楊永安，李瑞申，孫天慧，朱軼群

（1.天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134；2.華商國(guó)際工程有限公司，北京 100084）

0 引言

在我國(guó)北方寒冷地區(qū)，傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)存在制熱量不足、制熱性能系數(shù)低、壓縮機(jī)排氣溫度高等問(wèn)題，這些問(wèn)題制約著空氣源熱泵在該地區(qū)的應(yīng)用[1-4]。在需要從較低溫度環(huán)境獲得熱量向較高溫度環(huán)境輸送時(shí)，復(fù)疊循環(huán)是很好的解決方案。為解決復(fù)疊熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的應(yīng)用問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，陳光明等[5-8]提出了既可按傳統(tǒng)單級(jí)空氣源熱泵運(yùn)行，又可按復(fù)疊循環(huán)運(yùn)行的新型空氣源熱泵裝置。曲明璐等[9]對(duì)增設(shè)蓄熱器的蓄能復(fù)疊空氣源熱泵除霜系統(tǒng)進(jìn)行了研究，得出此方法時(shí)間較旁通除霜更短，更加節(jié)能。Roh等[10]將補(bǔ)氣增焓技術(shù)應(yīng)用于復(fù)疊熱泵系統(tǒng)，得出通過(guò)補(bǔ)氣增焓技術(shù)改善單獨(dú)高、低溫循環(huán)性能并不能顯著改善系統(tǒng)整體性能。Roh等[10-13]對(duì)R134a/R410A為工質(zhì)的復(fù)疊熱泵系統(tǒng)進(jìn)行研究，得出高溫循環(huán)冷凝溫度升高，中間溫度升高，相應(yīng)最大COP減小，低溫循環(huán)蒸發(fā)溫度升高，中間溫度和最大COP升高。然而，隨著蒸發(fā)溫度降低，高、低溫壓縮機(jī)輸氣量之比不斷變化，而非定值，但對(duì)于傳統(tǒng)的復(fù)疊熱泵系統(tǒng)而言，高、低循環(huán)往往均采用定頻壓縮機(jī)，因此探究具有變頻技術(shù)的復(fù)疊熱泵系統(tǒng)意義重大，故本文主要對(duì)高溫壓縮機(jī)具有變頻性能的復(fù)疊熱泵系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1示出復(fù)疊熱泵系統(tǒng)，高、低溫循環(huán)均采用R410A作為循環(huán)工質(zhì)，高溫循環(huán)變頻壓縮機(jī)、低溫循環(huán)采用定頻壓縮機(jī)。高、低溫循環(huán)通過(guò)冷凝蒸發(fā)器傳遞能量。量熱器中充注飽和的R134a工質(zhì)作為載冷劑，蒸發(fā)器盤(pán)管浸泡在載冷劑中，量熱器中安裝電加熱棒12 kW；高溫循環(huán)冷凝器采用套管式換熱器，與水箱循環(huán)水換熱，水泵前設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁通水路，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥另一端連接溫度較低的自來(lái)水。該系統(tǒng)主要配置見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)與測(cè)試點(diǎn)布置

表1 主要設(shè)備

試驗(yàn)采用鉑電阻PT100（精度為±0.1 ℃）對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量；采用直流電壓型壓力傳感器（CAREL：SPKT0033R0/SPKT0033R0，量 程：-0.1～0.93 MPa/0～3.45 MPa，精度為±0.2%）對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量；采用液體渦輪流量計(jì)（格樂(lè)普：LW-32D2AWNS，量程：0.8～15 m3/h，精度 ±0.5%）對(duì)循環(huán)水流量進(jìn)行測(cè)量高、低溫壓縮機(jī)輸入功率采用YOKOGAWA WT333功率儀進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀YOKOGAWA MX100進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄與保存，高溫壓縮機(jī)頻率、低溫壓縮機(jī)其它相關(guān)部件的動(dòng)作受PLC程序自動(dòng)控制。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對(duì)不同高溫壓縮機(jī)頻率下復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)性能的研究，研究對(duì)象包括高、低溫壓縮機(jī)壓縮比、高溫壓縮機(jī)排氣溫度、系統(tǒng)制熱系數(shù)、壓縮機(jī)耗功及系統(tǒng)制熱量等。檢測(cè)量熱器內(nèi)R134a的壓力控制電加熱補(bǔ)償量，用熱平衡的方法來(lái)模擬溫度穩(wěn)定的低溫環(huán)境；檢測(cè)冷凝壓力進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，用來(lái)調(diào)節(jié)冷凝溫度；高、低溫壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱度均設(shè)定為5 ℃，靠電子膨脹閥自動(dòng)就行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)工況設(shè)定為：冷凝溫度46 ℃，蒸發(fā)溫度-30 ℃，低溫壓縮機(jī)頻率固定，設(shè)定高溫壓縮機(jī)運(yùn)行頻率從60 Hz增加至330 Hz，間隔30 Hz，頻率設(shè)定見(jiàn)表2。待系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定后記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 高、低溫壓縮機(jī)頻率設(shè)定

