題以及低溫環(huán)境下制熱效率急劇下降的問題.為此，很多機(jī)構(gòu)對(duì)于如何提升冬季的熱泵效率做了非常多的研究，利用補(bǔ)氣增焓技術(shù)提高冬季空氣源熱泵制熱是非常有效的途經(jīng)[1-3].

對(duì)于補(bǔ)氣增焓的準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵的研究，主要從理論分析或者實(shí)驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合研究的方式.對(duì)于準(zhǔn)二級(jí)壓縮補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的理論研究，早在2006年北京工業(yè)大學(xué)就有研究發(fā)現(xiàn)，通過前節(jié)流閃發(fā)器系統(tǒng)在低溫工況下可以提高空氣源熱泵的低溫制熱性能和運(yùn)行可靠性[4].天津商業(yè)大學(xué)通過對(duì)帶經(jīng)濟(jì)器的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分析,建立了帶經(jīng)濟(jì)器熱泵系統(tǒng)用渦旋壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型且根據(jù)模型的仿真結(jié)果給出了補(bǔ)氣口起始的角度和補(bǔ)氣口面積的計(jì)算式[5].北京大學(xué)做了類似的研究[6]，分析了準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性.依據(jù)上述的理論研究，很多學(xué)者對(duì)采用實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法對(duì)補(bǔ)氣增焓的準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵的系統(tǒng)進(jìn)行了研究.艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)(蘇州)研發(fā)有限公司結(jié)合噴氣增焓渦旋壓縮機(jī)技術(shù)[7],著重對(duì)帶閃發(fā)器的噴氣增焓熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的特有問題進(jìn)行了分析，為開發(fā)噴氣增焓的空氣源熱泵熱水機(jī)組中的應(yīng)用打下了很好的基礎(chǔ).廣東長菱空調(diào)冷氣機(jī)制造有限公司研制了低溫強(qiáng)熱型空氣源熱泵熱水器[8]，該系統(tǒng)能在-20～43 ℃環(huán)境下正常運(yùn)行,制取65 ℃的熱水.天津商業(yè)大學(xué)對(duì)以R32為工質(zhì)帶經(jīng)濟(jì)器的中間補(bǔ)氣壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究[9]，結(jié)果表明環(huán)境溫度在-6 ℃的條件下，該系統(tǒng)的制熱性能具有明顯的優(yōu)勢(shì).蘭州理工大學(xué)在蘭州地區(qū)建立了噴氣增焓空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)[10]，結(jié)果表明系效率在噴氣電磁閥關(guān)閉時(shí)基本呈線性變化關(guān)系，最高可達(dá)6.5.北京工業(yè)大學(xué)搭建了R134a為工質(zhì)的渦旋壓縮機(jī)閃蒸器補(bǔ)氣制冷/熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)壓縮機(jī)排氣溫度、功耗、制冷量、制熱量及制冷、制熱性能系數(shù)進(jìn)行研究[11].太原理工大學(xué)通過對(duì)某工程實(shí)例的運(yùn)行檢測(cè)，驗(yàn)證了噴氣增焓空氣源熱泵應(yīng)用于東北部分地區(qū)的技術(shù)可行性[12].

通過上述研究可知，利用補(bǔ)氣增焓技術(shù)可以提升冬季空氣源熱泵的效率，但是實(shí)驗(yàn)研究的測(cè)試方式都不相同，多關(guān)注系統(tǒng)的效率問題.如需將補(bǔ)氣增焓的準(zhǔn)二級(jí)壓縮進(jìn)行深入的熱力學(xué)研究，還需找出壓焓圖各個(gè)狀態(tài)點(diǎn).一般來說，如將噴氣增焓空氣源熱泵進(jìn)行壓力測(cè)試，測(cè)試程序和工藝較為復(fù)雜，很多測(cè)試機(jī)構(gòu)不提供類似服務(wù).針對(duì)上述問題，本文對(duì)補(bǔ)氣增焓的準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的壓縮機(jī)吸氣、排氣溫度、電子膨脹閥節(jié)流前、節(jié)流后溫度以及補(bǔ)氣溫度進(jìn)行測(cè)試，采用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的方式得出系統(tǒng)壓焓圖各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，最終求出系統(tǒng)的COP值.

