充注量對空氣源熱泵熱水器性能的影響

(上海理工大學能源與動力學院 上海 200093)

制冷劑作為熱泵系統的熱載體，不斷將熱量由低溫熱源向高溫熱源轉移。制冷劑充注量的變化直接影響熱泵裝置的工作性能，研究最佳充注量可為優化系統設計、提高系統制熱性能提供方法，國內外學者對此進行了大量研究。N. Vjacheslav等[1]由模型估算了系統最佳充注量。J. H. Chae等[2]對復疊熱泵在不同充注量下的壓縮機功耗、蒸發壓力、冷凝壓力等進行了實驗分析。J. M. Choi等[3]結合系統節流方法對充注量進行了研究。張良俊等[4]由實驗得出系統各個運行參數對充注量變化的敏感程度。王志華等[5]通過改變膨脹閥開度研究了不同充注量下的系統性能。楊強等[6]由實驗結論提出了判斷帶有高壓儲液器的熱泵系統充注量是否適量的依據。

針對熱泵熱水器最佳充注量的研究，目前多使用冰箱、熱泵空調等穩態換熱裝置中的實驗結論作為判定依據。認為超過最佳充注量后，冷凝器末端液態制冷劑段延長，冷凝器換熱性能變差，制熱性能下降，而下降起始點的充注量即為最佳值[7-10]。但對于儲熱式熱泵熱水器而言，因其循環加熱的模式，高溫側不斷升高，制冷劑流量和壓縮機吸氣口過熱度時刻變化，運行中極易發生吸氣帶液現象，降低制熱性能[11-12]，從而干擾最佳充注量的判定，這在對比制熱性能時應加以區分。

張超等[13]研究發現充注量過大時蒸發溫度和冷凝溫度上升，蒸發器未能將冷量完全釋放出來，制冷劑以氣液兩相態離開蒸發器，造成冷量損失，電功率增大，系統工作性能惡化，在某些情況下不能正常工作。研究充注量對制熱性能的影響時，還要考慮系統在不同充注量下的工作適應性與自我調節能力。對于使用電子膨脹閥這類可調節閥開度的熱泵熱水器，雖然較寬的閥開度調節范圍滿足了電子膨脹閥通過不同調節方式來提升制熱性能的要求，并增強了系統的工作適應性，但充注量的變化也改變了電子膨脹閥的調節范圍，這一變化對制熱性能的影響不可忽視。目前國內外在此方面的研究尚少，可做進一步的研究。

本文以電子膨脹閥調節的空氣源熱泵熱水器為平臺，以制冷劑充注量、電子膨脹閥開度和過熱度等參數為變量，對制熱性能等進行比較分析，以期在系統優化方面得出一些具有參考性的結論。

1 熱泵熱水器實驗裝置

空氣源熱泵熱水器的性能測試實驗在上海理工大學高精度焓差實驗室內完成，可控溫度-10～45 ℃。實驗中通過一臺Delta數據采集儀和電腦對各參數進行連續、頻繁的采樣測量，以確定熱泵熱水器的制熱量及功耗等參數的變化。

實驗環境工況設定為22 ℃/16 ℃，實驗裝置采用R134a為工質的一體式循環加熱空氣源熱泵熱水器，水箱容量為100 L。壓縮機選用WHP02830-C4AT型熱泵專用滾動轉子式壓縮機，額定轉速為2 860 r/min(50 Hz)，功率為685 W，理論排氣量為18 mL/r。壓縮機吸氣和排氣口接入丹佛斯KP型壓力控制器，保護壓縮機工作在正常壓力范圍內。吸氣口自帶一個壺型儲液器(Φ70 mm×220 mm)，用于保護壓縮機，防止吸入過多的液態制冷劑而造成壓縮機“液擊”損傷。蒸發器采用風冷式翅片管換熱器，2支路，4排管布置，冷凝器選用逆流套管式換熱器，銅管外徑為16 mm，管長為1 790 mm。節流采用步進電機控制器驅動的直動式電子膨脹閥。

