牛建會 許樹學(xué) 馬國遠(yuǎn) 劉帥領(lǐng)

壓縮機(jī)變頻毛細(xì)管空氣源熱泵的實(shí)驗(yàn)研究

牛建會1,2許樹學(xué)1馬國遠(yuǎn)1劉帥領(lǐng)1

（1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124； 2.河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院 張家口 075000）

針對目前我國北方“煤改電”工程中廣泛應(yīng)用的空氣源熱泵，提出以毛細(xì)管作為節(jié)流元件，采用變頻壓縮機(jī)的空氣源熱泵系統(tǒng)。搭建實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)研究在不同的毛細(xì)管長度下，壓縮機(jī)吸氣壓力、排氣溫度及機(jī)組制熱性能隨工況和壓縮機(jī)頻率的變化規(guī)律，為優(yōu)化設(shè)計空氣源熱泵提供參考。

空氣源熱泵；壓縮機(jī)變頻；毛細(xì)管；制熱性能

0 引言

目前，京津冀地區(qū)正在進(jìn)行大規(guī)模的“煤改電”工程。統(tǒng)計資料顯示，2017年，北京市農(nóng)村居民“煤改電”工程涉及13個區(qū)522個村、20.5萬戶，總戶數(shù)將達(dá)到近80萬戶[1]，家家戶戶已由原來的家用燃煤小鍋爐替換成空氣源熱泵機(jī)組。這些成批成型的熱泵機(jī)組節(jié)流元件多數(shù)采用電子膨脹閥，電子膨脹閥價格昂貴，如若將毛細(xì)管應(yīng)用到空氣源熱泵中，將會大大降低機(jī)組成本。

毛細(xì)管因其具有結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在家用空調(diào)及小型熱泵熱水器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[2-7]。蘇順玉等[8]根據(jù)氣液兩相流動的均相流假設(shè)，建立了絕熱毛細(xì)管的分布參數(shù)模型，在冷熱工況下空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量差值的基礎(chǔ)上，采用該模型模擬計算了應(yīng)用毛細(xì)管節(jié)流的熱泵型空調(diào)系統(tǒng)中主副毛細(xì)管的長度。曹雯莉等[9]研究一種新型結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管組件，可克服傳統(tǒng)毛細(xì)管流量變化單一的缺點(diǎn), 并通過優(yōu)化設(shè)計其結(jié)構(gòu)，使其具有較靈活的流量變化特性。本文提出以毛細(xì)管作為節(jié)流元件，搭建了壓縮機(jī)變頻毛細(xì)管節(jié)流運(yùn)行的空氣源熱泵系統(tǒng)，以R134a為制冷劑，實(shí)驗(yàn)研究機(jī)組制熱性能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 系統(tǒng)組成

壓縮機(jī)變頻毛細(xì)管熱泵系統(tǒng)工作原理如圖1所示。系統(tǒng)由變頻壓縮機(jī)、室內(nèi)換熱器、毛細(xì)管、4臺室外換熱器及油分離器、儲液器、氣液分離器等附件組成，實(shí)現(xiàn)冬季制熱功能。與普通熱泵系統(tǒng)不同之處在于本裝置包含4臺相同結(jié)構(gòu)、相同換熱面積的管翅式蒸發(fā)器和與之相對應(yīng)的4根相同內(nèi)徑和相同長度的毛細(xì)管。高溫高壓制冷劑液體由儲液罐經(jīng)供液管送到4臺室外機(jī)入口前的毛細(xì)管，經(jīng)節(jié)流降壓后進(jìn)入室外換熱器吸熱氣化，經(jīng)回氣管流入氣液分離器后被壓縮機(jī)吸入壓縮，壓縮機(jī)排氣經(jīng)油分離器后進(jìn)入室內(nèi)換熱器放熱制取熱量。

