多功能热泵空调与热水负荷调节的理论分析与试验研究

江乐新 钟 杰

(中南大学 长沙 410012)

多功能热泵[1,2]是一种集制冷、制热及产卫生热水于一体的热泵系统，它能将空调中的冷凝热量予以回收并用于生活热水供应，不但可以提高空调的制冷效率，也可以制取大量的免费热水，同 可以减少空调冷凝热对周围环境造成的热污染，节约大量的一次能源。另外，在春秋季节，利用原本闲置的空调热泵系统制取热水，可提高设备的全年利用效率。多功能热泵通常有5种工作模式[3,4]：单独制热水模式、制冷兼制热水模式、单独制冷模式、单独制热模式和制热兼制热水模式。在冬季工况下，由于空调和热水的需求，机组大部分 间都工作在空调兼制热水模式下，而空调负荷和热水负荷都是连续变化的。这就引出了一个非常重要的问题，即如何调整空调换热器和热水换热器的换热量，以同 满足不断变化的空调负荷和热水负荷。

目前，多功能热泵属于一种比较的新的技术，国内外学者对它的研究主要集中在系统结构及各个模式的运行特性[5,6]，对于空调负荷和热水负荷调节的研究则非常的少。但是，许多学者对单空调下的负荷调节做了大量的研究，提出了很多先进的控制方法，这里将在此基础之上对空调和热水负荷调节方式进行研究。

1 负荷调节方式及理论分析

1.1 启停切换控制方式

多功能热泵空调与热水负荷调节目前普遍采用的是启停切换控制[7]，即采取空调优先(或热水优先)的方式，当空调负荷满足后停止空调，切换到空调水的状态；当空调负荷不满足 再切回到空调的状态。

在此控制方式下，空调侧的能量输入是一系列不同间隔的矩形波形式，以满足连续变化的空调负荷要求。其能量的输入与负荷匹配效果比较差，容易造成空调房间的温度波动。另外，空调与空调水状态的频繁切换影响系统运行的稳定性。

1.2 压缩机变频控制方式

压缩机变频控制是通过改变压缩机的转速来改变单位 间的排气量[8,9]，从而改变热泵的能量的输出。目前，变频技术的应用日益广泛，但是这种方式只能调节压缩机的能量输出与空调和热水总负荷之间的最佳匹配，无法实现热水负荷和空调负荷之间的合理分配调节，因此无法实 满足空调或热水负荷。

1.3 变水流量的空调负荷和热水负荷的调节

多功能热泵空调兼制热水模式的系统简图如图1所示，热水采用循环加热方式，由于热水换热器连有蓄热水箱，对热量有一定的缓冲和补偿作用，所以以满足空调实 负荷作为控制目标。当空调负荷增加 ，在热泵输出总能量不变的情况下，通过调节，减少热水侧热量分配，从而增加空调侧的热量输入；当空调负荷减少 ，则通过增加热水侧换热量的方法以适应空调负荷的变化。

图1 多功能热泵空调兼制热水模式系统简图Fig.1 The system scheme of muti-function heat pump in warming and water heating

空调兼制热水模式 热泵产生的总换热量Q总为热水侧换热量Q热水与空调侧换热量Q空调之和。

由对数平均温差法可知：

式中：

K—总传热系数，W/(m2.K)；A—传热面积，m2；ΔT—对数平均温度差，℃。

式中：T1—制冷剂工质进入热水换热器温度，℃；T2—制冷剂工质出热水换热器温度，℃；ti—热水循环水进水温度，℃；to—热水循环水进水温度，℃。

热水侧换热量Q热水也可以根据循环水的水流量mw、水的比热容cp和进出水温度来计算。

在式(4)中，当换热量Q热水和循环水进水温度ti一定 ，减少循环水流量mw，循环水出水温度to则增大，而在吸收潜热 出水温度to始终小于等于冷凝温度，所以直接决定了换热量的减少；另外，由式(2)、(3)也可推导出，当to增大 对数平均温度差ΔT减小，热水侧换热量Q热水随之减少；反之，增大循环水流量mw，循环水出水温度to减小，对数平均温度差ΔT则增大，热水侧换热量Q热水也随之增加。由式(1)可知，当系统总空调量Q总不变 ，热水侧换热量Q热水减少 ，空调侧换热量Q空调则增加；热水侧换热量Q热水增加 ，空调侧换热量Q空调则减少。因此，可以通过调节热水换热器循环水流量的方法对热水换热器和空调换热器之间的换热量进行合理的分配，当空调侧负荷增加 ，增加热水侧循环水流量；当空调侧负荷减少 ，降低热水侧循环水流量。