1 準(zhǔn)二級(jí)壓縮補(bǔ)氣增焓熱泵熱水器測(cè)試原理

對(duì)于現(xiàn)有的準(zhǔn)二級(jí)壓縮補(bǔ)氣方式來說，一般采用谷輪壓縮機(jī)，將壓縮機(jī)的進(jìn)氣口采用2個(gè)進(jìn)氣口，中間進(jìn)氣口補(bǔ)氣.這種方式盡管系統(tǒng)復(fù)雜一些，但是能夠提升空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的熱效率.

1.1 準(zhǔn)二級(jí)壓縮補(bǔ)氣增焓熱泵熱水器系統(tǒng)

圖1所示的補(bǔ)氣增焓壓縮機(jī)出口的高溫高壓氣體分為兩部分，一部分經(jīng)過冷凝器經(jīng)膨脹閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，然后進(jìn)入壓縮機(jī)吸入端，另外一部分通過冷凝器后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器的閃發(fā)蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)的輔助吸入口補(bǔ)氣.系統(tǒng)一方面通過提高蒸發(fā)器過冷度增加了熱泵機(jī)組在空氣中吸收熱量的能力，另一方面也通過補(bǔ)氣系統(tǒng)提高進(jìn)入壓縮機(jī)工質(zhì)的溫度，從而增加系統(tǒng)的效率.這是對(duì)冬季提升空氣源熱泵的一個(gè)嘗試，從實(shí)際效果來說，運(yùn)行較為穩(wěn)定，系統(tǒng)效率及防霜效果良好.

圖1 準(zhǔn)二級(jí)壓縮補(bǔ)氣增焓熱泵熱水器系統(tǒng)圖

根據(jù)圖1的準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成壓焓圖如圖2所示.本文采用閃蒸器前節(jié)流的噴氣增焓系統(tǒng)，從冷凝器冷凝之后的質(zhì)量流量為m+i的液體經(jīng)過膨脹閥第一次節(jié)流后進(jìn)入閃蒸器，在閃蒸器中制冷劑分成兩部分:(1)主回路部分，質(zhì)量流量為m的飽和液體，再經(jīng)第二次膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器中吸熱，最后進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口;(2)補(bǔ)氣回路部分，質(zhì)量流量為i的某一中壓壓力下的飽和蒸汽，經(jīng)過截止閥后被壓縮機(jī)補(bǔ)氣口吸入，與主回路部分的氣體混合后進(jìn)行壓縮.在工質(zhì)混合過程中壓力值變化不明顯，故可將其視為等壓過程.

圖2 補(bǔ)氣增焓準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)工作循環(huán)壓焓圖

1.2 準(zhǔn)二級(jí)壓縮補(bǔ)氣增焓熱泵熱水器測(cè)試計(jì)算原理

如將上述壓焓圖進(jìn)行熱力學(xué)分析，要將狀態(tài)點(diǎn)全部獲取，需要建立試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算.一般來說，建立試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試氟利昂系統(tǒng)，需將所有狀態(tài)點(diǎn)的壓力和溫度測(cè)得，還需對(duì)系統(tǒng)各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的關(guān)系進(jìn)行分析.根據(jù)理論分析，可以找出系統(tǒng)間的熱力學(xué)關(guān)系，從而找出最簡(jiǎn)單的測(cè)試方法.對(duì)于工程應(yīng)用，需要作出如下假定：(1)假定蒸發(fā)器出口的過熱段的壓力不變；(2)假定冷凝器的的壓力不變；(3)假定補(bǔ)氣增焓壓縮過程中為定熵壓縮，且補(bǔ)氣前后的熵不變.因此，本文根據(jù)測(cè)試原理圖布置好五個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)試壓縮機(jī)吸氣、排氣溫度、電子膨脹閥節(jié)流前、節(jié)流后溫度以及壓縮機(jī)補(bǔ)氣溫度，共對(duì)應(yīng)的溫度用t1、t3、t4、t5′、t6表示.

依據(jù)測(cè)得的溫度參數(shù)t1、t3、t4、t5′、t6，直接通過壓焓圖查得各個(gè)點(diǎn)的壓力參數(shù)：P1、P2、P2′、P4′、P5、P5′，可以查出對(duì)應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)1、5、6點(diǎn).壓焓圖對(duì)應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)2、2′、3、4、4′、5′還需進(jìn)行計(jì)算獲得.

