環境溫度和進水溫度對低溫空氣源熱泵性能的影響

黎珍，鄧志揚，張勇，李燕華，袁明征

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

引言

空氣源熱泵熱水機利用熱泵原理，以電能驅動壓縮機，通過熱力循環，將空氣中吸收的熱量用于制取熱水。在雙碳政策背景下，空氣源熱泵熱水機組因其環保與節能的特性被廣泛應用在替代電、燃煤鍋爐等領域。

空氣源熱泵雖然具有很多優勢，但是不同于常規的熱泵，其運行工況范圍寬，常年制熱以及冷凝溫度高，在低溫工況容易出現性能衰減、制熱水能力差、結霜等問題[1,2]，國內外學者針對這些問題展開了大量的研究。

孫濤等[3]通過調節毛細管長度提升熱泵性能。曲明璐等[4]通過增設蓄熱器的除霜系統來縮短除霜時間降低除霜能耗。其他學者也研究了環境溫度、進水溫度、出水溫度等對熱泵性能參數的影響程度與變化趨勢[5-9]。

但是以上研究多分別針對環境溫度、初始水溫、出水溫度等單一影響因素研究，綜合多種因素對熱泵性能參數影響程度對比研究較少。因此本文通過改變環境溫度、進水溫度兩個影響因素對商用循環式空氣源熱泵熱水機組性能進行研究，總結低溫工況能力性能衰減的根本原因，為進一步優化系統性能提供參考。

1 實驗原理和方法

1.1 實驗裝置

空氣源熱泵熱水機組試驗系統原理如圖1所示，整個系統由制冷劑系統和水系統兩部分組成。

制冷劑循環部分由壓縮機、汽液分離器、套管換熱器、過濾器、電子膨脹閥、翅片蒸發器、四通閥等組成。制熱時制冷劑流向如圖1箭頭方向所示。選用額定制熱量為41 kW，額定功率為8.93 kW，額定制熱能效為4.59，制冷劑為R410A的商用循環型空氣源熱泵熱水機組作為研究對象。其中壓縮機為定頻50 Hz的熱泵專用渦旋式壓縮機，可靠性好。壓縮機吸氣口安裝低壓開關、排氣口安裝高壓開關，當壓縮機超出正常工作壓力范圍時起到保護作用。

圖1 實驗裝置原理

水系統循環部分由開式水箱、水位開關、電加熱裝置、循環水泵、套管換熱器組成閉式回路。水泵從水箱中取水，經循環進水管進入機組后，通過大流量、小溫差的加熱方法，將水箱中的水逐漸加熱。在套管冷凝器中水與制冷劑的流動方向相反，呈逆流換熱，換熱效果好。循環水泵流量可調，電加熱箱可調節初始水溫。開式水箱體積2 t，自帶水位開關調節水位。

實驗室可通過調節環境溫度、水箱溫度以及循環水泵開度等來達到所需實驗工況。實驗需測量18個參數：環境溫度，水泵流量、進水溫度，出水溫度，壓縮機吸、排氣溫度及其對應的壓力，電子膨脹閥前溫度，蒸發器入管、出管溫度、壓縮機電流、風機電流、壓縮機功率、風機功率、電壓、機組制熱量、能效等。進出水溫度由鉑電阻溫度傳感器測量，其他溫度點由布置在其上的熱電偶測量，壓縮機吸排氣壓力由壓力傳感器測量，水泵流量由電磁流量計測量，其他參數實驗室設備軟件可測量顯示。

1.2 實驗方法

選用實驗機組為商用循環型空氣源熱泵熱水機，根據GB/T 21362-2008《商業或工業用及類似用途的熱泵熱水機》規范，使用側循環流量為按名義制熱量及進出口5 ℃溫差確定的水流量，因此名義工況先調節循環水泵開度，確定循環水流量為6.86 m3/h；變工況運行時的終止水溫為（9～55）℃，實驗室通過電加熱調節水箱溫度，使進水溫度按實驗要求調節。為保證數據的準確性，壓縮機開機3 min后再開始采集實驗數據。實驗工況中進水溫度9 ℃、30 ℃、50 ℃分別定義為低、中、高水溫。

