噴氣增焓與噴液冷卻式空氣源熱泵在低溫環(huán)境下實驗數(shù)據(jù)對比及分析

蔡志敏 趙密升 李建國 李 凡 李春來 李韶鋒

噴氣增焓與噴液冷卻式空氣源熱泵在低溫環(huán)境下實驗數(shù)據(jù)對比及分析

蔡志敏1趙密升2李建國2李 凡3李春來1李韶鋒2

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河源 517000；2.龍川紐恩泰新能源科技發(fā)展有限公司 河源 517000；3.廣東工業(yè)大學(xué) 廣州 510006）

對噴氣增焓及噴液冷卻式空氣源熱泵進(jìn)行了熱力學(xué)分析，并在低環(huán)境溫度下對其制熱性能進(jìn)行了數(shù)據(jù)測試及對比研究，結(jié)果表明，隨著室外環(huán)境溫度在10℃～30℃之間下降時，兩款熱泵耗電量都在逐漸增加，制熱量逐漸降低，噴氣增焓空氣源熱泵機組相較噴液冷卻式空氣源熱泵機組的COP下降有變緩趨勢，當(dāng)室外環(huán)境溫度為-5℃時，噴氣增焓熱泵的COP為3.03，而噴液冷卻式熱泵降至2.66；在-20℃時，噴氣增焓式熱泵COP為2.15，噴液冷卻式熱泵COP已降至1.88；噴氣增焓空氣源熱泵比噴液冷卻式熱泵性能提高大概13%左右。噴氣增焓空氣源熱泵機組在低溫環(huán)境下效率更高。

噴氣增焓；噴液冷卻；空氣源熱泵；低溫實驗數(shù)據(jù)對比分析

0 引言

近幾年，我國很多北方城市冬天出現(xiàn)了大范圍的霧霾天氣，嚴(yán)重影響了人們的工作、生活及身體健康，政府為此出臺了一系列煤改清潔能源的政策，空氣源熱泵由于節(jié)能環(huán)保等特點，在此背景下得到了快速發(fā)展。

北方主要氣候特點為溫度低（極端室外溫度可達(dá)-30℃左右），因此對空氣源熱泵系統(tǒng)提出了更高的要求。傳統(tǒng)空氣源熱泵技術(shù)在外界低環(huán)境溫度下，壓縮比增大，等熵系數(shù)減小，壓縮機排氣溫度升高，功率增大，制熱量降低，不能滿足用戶要求；為解決上述問題，目前噴氣增焓和噴液冷卻式空氣源熱泵是兩種在室外低溫環(huán)境下運行的主要解決方案，兩種技術(shù)方案都可以滿足北方寒冷地區(qū)熱泵系統(tǒng)使用需求。

國內(nèi)外近幾年也針對這兩種方案在不同方面進(jìn)行了分析研究，董旭等[1]對噴氣增焓熱泵性能進(jìn)行了分析，并分析了供暖技術(shù)應(yīng)用于東北部分地區(qū)的技術(shù)可行性。藕俊彥等[2]針對R417A噴氣增焓熱泵熱水器低溫環(huán)境下的變流量特性進(jìn)行了分析。項宇[3]研究了R410a空氣源熱泵系統(tǒng)噴氣增焓獨立控制方案。魯祥友等[4]針對空氣流量及用水量對空氣源熱泵熱水機組性能影響進(jìn)行了試驗研究，馬麟等[5]對噴液冷卻和噴氣增焓低溫?zé)岜脺u旋壓縮機的性能做了對比分析。本文主要研究了基于R410a的噴氣增焓與噴液冷卻式空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的性能對比分析。

1 熱泵制熱熱力學(xué)分析

1.1 噴液冷卻空氣源熱泵熱力學(xué)分析

由圖1分析可知：制冷劑被冷凝器冷卻后，流出分兩路，一路為主路，一路為次路，主路經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流（6），到蒸發(fā)器相變吸熱后由壓縮機吸入（1）。次路經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后直接到壓縮機噴液口噴入（7），與壓縮機內(nèi)原有制冷劑進(jìn)行混合后（3）經(jīng)壓縮機壓縮排出（4）。

