啟停過程對空氣源熱泵-冷柜一體機性能影響的實驗研究

孟維煥 郭憲民 張京京

(天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

中小型超市及便利店制冷系統的節能優化一直是國內外學者關注的焦點。A. Polzot等[1]提出一種R744制冷系統，帶有高壓回熱器用于回收熱量為超市供暖，并可滿足冷藏冷凍所需冷負荷。G. Maouris等[2]研究了一種CO2增壓制冷集成加熱和冷卻系統，具有蓄熱功能。空氣源熱泵-冷柜一體機是基于目前便利店以及中小型超市等運營模式而提出的一種新型制冷系統模式[3]，通過將空調系統和冷柜系統結合運行，在冬季工況下回收冷柜系統冷凝熱用于延緩空調系統的結霜[4]，從而達到節能的效果。為研究空調-冷柜一體機的可行性，D. Ha等[5]通過中間冷卻器將空氣源熱泵和冷柜系統連接，在便利店經過一年的實測發現，與空氣源熱泵和冷柜單獨運行的系統相比，聯合運行下總電能消耗降低32%。張魯夢等[6]提出一種將空氣源熱泵與冷藏冷凍系統結合的一體機系統，實驗證明一體機系統節能效果顯著。相對于冷柜系統的單一制冷模式，空氣源熱泵在空氣源熱泵-冷柜一體機中受到更多學者的關注，余斌等[7]實驗研究了一體機在夏季工況下的性能，結果表明空氣源熱泵系統的質量流量比在8%～12%時，空調和冷柜系統的COP得到提升。吳琦琦等[8]在冬季結霜工況下研究了一體機中空氣源熱泵室外機的結霜問題，發現聯合運行下結霜周期延長為單獨運行的1.27倍。

空氣源熱泵因其高效便捷的優勢被應用于一體機系統中，但作為一種啟停式熱泵，其在啟停過程中對系統造成的能量損失不容忽視[9]。高佳佳等[10]為減少啟停式小型熱泵的啟停頻率，提出將溫度設定值重設技術和雙線性控制技術結合的控制方法，結果表明該控制方式簡單高效且不會對室內的熱舒適性產生影響。張旭光等[11]針對小型家用空調器建立了夏季工況下啟停機過程的動態仿真模型，結果表明采用變頻調節可以降低壓縮機在啟停過程中的能量損失。Shang Yan等[12]對立式地源熱泵系統進行了間歇運行實驗研究，并對比了不同運行模式，研究表明在間歇時間內地熱能的恢復可有效提高熱泵的系統效率。管國兵等[13]對末端不帶溫控的空調系統進行周期性啟停控制，通過減少制冷機運行時間來實現降載節能。李元旦等[14]通過實測分析了土壤源熱泵在冬季制熱工況下的氣動特性。

目前大多數研究針對一體機聯合運行工況性能提升，或在熱泵系統中單獨提出啟停控制策略以優化系統，但空氣源熱泵作為一體機的一部分，有關其對一體機系統性能影響的研究較少。本文主要對空氣源熱泵-冷柜一體機系統中空氣源熱泵的啟停機過程進行了實驗研究，分析了在一體機中熱泵的啟停對熱泵聯合運行性能以及冷柜系統性能的影響。

1 實驗系統及工況

1.1 實驗裝置介紹

實驗裝置主要包括空氣源熱泵-冷柜一體機系統、焓差室以及數據采集系統三部分，實驗系統原理如圖1所示。其中空氣源熱泵-冷柜一體機系統主要分為兩部分:一部分是空氣源熱泵系統，制冷劑采用R410A;另一部分是冷柜系統，制冷劑采用R404A。通過板式換熱器將兩部分相連，達到空調系統為冷柜系統提供過冷的目的；空氣源熱泵的室外機和冷柜系統的冷凝器設計為室外一體翅片式換熱器，其前排2/3的管為冷柜冷凝器，剩余用作空調室外機，在冬季工況下可實現利用冷柜冷凝熱為空氣源熱泵蒸發器除霜的效果[15]。焓差法性能實驗室依據GB/T 7725—1996《房間空氣調節器》[16]建造，用于控制實驗工況所需要的環境溫濕度。數據采集系統及相關測點布置如圖1所示，主要采集參數包括溫度、壓力、相對濕度、質量流量及功耗。其中，溫度測量采用T型熱電偶測量，精度為±0.1 ℃；干濕球溫度采用Pt100鉑電阻測量，精度為±0.1 ℃；壓力通過MPM4730壓力變送器測量，精度為0.25%；熱泵側及冷柜側制冷劑的質量流量采用質量流量傳感器測量，精度為0.1%FS；空氣源熱泵功耗通過焓差室測控軟件測量，冷柜功耗采用WT330數字功耗計測量，精度為0.5%。