實驗中采用定水溫的方法進行測試，即水流量不變時，進水溫度不會隨著加熱時間變長而升高。記錄實驗數據時取任意穩定時的數據，以代表該工況的狀態。

1.3 計算公式

系統制熱量：

式中：

Q—熱泵熱水機制熱量，單位kW；

C—水的比熱容，單位kJ/（kg·℃）；

t1—進水溫度，單位℃；

t2—出水溫度，℃；

m—被加熱水的質量流量，單位kg/h。

熱泵COP：

表1 實驗工況

式中：

P—壓縮機和風機耗電量，單位kW。

遵循蒸氣壓縮制冷理論循環的壓焓圖狀態參數命名規則，壓縮機吸氣口為點1，排氣口為點2，電子膨脹閥前為點3，蒸發器入管為點4。蒸發壓力為P0，冷凝壓力為Pk，利用Refprop9.0軟件分別計算對應狀態點的制冷劑比體積v/（m3/kg）、比焓h/（kJ/kg）、比熵s/（kJ /kg*k），然后通過公式計算即可得到以下參數：

單位質量制冷量q0/（kJ/kg）：

單位質量制熱量qk/（kJ/kg）：

單位容積制冷量qzv/（kJ/m3）：

比功w/（kJ/kg）：

制冷劑質量流量qm/（kg/s）：

理論輸氣量qvh/（m3/s）：

該機組壓縮機為松下渦旋壓縮C-SCP360H38M，排氣容積為120.3 cm3/rev.，即額定工況理論輸氣量qvh為0.005 822 52 m3/s。

實際輸氣量qvs/(m3/s)：

容積效率λ：

壓比π：

2 實驗結果與分析

2.1 環境溫度和進水溫度對熱泵系統制熱量的影響

系統制熱量Q、單位質量制熱量qk、制冷劑質量流量qm以及容積效率λ隨環境溫度和進水溫度的變化分別見圖2～5。由圖2可知，當外界環境溫度相同時，環境溫度7 ℃和0 ℃工況下，制熱量隨著進水溫度的升高而變化不明顯；環境溫度-15 ℃時，制熱量隨著進水溫度的升高而降低，這種趨勢在低中水溫時降低較少，但高水溫時制熱量相對低水溫降低32.51 %。當進水溫度相同時，制熱量隨著環境溫度的降低而降低，尤其是高水溫時，環境溫度-15 ℃的制熱量比7 ℃降低57.76 %。

圖2 系統制熱量隨環境溫度和進水溫度的變化

原因由圖3～5可知，環溫7 ℃和0 ℃工況下，雖然單位質量制熱量qk隨著進水溫度的升高冷凝效果下降，且容積效率λ隨著進水溫度升高而降低，但是由于冷凝溫度升高，同環溫工況下蒸發壓力有所提升，吸氣比體積減小，因此制冷劑質量流量qm隨著進水溫度升高依然呈上升趨勢，總體表現為制熱量變化量不明顯。而環溫-15 ℃高水溫工況下，壓比π高達7.4導致容積效率λ嚴重下降，實際輸氣量只有理論輸氣量的60 %，此時的質量流量急劇下降，所以-15 ℃高水溫工況制熱量衰減嚴重。

圖3 單位質量制熱量隨環境溫度和進水溫度的變化

綜上，環境溫度是影響制熱量的主要因素，進水溫度是影響制熱量的次要因素，進水溫度的影響程度在低環溫、高水溫工況即壓比π大的工況明顯增加。

2.2 環境溫度和進水溫度對熱泵系統功率的影響

系統總功率、比功以及壓比隨環境溫度和進水溫度的變化分別見圖6～8。由圖6可知，當外界環境溫度相同時，隨著進水溫度的升高，熱泵系統的總功率呈上升趨勢。環境溫度7 ℃時，中水溫比低水溫功耗增加36 %，高水溫比低水溫功耗增加102 %；環境溫度0 ℃時，中水溫比低水溫功耗增加31.16 %，高水溫比低水溫功耗增加88.76 %；環境溫度-15 ℃時，中水溫比低水溫功耗增加37.2 %，高水溫比低水溫功耗增加81.53 %。當進水溫度相同時，低中水溫工況下，總功率隨著環境溫度升高變化不明顯，但高水溫工況下，總功率隨環境溫度升高明顯增加。

圖6 功率隨環境溫度和進水溫度的變化

結合圖4、圖5、圖7、圖8可知，環境溫度7 ℃和0 ℃工況下，qm隨著進水溫度升高而升高，比功w也因壓比π增加而呈上升趨勢，二者增加均導致功耗增加，且水溫越高冷凝壓力越高，壓比π越大，功耗增加越快。環境溫度7℃和0℃時，低中水溫工況功率增幅比例相近，但是在高水溫時隨著環境溫度的提升，功耗增加幅度增大。這是因為雖然環境溫度提高，壓比π減少，比功w略降低，但是蒸發壓力升高比體積減小，導致qm增加幅度大，綜合結果體現為高水溫工況，環境溫度越高，功耗越大。環境溫度-15 ℃時，高水溫工況，雖然容積效率λ急劇降低，qm下降，但是壓比π非常高，比功w很大，所以該工況功率只比7℃高水溫工況降低12.87 %。