2 试验台及测试方法

2.1 试验装置介绍

图2 试验系统测点布置图Fig.2 Scheme of experimental test apparatus location

该试验系统是单级压缩式空气-水热泵系统。图2为多功能热泵空调兼制热水模式下的测试系统图。整个系统分为二个部分，其一为工质循环系统，它主要包括涡旋式压缩机(额定功率5kW)、热水换热器、空调换热器(均采用换热面积5m2的板式换热器)、翅片换热器(换热面积50m2)、风机(额定功率2kW)及热力膨胀阀；其二为水系统，它包括与热水换热器相连的蓄热水箱1、空调换热器相连的水箱2及水泵和流量调节阀，增加的水箱2用于模拟空调换热器稳定的进水温度。系统检测获取温度值采用的是铜-康铜热电偶，精度为0.1℃；循环水流量采用的是转子流量计，精度1.5级，测点的布置如图2所示。

2.2 试验流程

在标准空调工况下(环境干球温度7℃，湿球温度6℃)，保证热水侧换热器和空调侧换热器进水一定的前提下，试验不同的热水换热器循环水流量对热水换热量和空调换热量的影响。试验过程中采用一组对比试验，具体试验条件如表1所示。

表1 试验工况Tab.1 Test condition

3 试验结果及分析

图3、4分别为试验过程中记录的热水换热器进水温度为40℃和45℃ 热水侧换热器和空调侧换热器循环水出水温度随热水侧换热器循环水流量变化的曲线图。

首先由图3可以看出，热水换热器出水温度、空调换热器出水温度都随热水换热器循环水流量的增大而减少，冷凝温度虽然随热水换热器循环水流量的增大有减少的趋势，但是变化相对比较小；热水换热器出水温度在循环水流量由0.3m3/h变成0.8m3/h 温度变化较大，因为热水换热器循环水流量为0.3m3/h左右 ，热水换热器侧流量太小，温升较大，热水换热器出水温度高于冷凝温度，所以热水侧仅吸收制冷剂工质显热部分，当流量增大为0.8m3/h ，温升减少，出水温度低于冷凝温度，热水侧吸收制冷剂工质全部显热和部分潜热。图4表示的是热水换热器进水温度为45℃ 热水侧换热器和空调侧换热器循环水出水温度随热水侧换热器循环水流量变化的曲线图，对比图3发现，热水换热器出水温度、空调换热器出水温度都随热水换热器循环水流量的变化相对比较平稳，因为进水温度增加后传热温差减少，影响了热水换热器出水温度，再进行流量调节 ，出水温度的变化也相对较小。

图3 热水换热器进水温度40℃时温度曲线图Fig.3 The temperature curve when water fl ow at temperature of 40℃

图4 热水换热器进水温度45℃时温度曲线图Fig.4 The temperature curve when water fl ow at temperature of 45℃

图5 热水换热器进水温度40℃时热量曲线图Fig.5 The heat exchange against water fl ow at temperature of 40℃

图5、6为热水侧换热器和空调侧换热器换热量及总COP值随热水侧换热器循环水流量变化的曲线图。随着热水换热器循环水量的增加，空调换热量逐渐减少，而热水换热量则逐渐增加，压缩机输入功率有减少的趋势；另外，对比图5和图6发现，当热水换热器进水温度为40℃ ，空调换热量先是大于热水的换热量，随着热水换热器循环水流量的增加，空调换热量逐渐减少，热水换热量逐渐增加，当水流量为2m3/h 空调换热量和热水换热量几乎相等，而随后空调换热量接着减少，最后热水换热量大于空调换热量。当热水换热器进水温度为45℃ ，无论热水换热器循环水如何调节，空调换热量始终大于热水换热量，因为水换热器进水与冷凝温度温差小，大部分的冷凝热被空调换热器吸收。

图7 系统总能效比Fig.7 The system COP against water fl ow

图7为多功能热泵空调兼制热水模式下系统总能效比(即机组的总能源利用率，空调制热和制热水加热总量与压缩机功耗之比)随热水侧换热器循环水流量变化的曲线图。可以看出系统总能效比随热水换热器水流量的增加有增大的趋势；另外，热水换热器进水温度40℃ 的系统能效比始终高于进水温度45℃ 的能效比。

4 结论

经过理论和试验分析，对于热水换热器循环水变流量对空调换热量和热水换热量的影响得出如下结论。

1)热水换热器循环水变流量调节技术可以有效地对空调侧换热量和热水侧换热量进行调节，从而达到调节空调侧换热量与空调负荷相匹配的目的。

2)热水换热器进水温度对热水换热器循环水变流量调节技术影响较大，热水换热器进水温度越高，热水换热器循环水变流量调节对空调侧换热量和热水侧换热量的分配影响越小。

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