空氣源熱泵R22與R134a富余充注量利用的比較研究

程浩

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

空氣源熱泵R22與R134a富余充注量利用的比較研究

程浩

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

以R22和R134a兩種制冷劑為研究對(duì)象，對(duì)二者在冬季制熱工況下的富余充注量分別應(yīng)用于空氣源熱泵熱氣旁通除霜、顯熱除霜、過(guò)冷放熱除霜三種模式中的熱量利用率、耗熱率以及理論制熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明：在控制制冷劑流量的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)正常制熱運(yùn)行時(shí)，富余制冷劑充注量應(yīng)用于三種除霜模式都能有效地抑制室外換熱器表面的結(jié)霜，其中制冷劑過(guò)冷放熱除霜法最佳，定時(shí)除霜時(shí)，顯熱除霜所用時(shí)間最短；另外，在三種不同的除霜模式下，R22的熱效率均高于R134a，定時(shí)除霜時(shí)，R134a的除霜時(shí)間均少于R22。

空氣源熱泵 富余制冷劑充注量 熱效率 除霜時(shí)間

0 引言

空氣源熱泵是一種節(jié)能環(huán)保的綠色空調(diào)技術(shù)，其最大優(yōu)點(diǎn)是可冬夏共用、安裝方便、節(jié)省建筑面積。但其缺點(diǎn)是當(dāng)空氣源熱泵的空氣側(cè)表面換熱器的溫度低于0℃時(shí)，換熱器表面就有可能會(huì)結(jié)霜，導(dǎo)致熱泵的制熱量以及性能系數(shù)下降[1]。所以室外換熱器結(jié)霜時(shí)，必須采取有效的除霜方式除掉換熱器外面的霜層。逆循環(huán)除霜法目前從節(jié)能上考慮，已很少使用，而近年來(lái)熱氣旁通除霜法得到了較多的應(yīng)用[2]。此外，梁彩華、張小松提出了一種新型的除霜方法——顯熱除霜，并對(duì)此方式進(jìn)行了理論分析和對(duì)比試驗(yàn)研究[3～5]。王鴻雁提出了利用制冷劑過(guò)冷所放出的熱量來(lái)解決冬季空氣源熱泵結(jié)霜的問(wèn)題[6]。

文獻(xiàn)[7]中以R22為制冷劑工質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出在熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中制熱工況下空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑充注量比制冷工況下所需的量要少，兩者差值為0.316kg，所以需要對(duì)制熱工況下富余出來(lái)的制冷劑量進(jìn)行有效的控制。而冬季室外溫度較低時(shí)需要進(jìn)行定期除霜，因此可對(duì)富余的制冷劑流量進(jìn)行有效的利用，將其應(yīng)用于不同的除霜模式。本文對(duì)R22和R134a兩種制冷劑進(jìn)行研究，將其制熱時(shí)富余的制冷劑流量應(yīng)用于不同除霜模式中，通過(guò)比較二者的熱效率和除霜時(shí)間，得出最佳除霜方式以及適用的制冷劑類型。

1 計(jì)算工況

實(shí)驗(yàn)表明，在不同的相對(duì)濕度下，空氣的嚴(yán)重結(jié)霜區(qū)均為0～3℃，此溫度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度越大，結(jié)霜速度越快[8]。本文研究過(guò)程中，假設(shè)制冷劑蒸發(fā)溫度與換熱器冷表面溫度近似相等，令風(fēng)冷熱泵在嚴(yán)重結(jié)霜區(qū)運(yùn)行。設(shè)空氣進(jìn)蒸發(fā)器的溫度為3℃，相對(duì)濕度為90%，出蒸發(fā)器的溫度為0℃。

分別以R22與R134a為制冷劑進(jìn)行研究，制熱時(shí)的計(jì)算工況：冷凝溫度tk=45℃；蒸發(fā)溫度t0=-5℃；過(guò)冷溫度tsc=40℃；過(guò)熱溫度tsh=0℃；壓縮機(jī)排氣溫度為80℃。正常制熱循環(huán)時(shí)制冷劑的質(zhì)量流量為Ge= 0.05440kg/s，制冷循環(huán)時(shí)制冷劑的質(zhì)量流量 Gl= 0.08905kg/s，所以控制的那部分富余的制冷劑流量為Gi=0.03465kg/s。圖1是常規(guī)熱泵空調(diào)系統(tǒng)示意圖，圖2是常規(guī)熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)圖。