1.3 性能參數(shù)

熱泵制熱量Qk根據(jù)冷凝水體積流量以及冷凝水進(jìn)、出口溫差計(jì)算：

式中 Qk——制熱量，kW；

qw_v——水的體積流量，m3/s；

ρw——水的密度，kg/m3；

cw——水的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；

tw_i，tw_o——冷凝器的進(jìn)、出口水溫，℃。

熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)COP可根據(jù)制熱量Qk，高、低溫循環(huán)壓縮機(jī)耗工功率Ph，Pl及水泵耗工功率Pp計(jì)算：

2 結(jié)果與分析

圖2示出蒸發(fā)溫度-30 ℃，冷凝溫度46 ℃時(shí)，高、低溫壓縮機(jī)壓縮比隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化，從圖2可以看出，隨高溫壓縮機(jī)頻率增加，高溫壓縮機(jī)壓縮比逐漸增大，而低溫壓縮機(jī)壓縮比逐漸減小，減小幅度小于增加幅度。高溫壓縮機(jī)頻率從60 Hz增加至300 Hz，高溫壓縮機(jī)壓縮比變化范圍是2.72～5.61，低溫壓縮機(jī)壓縮比變化范圍是3.1～4.88，兩者在高溫壓縮機(jī)頻率為145 Hz時(shí)相交。高、低溫壓縮機(jī)壓縮比的變化與系統(tǒng)中間溫度有關(guān)。隨高溫壓縮機(jī)頻率增加，低溫循環(huán)蒸發(fā)溫度不變，所以低溫壓縮機(jī)壓縮比逐漸減小。

圖2 壓縮比隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化

圖3示出蒸發(fā)溫度-30 ℃，冷凝溫度46 ℃時(shí)，高溫壓縮機(jī)與低溫壓縮機(jī)排氣溫度隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化，從圖3可以看出，隨高溫壓縮機(jī)頻率增加，高溫壓縮機(jī)排氣溫度逐漸增大，變化范圍為72.1～99.7 ℃，且增長(zhǎng)速度呈逐漸變快；低溫壓縮機(jī)排氣溫度逐漸小，變化范圍為-4.2～10.2 ℃，且下降速度逐漸變慢；這是因?yàn)殡S著高溫壓縮機(jī)頻率增加，高溫循環(huán)制冷劑流速加大，冷凝器換熱面積不變，高溫制冷劑與冷凝水的換熱時(shí)間減小，換熱溫差加大，換熱過(guò)程逐漸惡化，導(dǎo)致高溫壓縮機(jī)排氣溫度升高，且上升速度逐漸變快。隨著高溫壓縮機(jī)頻率增加，高溫循環(huán)制冷量加大，冷凝蒸發(fā)器換熱量加大，換熱充分，低溫循環(huán)冷凝壓力下降。導(dǎo)致低溫壓縮機(jī)排氣溫度下降。隨著高溫壓縮機(jī)頻率繼續(xù)增加，冷凝蒸發(fā)器換熱量持續(xù)加大，換熱面積相對(duì)變小，換熱溫差逐漸加大，導(dǎo)致低溫壓縮機(jī)排氣溫度下降速度變的緩慢。

圖3 壓縮機(jī)排氣溫度隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化

圖4示出蒸發(fā)溫度-30 ℃，冷凝溫度46 ℃時(shí)，高溫壓縮機(jī)功率、低溫壓縮機(jī)功率、系統(tǒng)總功率隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化。

圖4 高溫壓縮機(jī)功率、低溫壓縮機(jī)功率及系統(tǒng)功率隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化

