夏 寬，陳健勇，徐嘉鋮，李緒雄，郭長旭，陳 穎，羅向龍

（廣東工業(yè)大學 材料與能源學院，廣東 廣州 510006）

分液冷凝是一種管內(nèi)強化冷凝傳熱方法[1]，通過氣液分離器將冷凝過程中的氣體和液體分離，并排出冷凝液，高干度氣體進入下一管程繼續(xù)冷凝，維持高傳熱系數(shù)；同時由于不斷排出冷凝液，減少了進入下一流程的制冷劑流量，有效降低了氣液兩相的流動阻力。Zhong等[2]通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)當進口制冷劑流速高于590 kg·m-2·s-1時，分液冷凝器的傳熱系數(shù)比普通冷凝器高，壓降比普通冷凝器低30.5%～52.6%。朱康達等[3]計算了7種不同結(jié)構(gòu)分液板式冷凝器，發(fā)現(xiàn)分液效率越高，換熱性能越好。華楠[4]發(fā)現(xiàn)在相同工況和結(jié)構(gòu)尺寸條件下，分液冷凝器的傳熱系數(shù)比普通冷凝器可提高34.6%，總壓降可降低74.4%，證實了分液冷凝對冷凝器性能的改善。

學者們對采用分液冷凝器的空調(diào)系統(tǒng)性能進行了深入研究。Chen等[5]用分液冷凝器替換空調(diào)系統(tǒng)原冷凝器，試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)能效相當時，分液冷凝器的換熱面積僅為原冷凝器的63.1%，制冷劑充注量僅為原系統(tǒng)的80.3%。Li等[6]發(fā)現(xiàn)使用等面積分液冷凝器的空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)比原系統(tǒng)高6.6%。Chen等[7]將等面積分液換熱器替換原熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的室外換熱器，試驗發(fā)現(xiàn)，制冷模式下系統(tǒng)能效(Energy Efficiency Ratio，EER)提升了9.8%，制熱模式下系統(tǒng)能效(Coefficient of Performance，COP)提升了7.4%。目前研究集中于定頻空調(diào)系統(tǒng)中，尚無分液換熱器在變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的研究。針對變頻空調(diào)系統(tǒng)在不同地區(qū)的全年能源消耗效率(Annual Performance Factor，APF)計算，則能反映出系統(tǒng)實際運行性能的地域差異。

本文針對帶分液換熱器的變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)，首先進行了系統(tǒng)匹配研究，確定了最佳毛細管長度和制冷劑充注量；然后依據(jù)國標GB 21455——2013[8]在不同的制冷、制熱工況下對系統(tǒng)進行試驗測試；最后對變頻空調(diào)的APF進行了計算，并對比了在我國5個氣候區(qū)域中不同城市實際運行效果[9]。

1 試驗介紹

1.1 試驗樣機

本文采用的管翅式分液換熱器，具體參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)如圖1所示，管程分布為8-6-5-3-2。分液換熱器由平行流換熱單元和左右聯(lián)箱組成，聯(lián)箱內(nèi)設置分液隔板與盲板，將換熱單元分成不同的管程。在制冷模式下，室外換熱器作為冷凝器，制冷劑氣體從右上入口進入平行流換熱器的第一流程(向左移動)并部分冷凝，由于左聯(lián)箱的第二管程入口處設置有分液隔板，氣體和液體在此進行氣液分離，液體沿小孔流入下一聯(lián)箱，剩余的氣體則進入第二管程(向右移動)繼續(xù)冷凝。第三管程流動情況類似。第四管程入口處設置有盲板，第三管程流出的制冷劑與從第一管程分離的液體在此混合，繼續(xù)向右流動并冷凝。最后所有制冷劑在最下方匯聚于兩根蛇形管中，實現(xiàn)完全冷凝或過冷。在制熱模式下，室外分液換熱器作為蒸發(fā)器，從節(jié)流閥出來的兩相制冷劑從底端入口流入，經(jīng)過一段蛇形管后進入分液聯(lián)箱，在分液隔板處受重力和壓差等影響，管程內(nèi)的制冷劑流量和干度將重新分配，對蒸發(fā)器的換熱性能產(chǎn)生影響。

