空气源热泵系统低温运行特性实验研究

空气源热泵系统低温运行特性实验研究

陈志杰

珠海格力电器股份有限公司     广东省  珠海市  519000

摘要：以空气源热泵系统为研究对象，针对闪发器两级节流系统与常规系统进行对比，分析不同环境温度下，两类热泵系统的制热性能，同时针对闪发器两级节流系统，分析电子膨胀阀开度对系统制热能力、压缩机排气温度的影响，研究双电子膨胀阀控制的耦合关系，为低温热泵两级节流系统提供实验依据。

关键词：空气源热泵系统；两级节流；双电子膨胀阀耦合控制。

Abstract: Taking the air source heat pump system as the research object, comparing the two-stage throttling system of the flash generator with the conventional system, analyzing the heating performance of the two types of heat pump systems under different ambient temperatures. Meanwhile, aiming at the two-stage throttling system of the flash generator, analyzing the influence of the opening degree of the electronic expansion valve on the heating capacity of the system and the compressor exhaust temperature, and studying the coupling relationship of the control of the dual electronic expansion valve. It provides experimental basis for two - stage throttling system of low - temperature heat pump.

Key words: air source heat pump system; Two-stage throttling; Dual electronic expansion valve coupling control.

1、前言

自从空气源热泵机组问世以来，由于其系统结构简单、方便安装、自动化控制程度高及利用空气能的再生能源等特点，在国内及国外都得到了广泛应用。发展至今，空气源热泵分为常规型及超低温型两大类。近几年来，随着气候越来越恶劣及城市化的推进，在我国法定供暖地区一些没有集中供暖的郊区、独栋洋房及非法定采暖区域，对超低温空气源热泵的需求越来越强烈，究其原因是超低温空气源热泵空调能在低温的环境下有着强劲的制热能力及可靠运行，而目前市场上常规的热泵空调在低温环境下效率低，甚至不能使用。随着近几年压缩机技术的发展，据相关数据及公开的文献资料，国内外不少学者及工程人士对超低温空气源热泵进行各方面的研究。然而，公开的文献资料，主要是对针对超低温的制冷系统与常规系统进行对比，分析两种热泵的能力、排气温度的影响因素、超低温的制冷系统中间压力对系统其他参数的影响，而对于超低温系统中采用中间冷却的节流方式以及节流控制变化对系统的影响还没有进行深入的研究。因此，本文就超低温的准双级压缩系统中节流的变化对系统的影响进行了研究，为产品开发及工程应用提供参考依据。

2、实验研究

2.1 喷气增焓系统

随着喷气增焓压缩机的开发成熟，研究超低温的热泵系统多数采用喷气增焓压缩机的准二级压缩，从中间冷却及节流方面常见的有闪发器两级节流和中冷器一级节流，原理流程图有如下两种：

图1、闪发器两级节流系统

图2、中冷器一级节流系统

从以上循环原理图可以看出，闪发器两级节流系统结构简单，理论上进入压缩机辅助喷气口的制冷剂更接近饱和的气态，可以有效的冷却一级压缩的排气温度，抑制了压缩机最终的排气温度过高，而且闪发器没有任何换热温差，系统的性能优于中冷器系统，但是由于此系统的调节是互相耦合的，即调节任一节流元件，都会影响闪发器液位高低及容器内的压力，进而影响闪蒸量大小并且对闪发器下游的节流阀的进口压力升高或者降低，即都会对进入蒸发器及进入喷气回路的冷媒量，使得两节流元件的调节成为此种系统的难点；中冷器一级节流系统由于采用了间壁式的换热，使得主回路与喷气辅助回路之间的换热通过铜管壁面进行换热存在一定的换热效率问题，降低了系统的经济性，当电子膨胀阀节流过大时使得进入压缩机辅助喷气口的制冷剂存在一定的过热度。但是此系统由于采用流路独立控制的原则，即喷气节流回路与蒸发器节流回路的调节互不影响。

2.2 测试对象原理流程及测试方案

根据闪发器系统及中冷器系统的特点及前人的研究成果，本文对采用闪发器两级节流系统的超低温户式风冷冷热水机组进行了研究，其原理流程图如下图3所示：

图3、超低温户式机组系统原理

依照GB/T 25127.2-2010 《低环境温度空气源热泵（冷水）机组》，利用标准的焓差实验台对此系统进行一系列不同工况下的对比实验，实验系统自动记录稳定运行时的数据，研究了此系统机组在额定流量下的在各种工况下性能及系统的节流控制调节规律。不同工况列表如下表1所示：

