(1 鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院 鄭州 450000；2 鄭州歐納爾冷暖科技有限公司 鄭州 451100)

傳統(tǒng)燃煤供暖方式嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，清潔能源的使用已成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)[1]?？諝庠礋岜美媚婵ㄖZ循環(huán)原理，消耗少量電能，可將空氣中的低品位熱能轉(zhuǎn)為高品位熱能來制取所需冷量或生活熱水[2]。空氣源熱泵雖具有節(jié)能、環(huán)保、高效、安裝使用方便等特點(diǎn)，但在北方低溫工況下運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)排氣溫度過高、制熱量驟減、能效較低、容易結(jié)霜等問題，阻礙了其發(fā)展和應(yīng)用[3-4]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這些問題展開了大量的研究。

Zhang Ze等[5-7]研究了空氣源熱泵熱水器不同制冷劑充注量和膨脹閥開度下的制熱特性，結(jié)果表明，熱泵的制熱性能隨充注量的增加，先增加后減小，在最佳充注量下，不同的膨脹閥開度對(duì)系統(tǒng)的性能影響較大。Jiang Mingliu等[8-10]研究了電子膨脹閥調(diào)節(jié)對(duì)空氣源熱泵熱水器性能的影響，研究表明，在電子膨脹閥開度一定時(shí)，制熱量和能效存在最大值，當(dāng)開度不同時(shí)，加熱初期開度越大制熱量越大，而后期則相反。O.Ibrahim等[11-12]對(duì)空氣源熱泵熱水器的冷凝器盤管進(jìn)行數(shù)值模擬，研究冷凝盤管的長(zhǎng)度對(duì)熱泵性能的影響，考慮到成本因素，最終確定了與最佳能效匹配的最短冷凝盤管長(zhǎng)度。張潔等[13]對(duì)空氣源熱泵的節(jié)流機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，研究表明，環(huán)境溫度較高時(shí)，采用粗而短的毛細(xì)管性能較好，而環(huán)境溫度較低時(shí)，采用細(xì)而長(zhǎng)的毛細(xì)管性能較好。Peng Jingwei等[14]在不同外溫和不同水溫條件下，對(duì)比了熱泵熱水器不同節(jié)流設(shè)備的性能，研究發(fā)現(xiàn)電子膨脹閥仍是熱泵系統(tǒng)中最佳的節(jié)流設(shè)備，節(jié)流短管次之，毛細(xì)管最差。曲明璐等[15]為解決復(fù)疊式空氣源熱泵除霜問題，提出增設(shè)蓄熱器的除霜系統(tǒng)，與傳統(tǒng)熱氣旁通除霜相比，其除霜時(shí)間明顯縮短，除霜能耗大幅降低。Xue Liping等[16]研究了環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、迎面風(fēng)速對(duì)翅片管式換熱器結(jié)霜性能的影響，研究表明雖然更低的環(huán)境溫度或相對(duì)濕度可以降低換熱器結(jié)霜量，但會(huì)增加霜層密度，提高迎面風(fēng)速可以減小制熱能力的下降程度。張超等[17]模擬了氣冷器進(jìn)水流量對(duì)熱泵熱水器性能的影響，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)制熱量、COP及出口水溫均隨進(jìn)水流量的增加而增加。呂靜等[18]研究了水箱水溫對(duì)CO2熱泵熱水器性能的影響，結(jié)果表明：隨著水溫的升高，功耗增加，系統(tǒng)制熱量和能效降低，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)水箱提出了改進(jìn)方案，有效提高了系統(tǒng)的性能。袁朝陽(yáng)等[19]研究了初始水溫對(duì)空氣源熱泵熱水器制熱性能的影響，結(jié)果表明初始水溫相同時(shí)，隨著加熱的進(jìn)行，COP下降，當(dāng)初始水溫不同時(shí)，受壓縮機(jī)吸氣帶液的影響，COP先升高后下降。凌擁軍等[20]研究了水側(cè)溫度對(duì)CO2空氣源熱泵熱水機(jī)性能的影響，結(jié)果表明在進(jìn)水溫度不變時(shí)，隨著出水溫度升高，系統(tǒng)COP降低，在出水溫度不變時(shí)，隨著進(jìn)水溫度的升高，系統(tǒng)COP也降低。