狀態(tài)點(diǎn)2點(diǎn)(假定系統(tǒng)屬于等熵壓縮)：

S2=S1

(1)

圖3 準(zhǔn)二級(jí)壓縮補(bǔ)氣增焓熱泵熱水器測(cè)試計(jì)算原理圖

假定狀態(tài)點(diǎn)2′點(diǎn)到3點(diǎn)的壓縮過程為等熵壓縮，且假定S2=S1=S2′=S3，則狀態(tài)點(diǎn)2′點(diǎn)：

S2′=S1

(2)

(3)

狀態(tài)點(diǎn)3點(diǎn)：

S3=S1

(4)

狀態(tài)點(diǎn)4點(diǎn)：

P4=P3

(5)

狀態(tài)點(diǎn)4′點(diǎn)：

h4=h4′

(6)

狀態(tài)點(diǎn)5′點(diǎn)：

h5=h5′

(7)

將上述循環(huán)過程中的狀態(tài)點(diǎn)代入到產(chǎn)熱過程，可以得出循環(huán)的產(chǎn)熱量：

Q=(m+i)(h3-h4)

(8)

做功過程為：

W0=(m+i)(h3-h2′)+m(h3-h2′)

(9)

因此，

(10)

式中，ηR為熱泵效率，本文取0.8.

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證

本文根據(jù)圖3所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程，對(duì)某廠家的準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試的準(zhǔn)二級(jí)壓縮的空氣源熱泵熱水器的基本參數(shù)如表1所示.

表1 測(cè)試機(jī)型參數(shù)

2.1 測(cè)試狀態(tài)點(diǎn)布置

根據(jù)測(cè)試原理圖布置好五個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)試壓縮機(jī)吸氣、排氣溫度、電子膨脹閥節(jié)流前、節(jié)流后溫度以及補(bǔ)氣溫度.上述溫度也就是系統(tǒng)圖上對(duì)應(yīng)的t1、t3、t4、t5′、t6，則測(cè)試布點(diǎn)情況如圖4所示.

圖4 準(zhǔn)二級(jí)壓縮補(bǔ)氣增焓熱泵熱水器測(cè)點(diǎn)布置圖

根據(jù)圖4的測(cè)試點(diǎn)布置要求，圖5與圖6為供回水管接頭與感溫探頭的保溫處理.測(cè)試線為導(dǎo)線，溫度測(cè)試探頭為導(dǎo)線的裸露金屬絲，將探頭與測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，探頭緊貼熱水機(jī)銅管外管壁，用鋁箔紙及絕緣膠帶固定，并用發(fā)泡材料進(jìn)行保溫處理.測(cè)試時(shí)，開啟試驗(yàn)室頂部的環(huán)控系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)室進(jìn)行降溫，并開啟水泵及熱泵熱水器.

圖5 供回水管接頭測(cè)點(diǎn)與保溫處理

圖6 銅管感溫探頭保溫處理

2.2 測(cè)試工況及測(cè)試數(shù)據(jù)

由于測(cè)試是在焓差室測(cè)量，故可以調(diào)整冷凝器的空氣溫度.經(jīng)過一段時(shí)間降溫后，試驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值的要求.本次實(shí)驗(yàn)共計(jì)測(cè)試了5種工況，具體情況如表2所示.

表2 測(cè)試工況表

本次測(cè)試試驗(yàn)主要目的在于，測(cè)試該機(jī)組在南方地區(qū)濕冷氣候條件下的結(jié)霜和化霜性能.測(cè)試工況一和工況二通過控制裝置保持環(huán)境干濕球溫度不變，而改變并控制進(jìn)出水溫度，從工況一的進(jìn)出口水溫15 ℃/20 ℃，改為工況二的進(jìn)出口水溫50 ℃/55 ℃.測(cè)試工況三則是在極端條件下的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試在湖南地區(qū)這種條件下空氣源熱泵熱水器的性能.根據(jù)《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)》(GB/T 21362—2008)中的相關(guān)規(guī)定，環(huán)境干球溫度設(shè)置為2 ℃，濕球溫度為1 ℃時(shí)的情況下最容易結(jié)霜，測(cè)試工況四與工況五在此情況下做了測(cè)試.

2.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

依據(jù)表2的5種測(cè)試工況，對(duì)測(cè)得的溫度參數(shù)t1、t3、t4、t5′、t6進(jìn)行分析，研究不同工況下各個(gè)溫度參數(shù)的變化情況.由于各個(gè)溫度之間波動(dòng)較大，且由于時(shí)間的關(guān)系，測(cè)試的工況參數(shù)有限，故本文采用壓縮機(jī)吸氣溫度作為基準(zhǔn)溫度，與其他幾個(gè)溫度進(jìn)行對(duì)比分析.