圖1 常規(guī)熱泵空調(diào)系統(tǒng)示意圖

圖2 常規(guī)熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)圖

使用焓濕圖查得標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)出口空氣的狀態(tài)參數(shù)為：hr=13.71kJ/kg干空氣、dr=4.26g/kg干空氣、hc=9.44kJ/kg干空氣、dc=3.78g/kg干空氣（hr、dr、hc、dc分別為蒸發(fā)器入口處空氣的焓值、蒸發(fā)器入口處空氣的含濕量、蒸發(fā)器出口處空氣的焓值、蒸發(fā)器出口處空氣的含濕量）。則對(duì)于R22，各狀態(tài)點(diǎn)焓值h1、h2、h2’、h3、h4分別為409.443kJ/kg、451.480kJ/kg、417.263kJ/kg、249.678kJ/kg、249.678kJ/kg；對(duì)于R134a，各狀態(tài)點(diǎn)焓值h1、h2、h2’、h3、h4分別為400.022kJ/kg、460.122kJ/kg、421.520kJ/kg、256.3832kJ/kg、256.3832kJ/kg。

2 富余制冷劑流量的利用

2.1 熱氣旁通法

制冷劑流量控制法應(yīng)用于熱氣旁通除霜的原理是將從壓縮機(jī)出來(lái)的一部分高溫高壓氣體直接旁通到室外換熱器中進(jìn)行融霜，剩下的大部分制冷劑進(jìn)行正常的制熱循環(huán)。旁通的制冷劑流量為Gi，正常制熱循環(huán)的制冷劑流量為Ge。圖3是熱氣旁通除霜系統(tǒng)示意圖，圖4是熱氣旁通除霜系統(tǒng)循環(huán)圖。

圖3 熱氣旁通除霜系統(tǒng)示意圖

圖4 熱氣旁通除霜系統(tǒng)循環(huán)圖

1-1’-2-3-4-1是正常的制熱過(guò)程，正常制熱循環(huán)的制冷劑流量為Ge；1’-2-2’-1’是熱氣旁通除霜過(guò)程，旁通的制冷劑流量為Gi。

蒸發(fā)器中的蒸發(fā)熱量：

式中：q0p為制冷劑單位質(zhì)量的蒸發(fā)吸熱量。

蒸發(fā)器所對(duì)應(yīng)的風(fēng)量：

蒸發(fā)器結(jié)霜量：

融霜所需的熱量：

式中：Cpf為霜層的平均比熱，2.1kJ/(kg·K)；tf為霜層的平均溫度，-5℃；rf為霜的融化熱，335kJ/kg。

將相關(guān)數(shù)值代入式（1）～（4）得：采用R22融霜所需的熱量qmp=0.338kW，采用R134a融霜所需的熱量qmp=0.303kW。

熱氣旁通放熱量：

計(jì)算得：對(duì)于R22，qfp=1.186kW；對(duì)于R134a，qfp=1.338kW。通過(guò)比較得：qfp＞qmp，這說(shuō)明熱氣旁通量足以融化蒸發(fā)器表面上的霜，能夠有效地抑制結(jié)霜。

旁通熱量利用率：

計(jì)算得：對(duì)于R22，ηp=28.50%；對(duì)于R134a，ηp= 22.68%。

房間供熱量：

式中：qkp為制冷劑單位質(zhì)量的冷凝放熱量。計(jì)算得：對(duì)于R22，QKp=10.978kW；對(duì)于R134a，QKp=8.572kW。

除霜耗熱率：

計(jì)算得：對(duì)于R22，η'p=9.75%；對(duì)于R134a，η'p= 13.50%。

1’的焓值：

計(jì)算得：對(duì)于R22，h1'=412.486kJ/kg；對(duì)于R134a，h1'=408.387 kJ/kg。

壓縮機(jī)功率：

計(jì)算得：對(duì)于R22，WCp=3.470kW；對(duì)于R134a，WCp=4.188kW。

理論制熱系數(shù)：

計(jì)算得：對(duì)于R22，εthp=3.163；對(duì)于R134a，εthp= 2.047。

2.2 顯熱除霜法

顯熱除霜的工作原理是將從壓縮機(jī)出來(lái)的高溫高壓制冷劑過(guò)熱蒸汽經(jīng)過(guò)電子膨脹閥變成低溫低壓的制冷劑過(guò)熱蒸汽送入蒸發(fā)器的結(jié)霜部分進(jìn)行除霜。圖5是顯熱除霜系統(tǒng)示意圖，圖6是顯熱除霜系統(tǒng)循環(huán)圖。