圖1 空氣源熱泵-冷柜一體機實驗系統

1.2 實驗工況

為了對比空氣源熱泵在單獨運行及其與冷柜聯合運行工況下的性能，實驗測試了空氣源熱泵單獨運行以及聯合運行工況下的性能變化。“單獨運行”工況是指空氣源熱泵開機運行而冷柜系統關閉；而“聯合運行”工況是指空氣源熱泵與冷柜同時運行，熱泵系統為冷柜系統提供過冷度。

為研究聯合運行工況下空氣源熱泵啟停次數對空氣源熱泵-冷柜一體機性能的影響，設定空氣源熱泵在70 min內分別經歷一至三次啟停，一次啟停工況，即熱泵在開機后連續運行直至停機，運行周期為70 min；兩次及三次啟停工況，即熱泵在70 min周期內啟停兩次及三次，兩次啟停之間的間歇時長為5 min。所有實驗均在表1所示的環境工況參數下進行。

表1 實驗工況參數

2 實驗結果與分析

2.1 考慮啟停過程的空氣源熱泵動態性能

為了對比分析考慮啟停過程的空氣源熱泵性能，分別在空氣源熱泵單獨運行及聯合運行工況下進行性能測試。

圖2(a)、圖2(b)所示分別為空氣源熱泵單獨運行及聯合運行工況下的制熱量及COP動態曲線。由圖2(a)可知，兩種工況下空氣源熱泵的制熱量在開機初期隨運行時間的增加而逐漸增大，其中單獨運行工況下在開機約30 min后制熱量達到最大值，而在聯合運行工況下制熱量則在開機約40 min后達到最大值，實驗中發現這是由于室外機換熱器表面結霜造成的。由于冷柜冷凝熱延緩了室外機結霜，導致空氣源熱泵制熱量的衰減延遲約10 min。同時發現，在整個運行周期內，聯合運行工況下的熱泵制熱量始終高于單獨運行工況，這是由于冷柜冷凝熱延緩結霜及中冷器傳熱面積相當于增大了蒸發面積所致[17]。

由圖2(b)可知，在考慮空氣源熱泵啟停過程的情況下，兩種運行方式下熱泵系統的COP在開始階段隨運行時間逐漸增大，在空氣源熱泵單獨運行工況下制熱COP約在30 min達到最大值，而在聯合運行工況下其COP在約60 min達到最大值。整個過程中聯合運行工況下的COP始終高于單獨運行工況下的制熱COP。這是由于熱泵與冷柜的聯合運行工況有效提升了空氣源熱泵系統的蒸發溫度，如圖2(c)所示。由圖2可知，聯合運行工況下空氣源熱泵系統性能始終高于單獨運行工況，原因是空氣源熱泵-冷柜一體機的聯合運行可以有效延緩熱泵室外機的結霜，從而提升系統性能。

圖2 空氣源熱泵系統性能對比

2.2 啟停次數對空氣源熱泵性能的影響

為了研究啟停次數對空氣源熱泵性能的影響，實驗測試了空氣源熱泵在單獨運行及聯合運行工況下不同啟停次數下的性能，實驗中空氣源熱泵在70 min內分別經歷一至三次啟停過程。圖3所示為不同啟停次數下空氣源熱泵在單獨運行及聯合運行工況下的平均制熱量、平均功耗以及平均COP對比。