從圖4可以看出，隨高溫壓縮機(jī)頻率增加，高溫壓縮機(jī)功率變大，低溫壓縮機(jī)功率減小，兩者均呈近似線變化趨勢(shì)，但前者較后者變化幅度更大。高溫壓縮機(jī)頻率從60 Hz增加至300 Hz，高溫壓縮機(jī)功率增加4.15 kW，平均增長(zhǎng)率為0.017 kW/Hz，低溫壓縮機(jī)功率減少1.08 kW，平均下降率為0.004 5 kW/Hz。系統(tǒng)總功率隨高溫壓縮機(jī)頻率增加而逐漸增加。高溫壓縮機(jī)頻率增加，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加，吸氣量增加，高溫循環(huán)制冷量加大，中間溫度下降，高溫壓縮機(jī)壓縮比加大，等熵效率急劇減小，壓縮機(jī)輸入功率加大。中間溫度下降導(dǎo)致低溫循環(huán)制冷劑冷凝效果變好，冷凝溫度減小，蒸發(fā)溫度不變，壓縮機(jī)壓縮比減小，等熵效率緩慢增加，壓縮機(jī)輸入功率減小。隨高溫壓縮機(jī)頻率增加，水泵功率不變，而高溫壓縮機(jī)功率增加幅度大于而低溫壓縮機(jī)功率減小幅度，所以系統(tǒng)功率呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖5示出蒸發(fā)溫度-30 ℃，冷凝溫度46 ℃時(shí)，系統(tǒng)COP與制熱量隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化。從圖5中可以看出，隨高溫壓縮機(jī)頻率從60 Hz增加至300 Hz，系統(tǒng)制熱量呈線性增加趨勢(shì)，制熱量增長(zhǎng)率約為0.039 kW/Hz，通過(guò)提高高溫壓縮機(jī)頻率，可以快速增加系統(tǒng)的制熱量，滿足制熱供暖需求。從圖5中還可以看出，COP呈先增加后減小趨勢(shì)，存在最優(yōu)高溫壓縮機(jī)頻率210 Hz，對(duì)應(yīng)COP最大值為2.70。這是因?yàn)楦邷貕嚎s機(jī)頻率增加，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加，中間溫度下降，低溫壓縮機(jī)壓縮比減小，容積效率增加，低溫循環(huán)質(zhì)量流量增加，低溫循環(huán)制冷量與制熱量快速增加，低溫循環(huán)通過(guò)冷凝蒸發(fā)器向高溫循環(huán)傳遞的熱量增加，此時(shí)，低溫循環(huán)制冷量對(duì)COP影響比重較大，則COP上升。但隨著高溫壓縮機(jī)頻率繼續(xù)增加，高溫壓縮機(jī)壓縮比逐漸加大，

圖5 系統(tǒng)COP和制熱量隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化

指示效率急劇減小，高溫壓縮機(jī)功率上升速度加快，同時(shí)低溫壓縮機(jī)容積效率上升達(dá)到極限增加緩慢。低溫循環(huán)通過(guò)冷凝蒸發(fā)器向高溫循環(huán)傳遞的熱量增加緩慢，低溫循環(huán)制冷量對(duì)COP影響比重變小，高溫壓縮機(jī)功率增加對(duì)COP影響比重較大，COP出現(xiàn)衰減。因此當(dāng)變高溫壓縮機(jī)頻率復(fù)疊式熱泵供熱負(fù)荷增加時(shí)，前期通過(guò)提高高溫壓縮機(jī)頻率，不僅提高系統(tǒng)制熱量，而且還可以提高系統(tǒng)的COP。

3 結(jié)論

（1）隨著高溫壓縮機(jī)頻率的增加，高溫壓縮機(jī)排氣溫度逐漸增加，變化范圍為72.1～99.7 ℃，低溫壓縮機(jī)排氣溫度逐漸減小。高、低溫壓縮機(jī)排氣溫度始終小于120 ℃，在壓縮機(jī)的安全運(yùn)行范圍之內(nèi)。

（2）隨高溫壓縮機(jī)頻率增加，高溫壓縮機(jī)功率近似線性增大，低溫壓縮機(jī)功率近似線性減小，高溫壓縮機(jī)功率的增加幅度大于低溫壓縮機(jī)功率的減小幅度。高溫壓縮機(jī)頻率從60 Hz增加至300 Hz，平均增長(zhǎng)率為0.017 kW/Hz，平均下降率為0.004 5 kW/Hz。

（3）隨著高溫壓縮機(jī)頻率從60 Hz增加至300 Hz，系統(tǒng)制熱量呈線性增加趨勢(shì)，COP呈先增加后減小趨勢(shì)，存在最優(yōu)高溫壓縮機(jī)頻率210 Hz，對(duì)應(yīng)COP最大，最大值為2.70。