由圖2分析可知：如果沒有次路噴液系統(tǒng)，壓縮機排氣溫度會升高。所以噴液系統(tǒng)可有效降低壓縮機排氣溫度。

圖2 噴液冷卻系統(tǒng)壓焓圖

1.2 噴氣增焓空氣源熱泵熱力學(xué)分析

圖3 噴氣增焓熱泵工作原理圖

由圖3分析可知：制冷劑在冷凝器被冷卻后，流出分兩路，一路為主路，一路為次路（噴氣路），主路制冷劑經(jīng)經(jīng)濟器與次路制冷劑進(jìn)行換熱達(dá)到二次過冷狀態(tài)（6），經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流（7），蒸發(fā)器相變吸熱后（1）由壓縮機吸入（2）。次路（噴氣路）從冷凝器出來后（5）先通過節(jié)流降壓（8），與主路制冷劑在經(jīng)濟器進(jìn)行換熱達(dá)到過熱狀態(tài)，由壓縮機吸入（9），與主路制冷劑混合后（3）由壓縮機壓縮排出（4）。

由圖4分析可知：如果無噴氣路，壓縮機排氣溫度會升高至4′，增加噴氣路可有效降低壓縮機排氣溫度至4。從而保護壓縮機在更低的環(huán)境溫度下安全高效的運行。

通過熱力學(xué)分析噴氣增焓空氣源熱泵制熱過程，可得制熱量Q。熱泵能耗，制熱性能系數(shù)COP，相對常規(guī)空氣源熱泵的制熱量增加ΔQ。有以下關(guān)系[1]：

圖4 噴氣增焓系統(tǒng)壓焓圖

式中，m為冷凝器制冷劑質(zhì)量流量；m為蒸發(fā)器制冷劑質(zhì)量流量；h為點的制冷劑焓值，=1，2，3，4，4'，5，6，9；p為狀態(tài)點的制冷劑壓強；V為狀態(tài)點的腔體容積；9為狀態(tài)點9的制冷劑溫度；為等熵壓縮指數(shù)；為氣體常數(shù)；為相對補氣量；η為指示效率；η為機械效率；η為電動機效率；1d為行程腔體排氣壓強；()為行程腔體與同主軸相位腔體瞬時連通時增加的容積；為起始排氣角。

由式（2）和式（3）可知，補氣壓力不是影響噴氣增焓熱泵制熱量和制熱性能系數(shù)的直接因素，在保證壓縮機正常運轉(zhuǎn)的情況下，不需要嚴(yán)格控制補氣壓力精度[1]。

由式（4）可知，主路在經(jīng)濟器與次路換熱達(dá)到過冷狀態(tài)，可以有效吸收外界環(huán)境更多的熱量；同時主路和次路在壓縮機混合后制冷劑流量增加，壓縮機耗功增大，從而熱泵總制熱量增大。

2 實驗樣機及主要設(shè)備

實驗選用了兩臺結(jié)構(gòu)相同（除壓縮機一臺選用了噴氣增焓，另一臺選用了噴液冷卻式外，冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、制冷劑種類等都相同）的空氣源熱泵，噴氣增焓熱泵經(jīng)濟器選用了板式換熱器，具體信息如表1所示。

表1 噴氣增焓及噴液冷卻式熱泵設(shè)備信息一覽表

實驗地點在滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的低溫空氣源熱泵冷水機組性能實驗室中進(jìn)行，測試儀器儀表主要有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等，具體信息如表2所示。

表2 檢測儀器儀表信息一覽表

3 數(shù)據(jù)測試及分析

實驗在保持冷凝器出水溫度41℃不變的的條件下，試驗檢測噴氣增焓及噴液冷卻空氣源熱泵隨模擬室外環(huán)境溫度變的制熱性能，測試了制熱量、耗電量、制熱性能系數(shù)COP等的變化情況。具體參數(shù)如表3和表4所示。

