利用自然冷源過冷改善R32熱泵制熱性能的實(shí)驗(yàn)研究

黃成達(dá) 許樹學(xué) 馬國遠(yuǎn) 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(shí)驗(yàn)研究

黃成達(dá) 許樹學(xué) 馬國遠(yuǎn) 崔增燕

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124）

蒸汽壓縮式熱泵在蒸發(fā)溫度低時(shí)排氣溫度很高，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，特別是R32工質(zhì)。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(shí)驗(yàn)臺(tái)。對(duì)以R32為工質(zhì)的蒸氣壓縮式熱泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，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(shù)的變化規(guī)律。

熱泵；過冷度；R32；COP

0 引言

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。全球經(jīng)濟(jì)的增長和人口增多導(dǎo)致對(duì)能源的需求與日俱增。熱泵技術(shù)是近年來在全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)。采用熱泵技術(shù)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(yuǎn)距離供熱的住宅，用電或燒煤等方式采暖[2]?？照{(diào)是人類生活和工作環(huán)境不可或缺的重要組成部分。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，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(xiàn)剛性增長趨勢(shì)[5]。在建筑總能耗中，空調(diào)系統(tǒng)耗能所占比重最大。針對(duì)提高制冷和制熱能效提升的研究很多，過冷技術(shù)被廣泛地運(yùn)用在中低溫領(lǐng)域的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)里[6]。過冷的實(shí)現(xiàn)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(jī)械過冷[7,8]。我國依據(jù)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(lǐng)域的應(yīng)用。本文針對(duì)以R32為制冷工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)，引入過冷改善熱泵制熱性能的研究，對(duì)其進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)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(jí)相比增加了過冷裝置，冷源來自低溫環(huán)境中。當(dāng)過冷運(yùn)行時(shí)，從低溫環(huán)境中引入部分冷源介質(zhì)對(duì)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(jì)算模型

計(jì)算過程條件：

（1）系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)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(yīng)平均增高2.3 ℃。且在蒸發(fā)溫度越高時(shí)，過熱度對(duì)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(shí)制熱COP增大，蒸發(fā)溫度在-20 ℃～5 ℃的時(shí)候單級(jí)系統(tǒng)與過冷度為8 ℃時(shí)的制熱COP平均增大45%。

圖3 過冷系統(tǒng)和單級(jí)系統(tǒng)的制熱COP比較

3 實(shí)驗(yàn)研究

圖4所示為利用自然冷源過冷的熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖。系統(tǒng)包括：1-渦旋壓縮機(jī)，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(jì)，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(jì)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，從冷凍水端引入一部分冷凍水冷卻制冷劑液體，以此實(shí)現(xiàn)過冷循環(huán)。

以R32為工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，比較單級(jí)模式、帶過冷模式的性能。為了更好的評(píng)價(jià)樣機(jī)系統(tǒng)的性能，本實(shí)驗(yàn)對(duì)儀表儀器進(jìn)行了標(biāo)定。開機(jī)過程如下：首先接通控電柜電源，啟動(dòng)并調(diào)整冷卻水系統(tǒng)，待水系統(tǒng)調(diào)試好后開啟壓縮機(jī)，同時(shí)開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程中，待工況穩(wěn)定一段時(shí)間后，先做單級(jí)壓縮循環(huán)實(shí)驗(yàn)。待機(jī)組在實(shí)驗(yàn)設(shè)定工況下穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，再分別開啟過冷。需直接測(cè)量的參數(shù)包括：吸氣溫度及壓力、排氣溫度及壓力、冷凝器進(jìn)出口溫度及壓力、冷卻水進(jìn)出口溫度、冷卻水流量、過冷溫度及壓力、壓縮機(jī)功率。需間接測(cè)量的量為：冷卻水進(jìn)出口溫差、制熱量、制熱COP。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

4 結(jié)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(shì)越明顯。在蒸發(fā)溫度分別為-20 ℃～5 ℃時(shí)，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(huì)使制熱量降低。在蒸發(fā)溫度為-20 ℃～5 ℃時(shí)，過冷流量每增加0.005 m3/h，制熱量相應(yīng)的平均降低2.5%；在蒸發(fā)溫度為-10 ℃時(shí)，過冷流量增加的對(duì)制熱量的降低影響最大。蒸發(fā)溫度在-10～5 ℃范圍內(nèi)，最佳過冷流量為0.015 m3/h；蒸發(fā)溫度在-20～-15 ℃時(shí)，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(shì)與制熱量的變化趨勢(shì)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(shí)，過冷流量的增加對(duì)制熱COP的降低影響最大，在蒸發(fā)溫度為-15 ℃和-20 ℃的時(shí)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(shí)冷凝壓力降低，制熱量降低，壓縮機(jī)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(dāng)蒸發(fā)溫度低至-20 ℃以下時(shí)，單級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)和過熱系統(tǒng)排氣溫度過高，系統(tǒng)運(yùn)行惡化甚至無法運(yùn)行，只有在過冷系統(tǒng)模式下才能安全運(yùn)行，且過冷后排氣溫度仍達(dá)到120.6 ℃。在蒸發(fā)溫度為-15 ℃～5 ℃時(shí)，過冷系統(tǒng)的排氣溫度較普通單級(jí)運(yùn)行降低4 ℃～6 ℃，在蒸發(fā)溫度為5 ℃時(shí)，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(shè)過冷器對(duì)系統(tǒng)低溫工況運(yùn)行時(shí)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(yùn)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(yùn)行模式時(shí)，在不同的蒸發(fā)溫度下較普通單級(jí)運(yùn)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(shí)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(jí)運(yùn)行和過冷運(yùn)行系統(tǒng)制熱COP呈上升趨勢(shì)。但較單級(jí)運(yùn)行相比，過冷運(yùn)行模式下制熱COP更低。在蒸發(fā)溫度為-15 ℃～5 ℃時(shí)，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(dá)到14.4%。

圖10 制熱COP隨蒸發(fā)溫度的變化

5 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)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(jié)論如下：

（1）過冷對(duì)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(yùn)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(yùn)行存在最佳過冷流量值。蒸發(fā)溫度在-10～5 ℃范圍內(nèi)，過冷流量為0.015 m3/h時(shí)制熱量和制熱COP獲得最大值；蒸發(fā)溫度在-20～-15 ℃時(shí)，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(jí)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(shí)降低最明顯，分別降低9.8%和14.4%。

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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(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)51641602）；北京市教委科技計(jì)劃項(xiàng)目資助

黃成達(dá)（1976-），男，博士生，主要從事新能源，制冷熱泵技術(shù)研究

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

2017-10-23