圖5 顯熱除霜系統(tǒng)示意圖

圖6 顯熱除霜系統(tǒng)循環(huán)圖

1-1’’-2-3-4-1為正常制熱循環(huán)過(guò)程，1’’-2-2’’-3’’-1’’為顯熱除霜循環(huán)過(guò)程。2-2’’過(guò)程中，R22的壓力降為0.4MPa，R134a的壓力降為0.2MPa，比正常制熱時(shí)蒸發(fā)器內(nèi)的壓力略低，可避免制冷劑放出潛熱冷凝的現(xiàn)象；2’’-3’’的過(guò)程中R22所對(duì)應(yīng)的飽和溫度為-6.51℃，R134a所對(duì)應(yīng)的飽和溫度為-7.64℃，比霜層的溫度-5℃要低，所以R22與R134a放熱后所能達(dá)到的最低溫度就是-5℃，即制冷劑在蒸發(fā)器中不會(huì)放出冷凝熱。顯熱除霜方式中，由于除霜時(shí)的壓力比蒸發(fā)壓力略低，所以混合后氣體狀態(tài)點(diǎn)1’’比狀態(tài)點(diǎn)1的壓力和溫度都要低一些，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣壓力和溫度會(huì)有所降低。通過(guò)壓焓圖計(jì)算得：R22：h2''=451.480kJ/kg，h3'' =406.449kJ/kg；R134a：h2'' =460.122kJ/kg，h3'' = 396.9442kJ/kg

根據(jù)壓焓圖可知，在相同的計(jì)算工況下顯熱除霜和熱氣旁通除霜的制熱量相同，蒸發(fā)量相同，所以二者所需的融霜熱量也相同。R22：Qkx=Qkp=10.978kW，qmx= qmp=0.338 kW；R134a：Qkx=Qkp=8.572kW，qmx=qmp=0.303 kW。

顯熱除霜的放熱量：

計(jì)算得：對(duì)于R22，qfx=1.560kW；對(duì)于R134a，qfx= 2.189kW。

通過(guò)比較得：qfx＞qmx。這說(shuō)明制冷劑的顯熱放熱量足以融化蒸發(fā)器表面的霜，能夠有效地抑制結(jié)霜。

顯熱放熱量利用率：

計(jì)算得：對(duì)于R22，ηx=21.66%；對(duì)于R134a，ηx= 13.84%。

除霜耗熱率：

計(jì)算得：對(duì)于R22，η'x=12.44%；對(duì)于R134a，η'x= 20.34%。

1’’的焓值：

計(jì)算得：對(duì)于R22，h1''=408.278kJ/kg；對(duì)于R134a，h1''=398.824kJ/kg。

壓縮機(jī)功率：

計(jì)算得：對(duì)于R22，WCx=3.845kW；對(duì)于R134a，WCx=5.459kW。

理論制熱系數(shù)：

計(jì)算得：對(duì)于R22，εthx=2.855；對(duì)于R134a，εthx= 1.570。

2.3 制冷劑過(guò)冷放熱除霜法

制冷劑過(guò)冷除霜的原理是將從冷凝器中出來(lái)的制冷劑過(guò)冷液體直接送入蒸發(fā)器放熱融霜。令制冷劑在蒸發(fā)器中除霜時(shí)過(guò)冷到28℃。圖7是制冷劑過(guò)冷放熱除霜系統(tǒng)示意圖，圖8是制冷劑過(guò)冷放熱除霜循環(huán)圖。

圖7 制冷劑過(guò)冷放熱除霜系統(tǒng)示意圖

圖8 制冷劑過(guò)冷放熱除霜循環(huán)圖

正常的制熱循環(huán)為1-2-3-4-1，增加了制冷劑過(guò)冷放熱除霜的循環(huán)為1-2-3-5-6-1。通過(guò)壓焓圖計(jì)算得：h5=h6=233.702kJ/kg。h5=h6=238.840kJ/kg。