從圖7可以看出，冷凝器與蒸發(fā)器的換熱端的溫度對(duì)壓縮機(jī)吸氣溫度t1、壓縮機(jī)排氣溫度t3影響較大，測(cè)試工況一與測(cè)試工況二其他參數(shù)都相同，工況二的冷凝器進(jìn)出口水溫，兩者差距不大，排氣溫度略有上升.從圖7可知，當(dāng)壓縮機(jī)的吸氣溫度升高對(duì)應(yīng)的排氣溫度下降，吸氣溫度下降排氣溫度反而上升，這說明當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，壓縮機(jī)的壓比會(huì)急劇上升，系統(tǒng)的效率會(huì)持續(xù)下降.與此對(duì)應(yīng)的節(jié)流閥前的溫度t4與壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度成正比；經(jīng)過兩次節(jié)流后的溫度t5′，根據(jù)環(huán)境溫度的變化而自我調(diào)整，目的是為了從室外吸收熱量；補(bǔ)氣溫度t6則是一次節(jié)流后的溫度，與t5′的變化趨勢(shì)一致.

在環(huán)境干球溫度為2 ℃，濕球溫度為1 ℃的濕冷環(huán)境中運(yùn)行的熱水器風(fēng)冷翅片上出現(xiàn)結(jié)霜，但是霜層比較薄.其中，正面翅片為分層結(jié)霜，結(jié)霜部位出現(xiàn)在翅片的上半部分，下半部分未結(jié)霜；背面翅片基本都結(jié)了霜.結(jié)霜一段時(shí)間后機(jī)組進(jìn)入化霜工況，化霜時(shí)間很短，僅需要5 min左右的時(shí)間，化霜后機(jī)組很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).試驗(yàn)中先后進(jìn)行了兩次除霜，在整個(gè)過程中機(jī)組運(yùn)行狀況良好.

2.4 測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證

通過上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)圖3可以求取各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行熱力學(xué)分析.本文主要研究的目的是驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)方法是否正確，故將最終以狀態(tài)點(diǎn)計(jì)算出來的COP(公式10)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量出來的COP進(jìn)行比較.

從圖8看出，環(huán)境溫度與COP值是成正比，當(dāng)環(huán)境溫度是20 ℃時(shí)的系統(tǒng)COP超過6，而溫度為2 ℃時(shí)，系統(tǒng)的COP值為2.0左右，這說明空氣源熱泵對(duì)環(huán)境的溫度要求很高.如果用很小的代價(jià)來提升環(huán)境溫度，可以很好的提升系統(tǒng)的熱效率.由于補(bǔ)氣增焓的作用，環(huán)境溫度為-10 ℃時(shí)，系統(tǒng)的效率在2左右，這說明補(bǔ)氣增焓對(duì)于空氣源熱泵在超低溫狀態(tài)時(shí)也能正常運(yùn)行.從計(jì)算的COP與測(cè)試的COP之間對(duì)比看出，本文提出的測(cè)試方法較為可行，盡管ηR的選取偏小，但是計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況.

圖7 t1與t3、t4、t5′、t6之間的關(guān)系

圖8 環(huán)境溫度與COP之間的關(guān)系

3 結(jié)論

本文提出了一種簡(jiǎn)單測(cè)試補(bǔ)氣增焓空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的方法，即測(cè)試壓縮機(jī)吸氣、排氣溫度、電子膨脹閥節(jié)流前、節(jié)流后的溫度以及補(bǔ)氣溫度，通過測(cè)試上述5個(gè)溫度來確定系統(tǒng)壓焓圖上的各點(diǎn)參數(shù)，從而計(jì)算系統(tǒng)COP值.通過理論和實(shí)驗(yàn)的測(cè)量，得出下列結(jié)論：

(1)測(cè)試壓縮機(jī)吸氣、排氣溫度、電子膨脹閥節(jié)流前、節(jié)流后的溫度以及補(bǔ)氣溫度這5個(gè)溫度來確定系統(tǒng)壓焓圖上的各點(diǎn)參數(shù)方法是可行的，與實(shí)際測(cè)量的COP值的誤差較??；

(2)對(duì)于補(bǔ)氣增焓準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵熱水器來說，系統(tǒng)在環(huán)境溫度-10 ℃的情況下能夠正常運(yùn)行，說明該方法能夠提升空氣源熱泵冬季效率；

(3)環(huán)境溫度對(duì)空氣源熱泵的效率影響很大，提高進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣溫度是提升空氣源熱泵效率有效的途經(jīng).