圖1 壓縮機(jī)變頻毛細(xì)管空氣源熱泵系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

基于一臺額定功率6HP變頻壓縮機(jī)搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示。機(jī)組組裝完畢后在焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測試，室內(nèi)側(cè)溫度控制范圍10～50℃，相對濕度30%～85%，室外側(cè)溫度-15～55℃，相對濕度30%～85%，室內(nèi)、外側(cè)溫度控制精度±0.1℃，濕度控制精度±0.1℃(WB)。壓縮機(jī)功率通過高精度電量測試儀表獲得。系統(tǒng)的制熱量通過制冷劑流量計測得的質(zhì)量流量乘以冷凝器的進(jìn)出口制冷劑焓差獲得。

圖2 空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)測試裝置

為了更好地評價系統(tǒng)的性能，本實(shí)驗(yàn)對其主要部位的溫度傳感器、壓力變送器及壓縮機(jī)功率計、制冷劑質(zhì)量流量計等儀表進(jìn)行了標(biāo)定，主要實(shí)驗(yàn)測量儀器見表1。

表1 主要實(shí)驗(yàn)儀器

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)控制室內(nèi)側(cè)溫度為24℃，室外側(cè)溫度為0℃，壓縮機(jī)和變頻器相連，使壓縮機(jī)頻率能從35Hz調(diào)節(jié)到50Hz，根據(jù)工況毛細(xì)管采用內(nèi)徑為1mm、長度分別為850mm、750mm和500mm，研究不同壓縮機(jī)頻率和不同毛細(xì)管長度下壓縮機(jī)吸氣壓力、排氣溫度、制熱量及制熱COP的變化。

3 結(jié)果與討論

如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均取為熱泵機(jī)組穩(wěn)定后運(yùn)行20分鐘的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 吸氣壓力的變化

圖3 壓縮機(jī)吸氣壓力變化（毛細(xì)管長850mm）

圖4 壓縮機(jī)吸氣壓力變化（毛細(xì)管長750mm）

圖5 壓縮機(jī)吸氣壓力變化（毛細(xì)管長500mm）

由圖3～圖5可知，相同毛細(xì)管長度下，壓縮機(jī)頻率越高，吸氣壓力越低；相同壓縮機(jī)頻率下，毛細(xì)管長度越長，壓縮機(jī)吸氣壓力越低。如圖3所示，毛細(xì)管長750mm、壓縮機(jī)頻率為35Hz時，吸氣壓力最大為1.47Bar；壓縮機(jī)頻率為40Hz時，吸氣壓力約為1.26Bar；壓縮機(jī)頻率為45Hz時，吸氣壓力最低為1.05Bar，已接近吸氣負(fù)壓。毛細(xì)管長750mm和500mm時，吸氣壓力變化特點(diǎn)與之相同。如圖3、圖4所示，當(dāng)毛細(xì)管長分別為850mm和750mm、壓縮機(jī)頻率為35Hz時，吸氣壓力分別為1.35Bar和1.45Bar，前者比后者高0.1Bar；壓縮機(jī)頻率為45Hz時，壓縮機(jī)吸氣壓力均已達(dá)到或接近吸氣負(fù)壓。如圖5所示，當(dāng)毛細(xì)管長為500mm、壓縮機(jī)頻率為50Hz時，吸氣壓力最低為1.3Bar，壓縮機(jī)頻率為35Hz時，吸氣壓力高達(dá)1.94Bar。

3.2 排氣溫度的變化

圖6 壓縮機(jī)排氣溫度變化（毛細(xì)管長850mm）

圖7 壓縮機(jī)排氣溫度變化（毛細(xì)管長750mm）

由圖6～圖8可知，相同毛細(xì)管長度下，壓縮機(jī)頻率越高，排氣溫度越高；相同壓縮機(jī)頻率下，毛細(xì)管越長，排氣溫度越高。如圖6所示，毛細(xì)管長為850mm、壓縮機(jī)頻率為45Hz時，排氣溫度達(dá)到96℃，當(dāng)壓縮機(jī)頻率為35Hz時，排氣溫度降低到88℃。如圖8所示，毛細(xì)管長為500mm、壓縮機(jī)頻率為50Hz時，排氣溫度最大為79℃；壓縮機(jī)頻率為45Hz時，排氣溫度約為74℃，比毛細(xì)管長為850mm同一壓縮機(jī)頻率下，壓縮機(jī)排氣溫度要低22℃；而當(dāng)壓縮機(jī)頻率為35Hz時，排氣溫度降為67℃。