表1、测试工况表

3、实验数据整理与分析

3.1 性能测试分析

空气源热泵机组的制热能力与性能系数COP是机组的两个重要因素；图4是机组在额定灌注量下不同工况下采用喷气回路与关闭喷气回路的能力、COP变化曲线图；

图4、制热能力与环境温度关系

图5、COP与环境温度关系

从图4、图5可以得出，随着环境温度的下降，制热能力及制热COP急剧下降。原因是随着环境温度的下降，压缩机的吸气比容越来越大，导致压缩机的质量吸气量越来越少，导致了制热量减少。特别是在环境温度为7度至-7度时，此时环境的相对湿度比较高，导致机组结霜严重，换热效果差减少了蒸发侧冷媒蒸发量，从而制热量降低的幅度比较大；从变化的曲线图还可以明显得出，采用喷气增焓系统比常规的系统，制热能力输出提高约18%—20%，能效COP提升约7%；其主要原因是，通过喷气回路虽然一方面降低了排气温度从而降低了排气比焓值，但是另一方面由于一级节流降压在闪发器内大量的闪蒸气体，此闪蒸气体进入压缩机中间腔与一级压缩后的排气一起进行二次压缩后进入冷凝侧，从而增加了通过冷凝侧的制冷剂流量，与降低排气比焓值相比制冷剂质量流量的增加起着主导作用，从而增加了系统的制热量。

3.2 节流控制规律测试分析

对于闪发器两级节流系统，两节流元件控制是相互耦合，是此种系统的一大难点。因此为了研究两者的控制规律，对机组在制热模式工况1下，通过调节电子膨胀阀2的不同开度，而电子膨胀阀1通过保持一定的吸气过热度进行调节。其实验数据结果如下图6、图7所示：

图6、电子膨胀阀2开度与压力关系

从以上图6所得，随着电子膨胀阀2开度的增大，排气压力呈下降的趋势，而闪发器压力（中间压力）呈上升的趋势；主要的原因是随着电子膨胀阀2的阀门的开度增大，其通过电子膨胀阀2的压降有所减少，导致节流后的压力往节流前的冷凝压力趋势增加，而对于冷凝器一侧，由于电子膨胀阀2开度增大，其通过的冷媒流量也逐渐增大，在外部环境不变的情况下，由于存在冷凝器的下部过冷的液体减少及过冷度减小，增加了气体与铜管的换热面积使得换热效果增强，综上两方面导致冷凝压力有所下降。对于电子膨胀阀1节流后的蒸发器是采用吸气过热度进行调节电子膨胀阀1的开度，所以在换热条件不变的条件下，其蒸发压力也变化不大。

图7、电子膨胀阀2开度与温度关系

从以上图7所得，随着电子膨胀阀2的开度逐渐增大，闪发器的气体散蒸量逐渐增加，排气温度、压缩机喷口的温度逐渐下降；当开度增加至260步以上时，此两温度急剧下降；主要原因是随着开度的增大，而电子膨胀阀1开度已经达到稳定的状态，使得闪发器的液位增加，闪发器的压力升高幅度增大（见图6），从而导致闪蒸量也逐渐增加，使得二级压缩的吸气温度降低，相当于图1中压焓图的3点往左饱和气体线偏移。当开度至350步时，此时压缩机喷口的温度与一级节流后的饱和气态温度相近，而排气温度也逐渐降至冷凝温度，而当开度继续增加至450步，此时排气温度已非常接近冷凝温度了，观察喷气回路，此时已有部分液体。通过对此过程的实验数据分析，当开度为350步左右时，机组制热能力和能效达到最大，如下图8所示；此时，排气温度降至60℃左右，而压缩机喷口温度靠近压缩机中间腔体，可近似为补气与一级排气混合后的二级压缩的吸气温度，此温度与一级节流后的饱和温度相差1℃左右，从试验观察到此时喷气回路不存在气液两相。可见，通过控制压缩机喷口温度与一级节流后的温度比值，并以排气温度与冷凝温度的差值为边界条件，用以控制一级节流元件的开度的依据，从而使得系统接近于最佳性能。

图8、电子膨胀阀2开度与性能的关系

4、结论

通过对超低温户式风冷冷热水机组进行多种环境工况测试研究，以及对此闪发器两级节流准二级压缩系统的节流控制规律进行实验研究，实验分析结果如下：

（1）、机组在制热模式下，与常规系统相比使用喷气增焓的运行模式，一方面控制了排气温度过高，另一方面提高了机组的制热能力与能效，其制热能力输出提高约18%—20%，能效COP提升约7%。而且使得机组在超低的环境温度下可靠运行并有强劲的制热能力，满足冬天一些寒冷地区的供暖要求。

（2）、在制热模式下，采用闪发器双级节流喷气增焓系统可有效降低排气温度，而且排气温度随着一级节流开度的增大而降低；当开度增加到一定的步数后，排气温度出现急剧降低，并且随着开度继续增大，排气温度接近冷凝温度；

（3）、对于闪发器两级节流系统，耦合控制的两节流元件，一级节流的电子膨胀阀可以通过喷气口的温度与一级节流的温度差值进行控制，温差为1度左右时机组输出能力最佳；而二级节流的电子膨胀阀可根据蒸发侧的吸气过热度进行控制；

参考文献：

【1】陈骏骥，杨昌仪，蔡佰明。低温强热型空气源热泵热水器试验研究【J】.流体机械，2010,38:78-80

【2】张李成.《建筑给水排水设计标准》中空气源热泵热水系统设计探讨【J】.中国给水排水，2020,516（16）：60-63

【3】申江，李园园.低环温空气源热泵系统的试验研究【J】.工程热物理学报，2008,29（6）：943-946

【4】薛杰，郭宪民，薛利平.带闪发器中间补气的R32空气源热泵系统性能实验研究【J】.制冷技术，低温与超导，2018.04