從以上研究進(jìn)展可以看出，為了提高低溫空氣源熱泵的制熱性能，前人在熱泵系統(tǒng)匹配和換熱器結(jié)霜融霜方面進(jìn)行了較多研究，但很少以供水溫度作為研究的切入點(diǎn)，來改善熱泵的制熱性能，關(guān)于空氣源熱泵將水加熱至何種供水溫度最節(jié)能的研究也較少。本文從提高低溫空氣源熱泵的制熱性能出發(fā)，研究供水溫度對(duì)熱泵制熱性能的影響，找到最節(jié)能的供水溫度點(diǎn)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

低溫空氣源熱泵性能檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，由制冷劑循環(huán)和水循環(huán)兩部分組成。

圖1 低溫空氣源熱泵性能檢測(cè)系統(tǒng)Fig.1 The test system of low temperature air source heat pump performance

制冷劑循環(huán)部分由壓縮機(jī)、板式冷凝器、高壓貯液器、翅片式蒸發(fā)器、過濾器、氣液分離器、經(jīng)濟(jì)器、電子膨脹閥等組成。壓縮機(jī)采用帶中間補(bǔ)氣的渦旋式壓縮機(jī)，定頻50 Hz，額定制熱量92.2 kW，額定功率13 kW。制冷劑選用R410A，充注量為20 kg。冷凝器采用高效的釬焊板式換熱器，規(guī)格為495 mm×247 mm×201 mm，傳熱面積為6.4 m2，總板片數(shù)為66，有效板片數(shù)為64。翅片管式風(fēng)冷式蒸發(fā)器采用銅管鋁翅片，肋片厚度為0.10 mm，肋片間距為2.5 mm，換熱器規(guī)格為1 850 mm×1 000 mm×65 mm，3排40孔，孔距為25 mm，排距為21.65 mm。節(jié)流機(jī)構(gòu)采用電子膨脹閥，可對(duì)熱泵工況進(jìn)行更高精度的調(diào)節(jié)。

水循環(huán)部分由循環(huán)水泵，電加熱箱和蓄水箱、電磁流量計(jì)等組成，水泵揚(yáng)程為20 m，水體積流量為12.87 m3/h，電加熱箱可用來調(diào)節(jié)水箱溫度，蓄水箱規(guī)格為1.2 m×1.2 m×1.2 m，體積為1.73 m3，熱水從水箱上部流入，下部流出，使熱泵系統(tǒng)完成對(duì)水的循環(huán)加熱。

該檢測(cè)系統(tǒng)用于模擬低溫空氣源熱泵室外運(yùn)行環(huán)境。當(dāng)熱泵開啟制熱模式運(yùn)行時(shí)，組合式空氣調(diào)節(jié)機(jī)組通過開啟變頻風(fēng)機(jī)，輔助壓縮冷凝機(jī)組釋放冷量，冷量由低溫冷風(fēng)機(jī)擴(kuò)散到被試機(jī)運(yùn)行空間內(nèi)，平衡被試機(jī)產(chǎn)生的熱負(fù)荷，并按照國(guó)標(biāo)要求，使實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)維持實(shí)驗(yàn)所需的環(huán)境溫度；為了防止蓄水箱的溫度過高，用風(fēng)冷熱泵機(jī)組來調(diào)節(jié)蓄水箱溫度；取樣裝置用來測(cè)量計(jì)算實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)的干濕球溫度和相對(duì)濕度。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的參數(shù)有：空氣相對(duì)濕度，蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度，進(jìn)、供水口溫度，板換溫度、盤管溫度、壓縮機(jī)吸排氣溫度及其對(duì)應(yīng)的壓力，水泵流量等?？諝庀鄬?duì)濕度和蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度由取樣風(fēng)機(jī)測(cè)量，測(cè)量精度為0.01 ℃，進(jìn)出口水溫由康銅-鉑銅溫度傳感器測(cè)量，測(cè)量精度為0.01 ℃，冷凝器板換溫度、蒸發(fā)器盤管溫度、壓縮機(jī)吸排氣溫度由布置在其上的熱電偶測(cè)量，壓縮機(jī)吸排氣壓力由壓力傳感器測(cè)量，水泵流量由電磁流量計(jì)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