表1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Heat exchanger structure parameters

圖1 分液換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of liquid separation heat exchanger structure

1.2 試驗平臺介紹

焓差實驗平臺和測試設備如圖2所示，變頻空調(diào)系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、毛細管、蒸發(fā)器和過濾器等其他附件組成。蒸發(fā)器和分液換熱器分別置于室內(nèi)、室外環(huán)境室中，并由隔熱層包裹的銅管連接。測量不確定度如表2[10-11]所示。

圖2 試驗平臺原理圖Fig.2 Schematic diagram of test platform

表2 測量精度和不確定度Table 2 Measurement accuracy and uncertainty

1.3 試驗方法

按照國家標準GB/T 7725——2004[12]，在制冷模式的額定工況下，室內(nèi)干球、濕球溫度分別為27，19 ℃，室外的干球、濕球溫度分別35，24 ℃；在制熱模式的額定工況下，室內(nèi)干球、濕球溫度分別為20，15 ℃，室外的干球、濕球溫度分別為7，6 ℃。

所使用分液變頻空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量和毛細管長度需要進行匹配，以達到最佳的系統(tǒng)性能。在制冷模式下運行時，制冷劑充注量以50 g的增量變化；毛細管長度每次增加50 mm，得出制冷模式下最佳EER。然后對制熱性能進行匹配，由于充注量已經(jīng)確定，只需改變毛細管長度，每次改變50 mm，找出最佳制熱能效COP。完成匹配后，再調(diào)整變頻壓縮機頻率，使其制冷量與制熱量分別為額定工況下的1/2，得到系統(tǒng)中間制冷、中間制熱的性能。

1.4 數(shù)據(jù)處理

制冷模式下系統(tǒng)的EER和制熱模式下系統(tǒng)的COP計算公式為

式中Qe、Qh、W分別表示制冷量(W)、制熱量(W)、系統(tǒng)耗功(W)；EER和COP的不確定度為±3.9%[9]。

根據(jù)國標GB 21455——2013[8]，轉(zhuǎn)速可控型熱泵空調(diào)采用全年能源消耗效率指標(APF)來考核系統(tǒng)能效，由式(3)計算。本文基于國標GB 21455——2013中對APF計算的規(guī)定，同時考慮各地區(qū)空調(diào)制冷、制熱季節(jié)運行時間，編寫了季節(jié)能效比計算軟件，如圖3所示，可用來計算變頻空調(diào)在不同地區(qū)運行的季節(jié)能效比。

其中CSTL、HSTL分別表示制冷、制熱季節(jié)總負荷，CSTE、HSTE分別表示制冷、制熱季節(jié)耗電量。

圖3 變頻空調(diào)器季節(jié)能效比計算軟件Fig.3 Annual performance factor calculation software

為驗證上述APF軟件計算的準確性，本文采用朱玉鑫等[13]的9組實驗數(shù)據(jù)和張海云等[14]的1組實驗數(shù)據(jù)作為輸入，并與文中的結(jié)果比較，結(jié)果一致。如表3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)匹配

在制冷額定工況下，系統(tǒng)制冷劑充注量和毛細管長度的匹配如圖4所示。圖4(a)表示對于特定的毛細管長度，隨制冷劑充注量的增加，制冷量先增加后降低。這是由于充注量過低時，系統(tǒng)制冷劑流量不足，流量隨充注量的增加而增加；當制冷劑充注過多時，制冷劑會積聚在換熱器中，導致有效換熱面積減少，從而引起制冷量下降。圖4(b)表示耗功隨著制冷劑充注量增加而增加，這由于制冷劑流量增加所致。而EER是由制冷量和耗功共同作用的結(jié)果，如圖4(c)所示，當毛細管長度為800 mm、充注量為800 g時，系統(tǒng)具有最大制冷能效(EER)，為2.57。