圖3 啟停次數對空氣源熱泵性能的影響

由圖3可知，無論在單獨運行還是聯合運行工況下，隨著啟停次數的增加，空氣源熱泵系統的平均功耗增大，平均制熱量減少，導致平均COP減小，這是由于在啟停過程中的能量損失造成的，其中在停機過程中由于壓差的存在，制冷劑工質從壓力較高的室內機流向壓力較低的室外機內從而發生熱量交換，不僅造成能量的耗散，且室內機內工質溫度的降低也會導致下一次啟動過程中冷負荷的增大；而在熱泵啟動過程中，壓縮機的排氣壓力快速升高，吸氣壓力急速降低，壓縮機功耗增大，而蒸發器中的工質在壓縮后進入冷凝器重新建立高低壓差的過程中卻沒有有效輸出，造成啟動能量損失。對于單獨運行工況，壓縮機從啟停一次增至三次，造成空氣源熱泵的平均功耗增加17.2%，平均制熱量減少19.5%，平均COP減少28.8%。對于聯合運行工況，熱泵壓縮機從啟停一次增至三次，平均功耗增加16.3%，制熱量減少18.2%，平均COP降低27.3%。雖然開、停機過程中的能量耗散不可逆，但空氣源熱泵-冷柜一體機可以利用冷柜冷凝熱延遲熱泵室外機結霜，提高熱泵系統蒸發溫度，聯合運行下空氣源熱泵性能得到提升，部分抵消了壓縮機啟停的影響，表現為熱泵在聯合運行下平均制熱量、平均COP的提高以及平均功耗的減少，由此啟停次數的影響對于單獨運行工況更大。

2.3 空氣源熱泵啟停對冷柜性能的影響

在空氣源熱泵-冷柜一體機系統聯合運行工況下，空氣源熱泵的啟停機過程也會對冷柜系統的性能產生影響[18-19]。在70 min內空氣源熱泵分別進行三種啟停次數，冷柜的動態性能曲線如圖4所示。

圖4 空氣源熱泵啟停對冷柜系統性能的影響

由圖4可知，空氣源熱泵系統的停機對冷柜系統的過冷度產生顯著影響，在空氣源熱泵停機期間，冷柜制冷系統的過冷度大幅減小，造成其制冷量及COP在空氣源熱泵停機期間相應大幅降低。隨著空氣源熱泵啟停次數的增加，冷柜系統的平均制冷量呈現逐漸下降的趨勢，在空氣源熱泵三次啟停工況下冷柜平均制冷量對比空氣源熱泵一次及兩次啟停工況下冷柜平均制冷量分別降低11.6%和4.7%。由于在空氣源熱泵的啟停過程中冷柜系統的運行工況變化較小，冷柜系統的功耗始終保持相對穩定，因此冷柜系統的COP隨空氣源熱泵系統啟停次數的增加而逐漸減小，在空氣源熱泵三次啟停工況下冷柜系統的平均COP相較于在空氣源熱泵一次及兩次啟停工況下冷柜系統的平均COP分別降低約11.1%和3.9%。

3 結論

本文在空氣源熱泵不同啟停次數工況下對空氣源熱泵-冷柜一體機的性能進行了實驗研究，測試了空氣源熱泵啟停次數對單獨運行以及聯合運行工況下熱泵性能的影響，并分析了聯合運行工況下空氣源熱泵啟停冷柜系統性能的影響，得到結論如下：

1)在聯合運行工況下，冷柜的冷凝熱可以有效延緩室外機結霜，且有效提升了熱泵系統的蒸發溫度，表現為聯合運行工況下空氣源熱泵制熱量的衰減比單獨運行工況下延緩了10 min，熱泵系統在啟停次數增加過程中的能量損失得到部分抵消。其中在單獨運行工況下，經歷三次啟停工況下空氣源熱泵的平均制熱量及平均COP對比一次啟停工況下空氣源熱泵，分別減少19.5%、28.8%，平均功耗增加17.2%。在聯合運行工況下，經歷三次啟停工況下空氣源熱泵的平均制熱量及平均COP對比一次啟停工況下空氣源熱泵，分別減少18.2%和27.3%，平均功耗增加16.3%。

2)聯合運行工況下冷柜系統的過冷度隨著空氣源熱泵的啟停產生顯著波動，從而影響冷柜系統的平均制冷量以及COP。在空氣源熱泵三次啟停工況下冷柜的平均制冷量及平均COP對比空氣源熱泵一次啟停工況下冷柜分別減少11.6%和11.1%。