3.3 制熱量的變化

對比圖9～圖11可以，相同壓縮機(jī)頻率下，毛細(xì)管長度越小，機(jī)組制熱量越高。如圖11所示毛細(xì)管長為500mm、不論壓縮機(jī)頻率為多少，其制熱量始終高于毛細(xì)管長為850mm和750mm的制熱量；當(dāng)壓縮機(jī)頻率50Hz時，制熱量最大能達(dá)到6.18kW。這主要是由于毛細(xì)管長度越小，節(jié)流作用越小，循環(huán)的制冷劑流量越大，在不同壓縮機(jī)頻率下毛細(xì)管長為500mm時，制冷劑流量均比毛細(xì)管長度增長后的大。由圖9和圖10可知，毛細(xì)管長分別為850mm和750mm、壓縮機(jī)頻率為35Hz時，制熱量最小，壓縮機(jī)頻率為45Hz時，制熱量最大，而圖11中毛細(xì)管長為500mm、壓縮機(jī)頻率為50Hz時，制熱量最大，但制熱量同45Hz時相差不大。由以上可知，不論毛細(xì)管長度為多少，壓縮機(jī)頻率越高，制熱量越大，這主要是由于壓縮機(jī)頻率越高，相同運(yùn)行工況下，循環(huán)的制冷劑流量越大所導(dǎo)致的。

圖9 制熱量變化（毛細(xì)管長850mm）

圖10 制熱量變化（毛細(xì)管長750mm）

圖11 制熱量變化（毛細(xì)管長500mm）

3.4 制熱COP的比較

圖12 不同壓縮機(jī)頻率的制熱COP

由圖12可知，相同壓縮機(jī)頻率下，毛細(xì)管長度越小，機(jī)組制熱COP越高。不同壓縮機(jī)頻率、不同長度毛細(xì)管下，機(jī)組制熱COP變化不盡相同，毛細(xì)管長為850mm時，壓縮機(jī)頻率為40Hz時，制熱COP最大為2.85；毛細(xì)管長度為750mm時，壓縮機(jī)頻率為45Hz時，制熱COP最大為3.01；毛細(xì)管長度為500mm時，壓縮機(jī)頻率為35Hz時，制熱COP最大為3.81。由此可見，毛細(xì)管長度為500mm、壓縮機(jī)頻率為35Hz時，制熱COP獲得最大值。

另外，相同壓縮機(jī)頻率下，毛細(xì)管長度越小，機(jī)組制熱COP越高。不同壓縮機(jī)頻率、不同長度毛細(xì)管下，機(jī)組制熱COP變化不盡相同，毛細(xì)管長為850mm時，壓縮機(jī)頻率為40Hz時，制熱COP最大為2.85；毛細(xì)管長度為750mm時，壓縮機(jī)頻率為45Hz時，制熱COP最大為3.01；毛細(xì)管長度為500mm時，壓縮機(jī)頻率為35Hz時，制熱COP最大為3.81。由此可見，以毛細(xì)管長度為500mm，壓縮機(jī)頻率為35Hz時，制熱COP為最大。

4 結(jié)論

本文提出采用毛細(xì)管節(jié)流，同時壓縮機(jī)變頻的空氣源熱泵系統(tǒng)，搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)的制熱性能，得出的結(jié)論如下：

（1）相同毛細(xì)管長度下，壓縮機(jī)頻率越高，吸氣壓力越低；相同壓縮機(jī)頻率下，毛細(xì)管長度越長，壓縮機(jī)吸氣壓力越低。當(dāng)毛細(xì)管長度為850mm和750mm，壓縮機(jī)頻率為45Hz時，壓縮機(jī)吸氣壓力均已達(dá)到或接近吸氣負(fù)壓。