表3 APF計算結(jié)果比較Table 3 Comparison of APF calculation results

基于制冷模式下所確定的制冷劑充注量800 g，對制熱模式下的毛細管長度進行匹配。如表4所示，隨著毛細管長度的增加，制熱量表現(xiàn)出先增加后減少再增加的趨勢。系統(tǒng)耗功和COP的變化與制熱量呈現(xiàn)出相同規(guī)律，且最大值和最小值都分別出現(xiàn)在毛細管長度為700，800 mm處。

2.2 不同工況的系統(tǒng)性能

系統(tǒng)的不同工況性能對比如表5所示。在制冷工況時，系統(tǒng)額定頻率為60 Hz，當系統(tǒng)頻率調(diào)整為26 Hz時制冷量約為額定制冷量的一半，此時為中間制冷，制冷量減少48.6%，耗功減少58.9%。由于耗功減少幅度更大，EER反而增加了24.9%。類似的在制熱工況時，壓縮機頻率減少52.7%時，制熱量減少50%，耗功減少55.4%，由于耗功減少幅度更大，COP反而增加了11.96%。這是因為壓縮機運行頻率的增加雖然能提升制冷、制熱量，但同時壓縮機自身耗功也會大幅增加，最終系統(tǒng)能效比受制冷量/制熱量、耗功變化的綜合影響。

圖4 分液變頻空調(diào)系統(tǒng)制冷匹配規(guī)律Fig.4 Refrigeration matching law of air-conditioning system

表4 分液變頻空調(diào)系統(tǒng)制熱匹配規(guī)律Table 4 Heating matching law of liquid-split inverter air conditioning system

表5 變工況性能對比Table 5 Performance comparison under variable conditions

2.3 不同地域的系統(tǒng)APF對比

本文根據(jù)中國建筑氣候分區(qū)[15]，在5個不同氣候區(qū)域中分別選取2個代表性城市，由《中國建筑環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[16-17]分別獲得5個氣候區(qū)域中10個典型城市的全年逐時氣候數(shù)據(jù)。

參照《GB 17758——2010 單元式空氣調(diào)節(jié)機》[18]，制冷季節(jié)內(nèi)，取外部環(huán)境≥24 ℃為開機制冷時間；制熱季節(jié)內(nèi)，取外部環(huán)境溫度≤16 ℃為開機制熱時間，統(tǒng)計得到10個城市及全國的變頻空調(diào)器制冷、制熱運行時間曲線，分別如圖5(a)、(b)所示。

圖5 運行時間曲線圖Fig.5 Running time graph

通過計算，得到了空調(diào)系統(tǒng)在10個城市運行的APF，如圖6所示。由圖可知，在嚴寒地區(qū)的沈陽有最低值2.81，在溫和地區(qū)的騰沖有最大值3.67。10個城市的平均APF值為3.29，與國標計算的APF相差3.8%，可以看出采用國標規(guī)定的運行時間計算出的APF可以較準確地反映系統(tǒng)在全國運行的平均性能。但國標得出的APF值3.17與騰沖的APF(3.67)和沈陽的APF值(2.81)分別相差15.8%、12.6%，所以采用不同地域運行時間單獨計算APF是很有必要的。

圖6 各地按照實際運行的APF對比Fig.6 Comparison of APF of actual operation in various regions

3 結(jié)論

通過對分液變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷、制熱系統(tǒng)性能進行的試驗研究，可以得出如下結(jié)論：

(1) 系統(tǒng)最佳的充注量為800 g，最佳毛細管長度在制冷模式和制熱模式下分別為800 mm和700 mm；

(2) 在額定工況下，系統(tǒng)制冷能效與制熱能效分別為2.57和3.68；在中間制冷、制熱模式下，它們分別是3.21和4.12；

(3) 地域氣候差異對系統(tǒng)全年能效比的影響不可忽視，在騰沖的APF值最高，為3.67。