將相關(guān)數(shù)值代入得：對(duì)于R22，qmg=0.371kW；對(duì)于R134a，qmg=0.341 kW。

制冷劑過(guò)冷放熱量：

計(jì)算得：對(duì)于R22，qfg=0.869kW；對(duì)于R134a，qfg= 0.954kW。

通過(guò)比較得：qfg＞qmg。這說(shuō)明只需要在正常的制熱循環(huán)中增加一段制冷劑過(guò)冷放熱除霜循環(huán)，即可有效地融化蒸發(fā)器表面的霜。那么制熱時(shí)這部分富余的制冷劑流量即可用來(lái)作為液態(tài)制冷劑噴射冷卻壓縮機(jī)，降低壓縮機(jī)的排氣溫度和焓值，使壓縮機(jī)在低溫制熱的工況下穩(wěn)定高效的安全運(yùn)行。

本文將制冷劑噴射過(guò)程當(dāng)做壓縮機(jī)在兩級(jí)壓縮過(guò)程中噴射制冷劑處理。噴射的制冷劑液體與壓縮機(jī)中的制冷劑過(guò)熱蒸汽混合的過(guò)程可當(dāng)做等壓混合。所以制冷劑的噴射可當(dāng)做是一個(gè)絕熱節(jié)流+等壓混合的過(guò)程[9]。

令噴液率為10%，吸氣質(zhì)量流量Ge=0.0544kg/s，噴液率=噴液質(zhì)量流量/吸氣質(zhì)量流量=Gy/Ge則噴液質(zhì)量流量Gy=0.00544kg/s。

圖8中，3-4’-1’-6’-3構(gòu)成了一個(gè)噴射制冷劑液體冷卻壓縮機(jī)的循環(huán)。令噴射壓力為蒸發(fā)壓力和冷凝壓力的中間值，所以，對(duì)于R22，狀態(tài)點(diǎn)4’和5’的焓值分別為：h4'=249.678kJ/kg，h5'=430.462kJ/kg；對(duì)于R134a，狀態(tài)點(diǎn)4’和5’的焓值分別為：h4'=256.383kJ/kg，h5'= 430.071kJ/kg。

1’的焓值：

計(jì)算得：對(duì)于R22，h1'=414.025kJ/kg；對(duì)于R134a，h1'=414.281kJ/kg。

由于1’-6’是等熵壓縮的過(guò)程，所以，對(duì)于R22，6’的焓值h6'=439.112kJ/kg；對(duì)于R134a，h6'=444.336kJ/kg。

制熱量：

計(jì)算得：對(duì)于R22，Qkg=11.336kW；對(duì)于R134a，Qkg=11.247kW。

壓縮機(jī)功率：

計(jì)算得：對(duì)于R22，Wcg=2.644kW；對(duì)于R134a，Wcg=3.433kW。

除霜熱量利用率：

計(jì)算得：對(duì)于R22，ηg=42.69%；對(duì)于R134a，ηg= 35.75%。

除霜耗熱率：

計(jì)算得：對(duì)于R22，η'g=7.12%；對(duì)于R134a，η'g= 7.82%。

理論制熱系數(shù)：

計(jì)算得：對(duì)于R22，εthg=4.287；對(duì)于R134a，εthg= 3.276。

2.4 不同制冷劑及除霜模式的比較

不同制冷劑及除霜模式的比較見(jiàn)表1。

表1 不同制冷劑及除霜模式的比較

3 除霜時(shí)間

若想降低正常制熱循環(huán)時(shí)的壓縮機(jī)功耗，制熱循環(huán)時(shí)可停止除霜循環(huán)，將富余的制冷劑放在儲(chǔ)液器中。當(dāng)機(jī)組在結(jié)霜工況下運(yùn)行一定時(shí)間后，可打開電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和電磁閥，在制熱循環(huán)正常運(yùn)行的情況下，用富余的制冷劑流量進(jìn)行定時(shí)除霜，可很大程度上縮短除霜時(shí)間。

除霜時(shí)間：

式中：t為除霜周期，30min；qm為單位時(shí)間內(nèi)的融霜需熱量；qf為單位時(shí)間內(nèi)融霜放熱量。

將三種除霜模式的相關(guān)數(shù)值代入計(jì)算得：對(duì)于R22，熱氣旁通除霜所需時(shí)間τp為8.55min，顯熱除霜所用時(shí)間 τx=6.50min，制冷劑過(guò)冷放熱除霜 τg= 12.81min；對(duì)于R134a，熱氣旁通除霜所需時(shí)間τp= 6.79min，顯熱除霜所用時(shí)間τx=4.15min，制冷劑過(guò)冷放熱除霜τg=10.72min。