為了直觀地評價制熱性能，實驗測量了主要部件的溫度和壓力，各測點具體布置位置如圖1所示。采用壓力變送器測量壓力，內置式鉑電阻測量溫度。智能數顯功率表測量壓縮機、循環水泵和風機的總功耗。所有數據均通過Delta數據采集儀傳輸到電腦中，對運行數據實時調用監控。

充注量由高精度實驗室電子天平測量，量程0～30 kg，精度0.1 g。為避免冷凝壓力過高導致停機保護，實驗測試之前對充注量及電子膨脹閥開度進行多次調試，以保證實驗的順利進行。

圖1 實驗裝置原理Fig.1 Principle of the experimental installation

2 計算公式

實驗可測得壓縮機吸氣溫度Tsuc(℃)、排氣溫度Td(℃)、閥前溫度Tv(℃)、制冷劑質量流量qm(g/s)、蒸發壓力pe(kPa)、系統功耗Wt(W)等數據。并由Refprop9.0軟件得到蒸發溫度Te(℃)、排氣焓值hd(kJ/kg)和閥前焓值hv(kJ/kg)，通過公式計算可得以下參數：

壓縮機吸氣過熱度Tsh：

Tsh=Tsuc-Te

(1)

系統制熱量Qh：

Qh=qm(hd-hv)

(2)

逐時制熱性能(以下簡稱COP)：

COP=Qh/Wt

(3)

整體制熱性能(平均COP，以下簡稱COPa)：

(4)

式中：Tw,set為初始水溫，25 ℃；Tw,end為終止水溫，55 ℃；τ1、τ2分別為初始水溫和終止水溫下對應的時間，s。

3 實驗結果與分析

3.1 充注量對COPa的影響

實驗對比了電子膨脹閥開度16%和定過熱度10 ℃時，不同充注量下的COPa。為排除吸氣帶液的干擾，所有實驗均在壓縮機吸氣過熱的狀態下進行。

圖2所示為不同充注量下的COPa。由圖2可知，閥開度16%時，COPa因充注量增加而先增大后減小。依據COPa最大原則，制冷劑最佳充注量為1.1 kg，對應的最大COPa為3.05。

充注量偏少時，制冷劑流量小而吸氣過熱度大，蒸發器中過熱區長，換熱面積未得到充分利用，系統加熱時間長，COPa小。隨著充注量的增加，制冷劑載熱能力提升，制熱性能逐漸改善。然而，當充注量增至過多時，高壓儲液器內已存儲了大量液態制冷劑，甚至漫過儲液器積存在冷凝盤管中。此時高壓儲液器對冷凝器出口工質狀態的制約作用消失，其作用僅相當于一定容積的高壓管道[6]。冷凝器的相變傳熱面積和傳熱強度減小，制熱量減小，導致COPa下降。

圖2 制冷劑充注量與COPa的變化關系Fig.2 Relationship between refrigerant charge and COPa

從圖2還可看出，定過熱度10 ℃時的COPa同樣先增大后減小，在充注量為1.1 kg時達到最大值3.68。定過熱度時的COPa始終高于定閥開度時的COPa，原因是在實驗過程中，定閥開度運行時系統過熱度大部分時間均大于10 ℃。對于相同的制冷劑充注量，過熱度越大說明蒸發器中的換熱面積利用的越不充分，換熱效果越差，因此定閥開度時的COPa相應較小。

3.2 充注量對電子膨脹閥調節范圍的影響

定閥開度下運行熱泵熱水器時，閥開度設置過小，充注的制冷劑未能充分利用而使COPa偏低；閥開度設置過大，壓縮機在加熱中吸氣帶液，COPa也會下降[14]。對于不同的充注量，電子膨脹閥有其相應的調節范圍，閥開度超過調節范圍時將不利于系統高效運行。調節范圍的大小體現了系統適應能力的強弱[15-16]，而充注量改變了調節范圍的大小，因此充注量的變化同時影響著系統的適應性。