表3 噴氣增焓熱泵在不同環(huán)境條件參數(shù)變化一覽表

表4 噴液冷卻熱泵在不同環(huán)境條件參數(shù)變化一覽表

由圖5分析可知：隨著室外環(huán)境溫度的變化，在保持出水溫度41℃不變的情況下，噴液冷卻式熱泵制熱量在逐漸下降，而耗電量在逐漸增大，從而熱泵的制熱效率在逐漸降低。當(dāng)環(huán)境溫度為10℃時，制熱量為77.4kW。耗電量為21.45kW。而環(huán)境溫度降低至-5℃時，制熱量降低為63.7kW，而耗電量則增加至23.96kW。環(huán)境溫度降低至-20℃時，制熱量降低為47.8kW，而耗電量則增加至25.45kW。

圖5 噴液冷卻式熱泵隨環(huán)境溫度變化的制熱量及耗電量變化趨勢圖

由圖6分析可知：隨著室外環(huán)境溫度的變化，在保持出水溫度41℃不變的情況下，噴氣增焓式熱泵制熱量在逐漸下降，而耗電量在逐漸增大，從而噴氣增焓式熱泵的制熱效率同樣在逐漸降低。當(dāng)環(huán)境溫度為10℃時，制熱量為83.4kW。耗電量為22.52kW。而環(huán)境溫度降低至-5℃時，制熱量降低為70.5kW，而耗電量則增加至23.27kW。環(huán)境溫度降低至-20℃時，制熱量降低為57.3kW，而耗電量則增加至26.68kW。

圖6 噴氣增焓式熱泵隨環(huán)境溫度變化的制熱量及耗電量變化趨勢圖

由圖7分析可知，在室外環(huán)境溫度為10℃時，噴氣增焓式空氣源熱泵的COP為3.71，噴液冷卻式空氣源熱泵的COP為3.6，相比差別不大。而隨著室外環(huán)境溫度的下降，噴氣增焓式熱泵的COP下降較噴液冷卻式熱泵有明顯的延緩趨勢，當(dāng)室外溫度為-5℃時，噴氣增焓熱泵的COP為3.03，而噴液冷卻式熱泵已降至2.66；在-20℃時，噴氣增焓式熱泵COP還可以達(dá)到2.15，噴液冷卻式熱泵COP已降至1.88；噴氣增焓空氣源熱泵比噴液冷卻式熱泵性能提高大概13%左右。

圖7 噴氣增焓及噴液冷卻式熱泵隨環(huán)境溫度變化的COP變化對比圖

4 結(jié)論

（1）噴氣增焓及噴液冷卻式空氣源熱泵均可以有效降低壓縮機排氣溫度，擴大在低溫環(huán)境下的工作范圍。從而為空氣源熱泵在北方地區(qū)的推廣和普及奠定了重要的理論和實踐基礎(chǔ)。

（2）噴氣增焓式熱泵及噴液冷卻式熱泵在保持冷凝器出水溫度側(cè)41℃不變的情況下，隨著室外環(huán)境溫度10℃～30℃變化時，兩款熱泵耗電量都在逐漸增加，制熱量逐漸降低，熱泵的制熱效率同樣都在逐漸下降。

（3）隨著室外環(huán)境溫度10℃～30℃變化時，噴氣增焓空氣源熱泵機組相較噴液冷卻式空氣源熱泵機組的COP下降有變緩趨勢，當(dāng)室外環(huán)境溫度為-5℃時，噴氣增焓空氣源熱泵的COP為3.03，而噴液冷卻式熱泵已降至2.66；在-20℃時，噴氣增焓式熱泵COP達(dá)到2.15，噴液冷卻式熱泵COP已降至1.88；噴氣增焓空氣源熱泵比噴液冷卻式熱泵性能提高大概13%左右。噴氣增焓空氣源熱泵機組在低溫環(huán)境下效率更高。

（4）雖然噴氣增焓空氣源熱泵較噴液冷卻式熱泵成本有所增加，但是在低溫環(huán)境下性能明顯優(yōu)于噴液冷卻式熱泵，所以，在北方空氣源熱泵市場，噴氣增焓空氣源熱泵的推廣和廣泛應(yīng)用是個大趨勢。

[1] 董旭,田琦,商永,等.噴氣增焓渦旋低溫空氣源熱泵制熱性能的分析[J].流體機械,2017,45(3):81-86.