由此可看出：在除霜周期相同的情況下，顯熱除霜所需時(shí)間最短，制冷劑過(guò)冷放熱除霜時(shí)間所需最長(zhǎng)，R22與R134a相比較，R134a所需除霜時(shí)間較少。

4 結(jié)論

為有效利用空氣源熱泵制熱工況下富余的制冷劑充注量，本文以R22與R134a兩種制冷劑為研究對(duì)象，將制熱工況下富余制冷劑充注量應(yīng)用于熱氣旁通除霜、顯熱除霜、制冷劑過(guò)冷放熱除霜三種除霜模式中，并對(duì)三種不同除霜模式進(jìn)行分析。計(jì)算表明：對(duì)R22和R134a而言，三種除霜方式都能有效地抑制室外換熱器表面的結(jié)霜，其中制冷劑過(guò)冷放熱除霜方式最佳；而定時(shí)除霜時(shí)，顯熱除霜所用的除霜時(shí)間最少。對(duì)于同一種除霜模式而言，在除霜熱量利用率、制冷劑除霜耗熱率、制熱系數(shù)方面，R22比R134a的熱效率高。

將制熱時(shí)的富余制冷劑流量應(yīng)用于除霜循環(huán)，既可以對(duì)富余的制冷劑流量加以利用不浪費(fèi)，又能夠使熱泵機(jī)組在結(jié)霜工況下一邊正常制熱一邊抑制霜層的生成。在定時(shí)除霜時(shí)，能夠正常制熱，不消耗室內(nèi)的熱量，造成室內(nèi)溫度劇烈波動(dòng)，給人以不舒適感。通過(guò)對(duì)比兩種不同制冷劑除霜循環(huán)時(shí)的熱效率，說(shuō)明選擇一種合理的制冷劑，能夠使富余制冷劑流量控制法得到更加合理的應(yīng)用。

[1]D L O’Neal,D R Tree.A review of frost formation in simple geometries[J].ASHRAE Transactions,1985,91(2A):267-281

[2]付少鋒.空氣源熱泵結(jié)霜與除霜的研究現(xiàn)狀[J].浙江建筑,2010, 27(10):61-63

[3]梁彩華,張小松,巢龍兆,等.顯熱除霜方式與逆向除霜方式的對(duì)比試驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào),2005,26(4):20-24

[4]梁彩華,張小松,徐國(guó)英.顯熱除霜方式的能量分析和試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,36(1):81-85

[5]梁彩華,張小松.顯熱除霜方式的理論分析與試驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2006,27(4):559-561

[6]王鴻雁.利用制冷劑過(guò)冷放熱除霜的研究[J].制冷與空調(diào),2009, 9(1):47-49

[7]蘇順玉,張春枝,陳儉.熱泵型空調(diào)系統(tǒng)制冷劑流量控制方法的研究[J].暖通空調(diào),2009,39(3):128-130

[8]郭憲民,王成生,汪偉華.結(jié)霜工況下空氣源熱泵動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,40(5):544-548 [9]李強(qiáng),李濤,郝亮.噴液在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào), 2005,5(3):31-34

Com pa ra tive Study on the Utiliza tion of Surplus Re frige ra nt Cha rge R22&R134a of Air Sourc e He a t Pum p unde r He a ting Conditions

CHENG Hao
China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd.

Taking the two refrigerants R22 and R134a as research objects,a study has been performed to compare the heat utilization ratio,heat consumption rate and theoretical COP which applied surplus refrigerant charge of the two respectively in air source heat pump to realize the three defrosting modes of hot-gas bypass defrosting,sensible heat defrosting and heat generated from refrigerant subcooling under heating conditions.The results show that frosting can be restrained on outdoor heat exchanger surface effectively by applying surplus refrigerant charge in the three defrosting mode when the air source heat pump system with refrigerant flux control runs heating normally,wherein the subcooling defrosting method is optimal.When defrosting at predetermined time,the sensible heat defrosting takes the minimum time.In addition,under the three different defrosting modes,the thermal efficiencies of R22 are higher than R134a,while the defrosting time of R134a are less than R22 when defrosting at predetermined time.

air source heat pump,surplus refrigerant charge,thermal efficiency,defrosting time

1003-0344（2015）03-044-5

2014-3-25

程浩（1986～），男，碩士，助工；武漢市武昌區(qū)楊園和平大道745號(hào)鐵四院后門城地院暖通所（430063）；E-mail:hvac915@163.com