（2）相同毛細(xì)管長度下，壓縮機(jī)頻率越高，排氣溫度越高；相同壓縮機(jī)頻率下，毛細(xì)管越長，排氣溫度越高。當(dāng)毛細(xì)管長度為500mm、壓縮機(jī)頻率為35Hz時，壓縮機(jī)排氣溫度最低，為67℃。

（3）相同毛細(xì)管長度下，壓縮機(jī)頻率越高，制熱量越大；相同壓縮機(jī)頻率下，毛細(xì)管長度越短，機(jī)組制熱量越高。毛細(xì)管長度為500mm，當(dāng)壓縮機(jī)頻率為50Hz時，制熱量最大能達(dá)到6.18kW。

（4）相同壓縮機(jī)頻率下，毛細(xì)管長度越小，機(jī)組制熱COP越高；不同毛細(xì)管長度、不同壓縮機(jī)頻率下，以毛細(xì)管長度為500mm，壓縮機(jī)頻率為35Hz時，制熱COP取得最大值為3.81。

由此可見，針對此額定6HP變頻壓縮機(jī)，采用毛細(xì)管節(jié)流的空氣源熱泵系統(tǒng)，以毛細(xì)管長度為500mm、壓縮機(jī)頻率為35Hz時系統(tǒng)制熱性能最優(yōu)，其制熱量、制熱COP均為最大，而其吸氣壓力和排氣溫度適中。

[1] 劉楚.北京市今年20.5萬居民煤改電[OL].http:/ /www. gov.cn/shuju/201704/07/content_5183876.htm,2017-04-07.

[2] 孫濤,郭憲民,楊明.毛細(xì)管長度對熱泵熱水器系統(tǒng)動態(tài)性能的影響[J].流體機(jī)械,2009,37(8):58-62.

[3] 郭憲民,王燕,沈晨,等.排風(fēng)余熱回收型熱泵熱水器動態(tài)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,2007,35(3):55-59.

[4] 楊明.熱泵熱水器動態(tài)性能模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].天津:天津商業(yè)大學(xué),2008.

[5] Jie Ji, Tin-tai Chow, Gang Pei, et al. Domestic air conditioner and integrated water heater for subtropical climate[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(5): 581-592.

[6] Jie Ji, Gang Pei, Tin-tai Chow, etc. Performance of multi-function domestic heat pump system[J]. Applied Energy, 2005,80(3):307-326.

[7] 熊珍琴,王如竹,吳靜怡.小型家用熱泵熱水器的實(shí)驗(yàn)研[C].杭州:第3屆制冷空調(diào)新技術(shù)研討會,2005:182-186.

[8] 蘇順玉,張春枝,陳儉.空氣源熱泵毛細(xì)管節(jié)流空調(diào)統(tǒng)的研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,36(12):1-4.

[9] 曹雯莉,陳東,謝繼紅,等.制冷熱泵裝置毛細(xì)管組件及其應(yīng)用特性研究[J].天津科技大學(xué)學(xué)報,2013,28(5): 75-78.

Experimental Study on an Air source Heat Pump System with a Compressor Frequency Conversion and Capillary

Niu Jianhui1,2Xu Shuxue1Ma Guoyuan1Liu Shuailing1

( 1.College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.College of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou, 075000 )

In view of the widely used air source heat pump unit in the current “coal to electricity” project, an air source heat pump system using capillary as a throttle element was proposed, which used a compressor with frequency conversion. An experimental device was set up, and the change rules of the suction pressure, the discharge temperature of the compressor and the unit thermal performance with the working condition and compressor frequency were experimentally studied, hoping to provide reference for optimizing the design of air source heat pump.

air source heat pump; compressor with frequency conversion; capillary; heating performance

1671-6612（2018）06-590-05

TM925.1/TU831.7

A

北京市教委科技計劃項(xiàng)目（SQKM201810005011）；2017年河北省省級科技計劃項(xiàng)目（17274515）

牛建會（1981-），女，講師，主要從事制冷熱泵技術(shù)研究，E-mail：zjknjh@163.com

許樹學(xué)（1981-），男，講師，主要從事制冷空調(diào)設(shè)備節(jié)能技術(shù)，E-mail：xsx@bjut.edu.cn

2018-03-09