[2] 藕俊彥,王芳,余大維,等.R417A噴氣增焓熱泵熱水器低溫環(huán)境下的變流量特性分析[J].流體機械,2016,44(9): 82-87,46.

[3] 項宇.噴氣增焓獨立控制方案在R410a空氣源熱泵系統(tǒng)上應(yīng)用的研究[J].供熱制冷,2018,(10):47-50.

[4] 魯祥友,李倩,魯飛,等.空氣流量及用水量對空氣源熱泵熱水機組性能影響的試驗研究[J].流體機械,2018, 46(12):60-64.

[5] 馬麟,姚文虎,錢坤.噴液冷卻和噴氣增焓低溫?zé)岜脺u旋壓縮機的對比分析[J].制冷技術(shù),2018,38(1):55-59.

[6] 張東,李金平,劉偉,等.噴氣增焓空氣源熱泵熱性能評價及預(yù)測[J].化工學(xué)報,2014,65(12):5004-5009.

[7] 王灃浩,王志華,鄭煜鑫,等.低溫環(huán)境下空氣源熱泵的研究現(xiàn)狀及展望[J].制冷學(xué)報,2013,34(5):47-54.

[8] 張杰,蘭菁,杜瑞環(huán),等.幾種空氣源熱泵除霜方式的性能比較[J].制冷學(xué)報,2012,33(2):47-49.

[9] 蔡志敏,李建國,李春來.基于噴氣增焓空氣源熱泵的實驗性能分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2019,(10):51-52.

[10] 冉小鵬,翟曉強,駱瓊.噴氣增焓空氣源熱泵補氣量對系統(tǒng)性能的影響[J/OL].制冷學(xué)報,2019,(4):1-10.

Enhanced Vapor Injection and Liquid-cooled Air Source Heat Pump in Low Temperature Environment Comparison and Analysis of Experimental Data

Cai Zhimin1Zhao Misheng2Li Jianguo2Li Fan3Li Chunlai1Li Shaofeng2

( 1.Heyuan Polytechnic1, Heyuan, 517000; 2.Longchuan New Entai Energy Technology Co., Ltd, Heyuan, 517000;3.Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006 )

This paper tests and compares the performance of air-source heat pump Coupled with Enhanced Vapor Injection and liquid-cooled air-source heat pump in low temperature environment. The results show that the power consumption of the two heat pumps increases gradually, the heat production decreases gradually, and the COP of Coupled with Enhanced Vapor Injection air-source heat pump unit decreases more than that of liquid-cooled air when the ambient temperature decreases between 10℃ and -30℃. Source heat pump has a significant delay trend. When the outdoor temperature is -5℃, the COP of the jet Coupled with Enhanced Vapor Injection heat pump is 3.03, while that of the jet-cooled heat pump has dropped to 2.66. At -20 ℃, the COP of the jet Coupled with Enhanced Vapor Injection heat pump can also reach 2.15, and the COP of the jet-cooled heat pump has dropped to 1.88. The performance of the jet Coupled with Enhanced Vapor Injection air source heat pump is about 13% higher than that of the jet-cooled heat pump. Air Source Heat Pump Coupled with Enhanced Vapor Injection is more efficient in low temperature environment.

Enhanced Vapor Injection; liquid-cooled; Air source heat pump; Comparison and analysis of experimental data

TU833

A

1671-6612（2020）04-468-05

河源市2018年省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項（縱向協(xié)同管理方向）資金項目“低環(huán)境溫度空氣源熱泵熱風(fēng)機關(guān)鍵技術(shù)研究及其產(chǎn)業(yè)化”（項目編號：2018005）；河源市2019年省科技專項資金（“大專項”+“任務(wù)清單”）資金項目“空氣源熱泵干燥機組關(guān)鍵技術(shù)研究及其產(chǎn)業(yè)化”（項目編號：190816091520699）階段性研究成果

蔡志敏（1981-），男，碩士研究生，高級工程師，E-mail：caizhimin8242@163.com

2019-10-24