圖3所示為不同充注量下，閥開度對COPa的影響。閥開度18%的COPa均高于閥開度16%的COPa，兩個閥開度下的最佳充注量均為1.1 kg，此時閥開度未對最佳充注量產生影響。COPa的增長率為閥開度由16%增大到18%時COPa的提升幅度，先上升后下降，充注量為1.2 kg時存在最大值。

圖3 閥開度對COPa的影響Fig.3 The effect of valve opening on COPa

由圖3可知，充注量小于1.1 kg時，閥開度16%和18%時的壓縮機均在吸氣過熱下運行，增大相同的閥開度，充注量越大制冷劑流量越大，因此COPa的增長率上升。充注量大于1.2 kg時，閥開度18%的系統出現吸氣帶液現象，部分加熱時間的COP下降，導致COPa的增長率下降。因此充注量大于1.2 kg后，閥開度18%已逐漸超出電子膨脹閥的最佳調節范圍，過大的充注量不僅浪費了制冷劑，使COPa得不到提升，還縮小了電子膨脹閥的調節范圍，降低了系統的適應性。

3.3 電子膨脹閥調節方式對制熱性能的影響

由圖2可知，與定閥開度相比，定過熱度下COPa較高。為了更好地對比電子膨脹閥調節方式對制熱性能的影響，本文在最佳充注量下對系統進行了兩組測試實驗。實驗1為閥開度調節，實驗前閥開度分別手動設置為16%、18%和19.2%；實驗2為過熱度調節，實驗中過熱度分別穩定在10、6、4 ℃，運行中過熱度由步進電機驅動器調節電子膨脹閥開度來調節控制。

1.移動互聯網的幾何級發展，催生大數據廣泛應用。移動互聯網實現了信息傳輸的極大飛躍 ，帶動信息采集、存儲、交換、分析、應用的持續升級，基于移動互聯網的電子商務因此而蓬勃發展，又極大地改變了商業與消費習慣，大量的B2B、B2C、C2C業務持續制造、沉淀非結構化或半結構化的海量信息數據。而線下業務的線上化（O2O），更讓一切商業行為變成可累積的數據。對大數據的分析、處理，并依此洞察商業規律和消費行為，應用于營銷和服務，反過來推動了流程優化、效率提升和消費體驗升級。

圖4所示為qm與水箱溫度的變化關系。閥開度調節時，qm隨水溫的升高不斷增大，閥開度越大qm越大。過熱度調節時，過熱度低的qm大，但變化趨勢較為平緩。這是因為冷凝溫度和壓比的升高雖使qm增大，但在不斷減小閥開度來穩定過熱度時又減緩了qm的增長速率。

圖4 制冷劑質量流量的變化Fig.4 Variation of refrigerant mass flow

系統制熱量與qm有關。由圖5可知，二者變化趨勢基本一致。閥開度19.2%時系統少量吸氣帶液，此時qm并未下降但制熱量卻已出現下降拐點。這是由于吸氣帶液降低了排氣溫度，減小了冷凝器進出口焓差，所以制熱量在吸氣帶液后出現下降趨勢。

對比兩種調節方式可知，閥開度調節類似于毛細管節流，開度固定不變，系統運行區間受限，適應性差。過熱度調節發揮了電子膨脹閥對制冷劑流量精準控制的優勢，使系統在qm大且吸氣過熱的條件下運行，因此其制熱量普遍高于閥開度調節的制熱量。

圖5 制熱量的變化Fig.5 Variation of heating capacity

系統功耗主要受吸排氣壓比和qm的影響。吸排氣壓比與冷凝溫度同步升高，qm隨壓比的升高而增大。由圖6可知，增大閥開度和降低過熱度，功耗增加，但其變化對功耗的影響較小。相同水溫下，功耗皆在10%以內變化，增長幅度明顯低于制熱量。表明適當增大閥開度或減小過熱度皆可提升制熱性能。