1空氣源熱泵；2取樣風(fēng)機(jī)裝置；3風(fēng)機(jī)；4供水口；5進(jìn)水口。圖2 低溫空氣源熱泵的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental installation of low temperature air source heat pump

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在低溫?zé)岜眯阅軐?shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，選擇低溫空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)GB/T 25127.1—2010低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機(jī)組[21]的要求，調(diào)節(jié)組合式空氣調(diào)節(jié)機(jī)組，設(shè)置室外溫度-12 ℃，并添加室外溫度-6 ℃進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，控制電子膨脹閥開度為25°(反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定的最佳開度)，調(diào)節(jié)水泵循環(huán)水體積流量為12.87 m3/h，設(shè)置初始水溫為20 ℃，開啟熱泵加熱，提高系統(tǒng)供水溫度，當(dāng)供水溫度分別為25、30、35、40、45、50、55 ℃時(shí)，分析熱泵機(jī)組的吸排氣溫度、壓縮比、制熱量、制熱能效、輸入功率的變化規(guī)律，總結(jié)影響空氣源熱泵能效的重要因素。

1.3 計(jì)算公式

在熱泵性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，可測(cè)得總功耗W、進(jìn)口水溫twat,in、供水溫度twat,out，通過理論計(jì)算可得：

系統(tǒng)制熱量Qhot：

Qhot=cρ水qV(twat,out-twat,in)

(1)

熱泵COP：

COP=Qhot/W

(2)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 供水溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)制熱量的影響

圖3所示為系統(tǒng)制熱量隨供水溫度的變化?？芍?dāng)外界環(huán)境溫度相同時(shí)，低溫空氣源熱泵將水從20 ℃加熱至55 ℃，制熱量呈先升高后降低的趨勢(shì)，即制熱量存在一個(gè)最大值，這是因?yàn)殡S著加熱過程的進(jìn)行，熱泵系統(tǒng)內(nèi)流過的制冷劑流量不斷增加，壓縮機(jī)的吸排氣溫度和壓縮比逐漸升高，制熱量增加，當(dāng)加熱至約40 ℃時(shí)，制熱量達(dá)到最大值(環(huán)境溫度-12 ℃時(shí)，約為額定制熱量的0.6倍)，且能滿足用戶對(duì)供熱的需求。當(dāng)繼續(xù)加熱，在蒸發(fā)溫度不變的情況下，冷凝溫度不斷增加，冷凝壓力增加，壓縮機(jī)的排氣溫度和壓縮比增加，超過正常范圍值，壓縮機(jī)容積效率降低，制熱過程開始惡化，導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)的制熱量減小，系統(tǒng)制熱量將不能滿足用戶需求。

圖3 系統(tǒng)制熱量隨供水溫度的變化Fig.3 The heating capacity changes with water supply temperature

此外，對(duì)于環(huán)境溫度-12 ℃和-6 ℃兩種工況，當(dāng)供水溫度接近40 ℃時(shí)，制熱量均存在一個(gè)最大值。這是因?yàn)橥画h(huán)境溫度下，熱泵加熱水的過程中，系統(tǒng)的質(zhì)量流量呈先增加后減小的趨勢(shì)[22]，在供水溫度接近40 ℃時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量流量達(dá)到最大值，即系統(tǒng)的制熱量也達(dá)到一個(gè)最大值，但不同的環(huán)境溫度所對(duì)應(yīng)的最佳供水溫度也不同，在工程實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同環(huán)境溫度確定對(duì)應(yīng)的最佳供水溫度，以確定最佳運(yùn)行工況點(diǎn)。

由圖3還可知，在相同的供水溫度下，提高環(huán)境溫度，熱泵系統(tǒng)的制熱量增加。這是因?yàn)樘岣攮h(huán)境溫度，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度上升，壓縮比下降，熱泵制熱性能改善，當(dāng)供水溫度為40 ℃時(shí)，將環(huán)境溫度從-12 ℃升至-6 ℃，制熱量從53 469 W升至57 816 W，增幅為8.1%。