圖4 制冷劑質量流量隨環境溫度和進水溫度的變化

圖5 容積效率隨環境溫度和進水溫度的變化

圖7 比功隨環境溫度和進水溫度的變化

圖8 壓比隨環境溫度和進水溫度的變化

綜上，進水溫度是影響總功率的主要因素，環境溫度是影響總功率的次要因素，環境溫度的影響程度在低環溫、高水溫工況即壓比π大的工況明顯增加。

2.3 環境溫度和進水溫度對熱泵COP的影響

熱泵COP隨環境溫度和進水溫度的變化如圖9 所示。由圖9可知，熱泵COP隨著環境溫度的降低而降低，隨著進水溫度的升高而降低，這是因為雖然環境溫度不變時，中低水溫時制熱量變化較小，環境溫度-15℃高水溫工況制熱量衰減明顯，但是進水溫度升高導致系統總功率一直在升高，所以系統能效均在降低。當進水溫度不變時，環境溫度越低制熱量越低，但是總功率卻相差較少，所以系統能效降低。

圖9 熱泵COP隨環境溫度和進水溫度的變化

2.4 系統性能的優化

容積效率λ隨壓比π的變化如圖10所示。從圖10中可以看出，容積效率λ隨著壓比π增加而減小。π在3以下，λ可以達到93 %以上；π在3～4之間 ，λ為91 %；π在4～5.5之間，λ為86 %；壓比π在7.4，λ為60 %，當壓比π大于7時λ急劇下降。由計算公式及前面分析可知，不管是環境溫度改變還是進水溫度改變，最終都是是由實際輸氣量和單位質量制熱量來決定制熱量的大小，由實際輸氣量和比功來決定總功率的大小，而實際輸氣量取決于λ的大小，比功取決于壓比的大小，因此可以采用噴氣增焓系統增加補氣量；或者采用變頻壓縮機，在低環溫工況適當升頻來提升補氣量；或者采用再加熱的方法提高蒸發器出口冷媒的吸氣溫度等來提高系統制熱量和COP。

圖10 容積效率隨壓比的變化

3 結論

本文以商用循環型空氣源熱泵熱水機組作為研究對象，通過改變環境溫度和機組進水溫度，對比研究系統性能的變化規律，得出如下結論:

1）當外界環境溫度相同時，環境溫度7 ℃和0 ℃工況下，制熱量隨著進水溫度的升高變化量不顯著；環境溫度-15 ℃時，制熱量隨著進水溫度的升高而降低，這種趨勢在低中水溫時降低較少，但是高水溫時制熱量相對低水溫降低32.51 %。

2）當進水溫度相同時，制熱量隨著環境的降低而降低，尤其是高水溫時環境溫度-15 ℃制熱量比7 ℃降低57.76 %。

3）環境溫度是影響制熱量的主要因素，進水溫度是影響制熱量的次要因素，環境溫度的影響程度在低環溫高水溫工況即壓比π大的工況明顯增加。

4）當外界環境溫度相同時，隨著進水溫度的升高，熱泵系統的總功率呈上升趨勢。環境溫度7 ℃時，中水溫比低水溫功耗增加36 %，高水溫比低水溫功耗增加102 %；環境溫度0 ℃時，中水溫比低水溫功耗增加31.16 %，高水溫比低水溫功耗增加88.76 %；環境溫度-15 ℃時，中水溫比低水溫功耗增加37.2 %，高水溫比低水溫功耗增加81.53 %。

5）當進水溫度相同時，低中水溫總功率隨著環境溫度升高變化不明顯，但是高水溫時環境溫度越高總功率越高。

6）進水溫度是影響總功率的主要因素，環境溫度是影響總功率的次要因素，環境溫度的影響程度在低環溫高水溫工況即壓比π大的工況明顯增加。

7）熱泵COP隨著環境溫度的降低而降低，隨著進水溫度的升高而降低。

8）可以采用噴氣增焓系統增加補氣量；或者采用變頻壓縮機，在低環溫工況適當升頻來提升補氣量；或者采用再加熱的方法提高蒸發器出口冷媒的吸氣溫度等來提高系統制熱量和COP。