圖6 功耗的變化Fig.6 Variation of power consumption

圖7所示為兩種調節方式對COP的影響。圖中COP曲線均呈下降趨勢，曲線間差值不斷減小，變化區間整體呈三角形。在開始加熱時過熱度調節對COP的提升較大，隨著加熱的進行，提升幅度逐漸減小，與閥開度調節相比，過熱度調節對COP的提升主要集中在加熱初期階段。結合圖5和圖6可知，兩種調節方式下系統功耗的變化較小，COP的差別主要由制熱量的變化引起。加熱初期(25～40 ℃)，閥開度調節的過熱度遠大于10 ℃，相應的制冷劑流量小、制熱量低，所以COP與過熱度調節的差距較大。隨著水溫的升高，閥開度調節的制熱量升高而過熱度調節的制熱量基本不變，二者差距不斷減小，因此在加熱后期過熱度調節對COP的提升幅度明顯降低。

圖7 COP的變化Fig.7 Variation of COP

對于閥開度調節，對比16%與18%發現，加熱過程中壓縮機吸氣過熱時，閥開度大的COP始終較大。對于18%和19.2%而言，COP曲線在加熱過程中有交叉，原因是由于壓縮機吸氣帶液降低了系統制熱量。閥開度19.2%的吸氣帶液時間較短，與閥開度18%相比，COP大部分時間較大，所以二者曲線雖交叉但增大閥開度COPa仍增大。然而，若閥開度一直增大，COP曲線與上一閥開度的交叉點會不斷提前，終會出現COPa因閥開度增大而減小的情況[12]。此時較低的COPa與小閥開度下qm不足明顯不同，這是由閥開度較大造成壓縮機大量吸氣帶液所引起。

總結電子膨脹閥的兩種調節方式可知，運行中只要有較大的qm和較小的過熱度，系統即可獲得較高的COPa。圖8所示為運行方法對COPa的影響，由圖8可知，與增大閥開度相比，降低過熱度對COP的提升并不明顯。原因是閥開度的變化對qm的影響大，而qm的變化對過熱度的影響大，因此過熱度調節時，其變化梯度遠小于閥開度調節的變化梯度。

過熱度調節的結果表明，熱泵在10 ℃以內的低過熱度下運行時，過熱度的變化對性能的影響較小，原因是閥開度的區別較小，系統對過熱度穩定值的控制要求不高。說明系統只要保證在10 ℃以內的過熱度下運行，即可達到與精準控制定過熱度相近的制熱性能，可大幅降低電子膨脹閥的調節要求。

圖8 運行方法對COPa的影響Fig.8 The effect of operating methods on COPa

4 結論

本文以空氣源熱泵熱水器為平臺，以制冷劑充注量、電子膨脹閥開度和過熱度等參數為變量，對熱泵熱水器性能進行實驗研究與分析，得出如下結論：

1)壓縮機吸氣過熱時，電子膨脹閥開度16%和定過熱度10 ℃工況下的系統最佳充注量均為1.1 kg，相應的最大COPa分別為3.05和3.68。

2)充注量過大，不僅浪費了制冷劑，使制熱性能得不到提升，還縮小了電子膨脹閥的調節范圍，降低了系統的適應性。

3) 對比電子膨脹閥兩種調節方式在最佳充注量下的制熱性能，發現較大的制冷劑質量流量和較小的過熱度是提升制熱性能的關鍵。與閥開度調節相比，過熱度調節更具優勢。且系統對于10 ℃以內的定過熱度控制要求不高，今后可進行進一步實驗研究，以獲得更簡便的調節方式。

本文受上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室項目(1N-15-301-101)資助。(The project was supported by the Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Shanghai Power Engineering (No. 1N-15-301-101).)

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