2.2 供水溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)功耗的影響

圖4所示為系統(tǒng)功耗隨供水溫度的變化。由圖4可知，當(dāng)外界環(huán)境溫度相同時(shí)，低溫空氣源熱泵加熱水的過程中，熱泵系統(tǒng)的總功耗呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度不變時(shí)，蒸發(fā)壓力不變，而冷凝壓力受供水溫度變化的影響，當(dāng)供水溫度增加時(shí)，冷凝溫度、冷凝壓力、壓縮比、壓縮機(jī)的輸入功率均增加，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的總功耗W(包括壓縮機(jī)輸入功率和風(fēng)機(jī)的功率等)也隨之增加。

圖4 系統(tǒng)功耗隨供水溫度的變化Fig.4 The power consumption changes with water supply temperature

熱泵在環(huán)境溫度-12 ℃工況下運(yùn)行，供水溫度從25 ℃增至55 ℃，系統(tǒng)總功耗從11 905 W增至24 417 W，增加105%，因此，熱水被加熱的過程中，總功耗增加十分迅速。

由圖4還可知，在相同的供水溫度情況下，提高環(huán)境溫度，熱泵系統(tǒng)功耗增加。這是因?yàn)樵诶淠郎囟炔蛔兊那闆r下，環(huán)境溫度、蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力均增加，壓縮比下降，吸氣比容減小，制冷劑的質(zhì)量流量增加，引起壓縮機(jī)的輸入功率增加，而風(fēng)機(jī)等設(shè)備的功率基本不變，當(dāng)供水溫度為40 ℃時(shí)，將環(huán)境溫度從-12 ℃提高至-6 ℃，熱泵系統(tǒng)功耗從18 887 W升至19 495 W，增幅為3.2%。

2.3 供水溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)COP的影響

圖5所示為系統(tǒng)COP隨供水溫度的變化?？芍?，當(dāng)外界環(huán)境溫度相同時(shí)，低溫空氣源熱泵加熱水的過程中，COP不斷下降。這是因?yàn)楫?dāng)蒸發(fā)溫度不變，隨著供水溫度的升高，冷凝壓力不斷增加，壓縮比增加，制熱量的增加速率<輸入功率的增加速率，制熱效率下降。環(huán)境溫度為-12 ℃時(shí)，將水從25 ℃加熱至55 ℃，系統(tǒng)能效從4.03降至2.11，整個(gè)系統(tǒng)能效下降47.6%。因?yàn)樗患訜岬?0 ℃時(shí)，制熱量最大，且能滿足人們的供熱需求，若繼續(xù)加熱，能效下降，制熱惡化，供熱不足，所以，環(huán)境溫度-12 ℃時(shí)，供水溫度40 ℃為最佳供水溫度點(diǎn)。

圖5 系統(tǒng)COP隨供水溫度的變化Fig.5 COP changes with water supply temperature

由圖5還可知，在相同的供水溫度下，提高環(huán)境溫度，熱泵系統(tǒng)COP增加。這是因?yàn)楫?dāng)冷凝溫度不變時(shí)，提高環(huán)境溫度，蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力增加，壓縮比下降，吸氣比容減小，制冷劑的質(zhì)量流量增加，制熱效果改善，系統(tǒng)的制熱能效增加，當(dāng)供水溫度為40 ℃時(shí)，將環(huán)境溫度從-12 ℃提高至-6 ℃，系統(tǒng)能效從2.83升至2.97，增幅為4.9%。

2.4 供水溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)排氣溫度的影響

圖6所示為系統(tǒng)排氣溫度隨供水溫度的變化。由圖7可知，當(dāng)外界環(huán)境溫度相同時(shí)，低溫空氣源熱泵將水從20 ℃加熱至55 ℃，壓縮機(jī)的排氣溫度不斷增加。這是因?yàn)樵谡舭l(fā)溫度不變時(shí)，水溫增加，冷凝溫度、冷凝壓力、壓縮比均增加，引起壓縮機(jī)的吸氣比容增加，流經(jīng)整個(gè)回路的制冷劑流量減少，單位質(zhì)量的制冷劑需要帶走的熱量增加，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的排氣溫度上升。

圖6 排氣溫度隨供水溫度的變化Fig.6 The exhaust temperature changes with water supply temperature

由圖6還可知，供水溫度不變時(shí)，提高環(huán)境溫度，壓縮機(jī)的排氣溫度下降。這是因?yàn)楫?dāng)冷凝溫度不變時(shí)，提高環(huán)境溫度，蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力上升，壓縮比下降，流經(jīng)整個(gè)回路的制冷劑流量增加，單位質(zhì)量的制冷劑需要帶走的熱量減小，最終排氣溫度下降。當(dāng)供水溫度為40 ℃時(shí)，環(huán)境溫度從-12 ℃升至-6 ℃，排氣溫度從83 ℃降至78 ℃，降幅為6.0%。

2.5 供水溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)壓縮比的影響

圖7所示為系統(tǒng)壓縮比隨供水溫度的變化。由圖7可知，當(dāng)外界環(huán)境溫度相同時(shí)，低溫空氣源熱泵將水從25 ℃加熱至55 ℃，壓縮機(jī)的壓縮比不斷增加。這是因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度不變時(shí)，蒸發(fā)壓力不變，隨著供水溫度的升高，對(duì)應(yīng)的冷凝溫度升高，壓縮機(jī)的排氣溫度和冷凝壓力升高，引起系統(tǒng)的壓縮比增加。

圖7 系統(tǒng)壓縮比隨供水溫度的變化Fig.7 The compression ratio changes with water supply temperature

由圖7還可知，供水溫度不變時(shí)，提高環(huán)境溫度，壓縮機(jī)的壓縮比下降。這是因?yàn)楣┧疁囟炔蛔儠r(shí)，冷凝壓力不變，提高環(huán)境溫度，蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力上升，引起壓縮比下降。當(dāng)供水溫度為40 ℃時(shí)，將環(huán)境溫度從-12 ℃升至-6 ℃，壓縮比從7.66降至6.91，降幅為9.8%。

3 結(jié)論

本文從提高低溫空氣源熱泵的制熱性能出發(fā)，設(shè)定相同的初始水溫，研究供水溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)各制熱參數(shù)的影響，得到如下結(jié)論：

1)環(huán)境溫度-12 ℃和-6 ℃兩種工況，在持續(xù)提高熱泵系統(tǒng)供水溫度的過程中，制熱量呈先增加后降低的趨勢(shì)。將水加熱至約40 ℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)制熱量達(dá)到最大值，如需繼續(xù)加熱，建議采用其他加熱方式(如太陽(yáng)能輔助加熱等)，以達(dá)到節(jié)能目的。

2)環(huán)境溫度-12 ℃工況，供水溫度從25 ℃增至55 ℃時(shí)，系統(tǒng)功耗從11 905 W增至24 417 W，增加105%，功耗增長(zhǎng)迅速，建議采用變速風(fēng)機(jī)，以控制系統(tǒng)功耗的增加。

3)環(huán)境溫度-12 ℃工況，低溫空氣源熱泵將水從25 ℃加熱至55 ℃，系統(tǒng)能效從4.03降至2.11，整個(gè)系統(tǒng)能效下降47.6%，將環(huán)境溫度升至-6 ℃，制熱性能得到改善，因此，可采用提高環(huán)境溫度等措施提高系統(tǒng)制熱能效。

4)當(dāng)供水溫度為40 ℃時(shí)，將環(huán)境溫度從-12 ℃升至-6 ℃，系統(tǒng)制熱量從53 469 W升至57 816 W，增幅為8.1%，系統(tǒng)功耗從18 887 W增至19 495 W，增幅為3.2%，系統(tǒng)能效從2.83升至2.97，增幅為4.9%，排氣溫度從83 ℃降至78 ℃，降幅為6.0%，壓縮比從7.66降至6.91，降幅為9.8%。

符號(hào)說明

t——溫度，℃

ρ水——密度，kg/m3

qV——體積流量，m3/s

c——比熱容，kJ/(kg·℃)

W——功耗，W

Qhot——制熱量，W