变容量家庭能源中心制冷兼制热水模式性能实验研究

鲁 双 吴静怡

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)

在二十世纪六、七十年代，利用空调冷凝热来加热热水的方法被提出并得到了可行性验证[1-2]。近年来将传统空调和热水器功能相结合的空调热水技术得到了长足发展。该技术在节能减排、减少热污染的基础上，可有效减少设备闲置率，具有重要的应用价值。这种系统通常具有单独制冷，单独制热，单独制热水，制冷兼制热水，制热兼制热水等模式，其中，制冷兼制热水模式以其高效的能源利用率得到广泛关注。许多研究者通过实验研究了其中的制冷兼热水模式的动态特性、工作性能，证明了它的优越性能[3-9]。

然而这些系统结构相对复杂，并且采用定容量压缩机技术，无法调节空调和热水的能量输出，难以满足时刻变化的负荷需求。本文因此提出一种相对简单的变容量家庭能源中心系统，可通过数码涡旋压缩机实现合理负荷输出，具有结构简单，控制方便，安全可靠等优势。

数码涡旋压缩机具有容量调节范围广、季节能效比高、无电磁干扰等优点，广泛应用于多联机、冷藏集装箱、高精度恒温恒湿系统以及冷水热泵机组等系统[10-16]。

根据家庭能源中心的功能和数码涡旋压缩机的运行特性，确定了制冷兼制热水模式下的机组性能系数计算方法。根据家庭空调和热水的实际特点，通过实验研究了该系统在制冷兼制热水模式下不同水箱初始温度、不同压缩机负荷、不同环境温度下的动态特性和性能表现，分析变容量家庭能源中心系统制冷兼制热水模式的性能变化规律，并总结控制策略以保证机组在安全的基础上高效运行。

1 家庭能源中心系统和实验设备

变容量家庭能源中心系统采用热泵技术用于家庭空调和生活热水的供应，该系统将传统的空调和热水器有机结合，只使用一套热泵系统的主要部件，可减低设备初投资，延长了设备工作时间。根据实际使用负荷需求，家庭能源中心系统具有单独制冷、单独供热水、单独供暖、制冷兼制热水，供暖兼制热水五种运行模式。

1数码涡旋压缩机 2热水换热器 3四通换向阀 4空调换热器 5过滤器 6热力膨胀阀 7室外换热器 8气液分离器 9热水水箱 10热水水泵 11,12阀门

图1是家庭能源中心系统的制冷兼制热水模式时的流程示意图，制冷剂回路如下：压缩机→热水换热器→四通换向阀(3a-3c)→室外换热器→热力膨胀阀→空调换热器→四通换向阀(3b-3d)→气液分离器→压缩机。图2是该模式下的制冷剂循环压焓图。在制冷兼制热水模式下，空调换热器作为蒸发器，而热水换热器作为第一级冷凝器，室外换热器根据实际需求控制其风机转速，起到第二级冷凝器的作用。随着热水换热器水温的上升，b点逐渐向a点靠近(图2)，热水制热量占总冷凝热的比例逐渐减少，室外换热器的冷凝作用逐渐增强，成为主冷凝器。

图2 家庭能源中心系统制冷兼制热水模式压焓图

表1列出了实验样机的主要部件参数。实验系统中安装有PT1000温度传感器(精度：±0.3 ℃)，压力传感器(精度：±15 kPa)，热电偶(精度：±0.5 ℃)，水流量计(精度：±0.01 m3/h)，测点布置如图1所示。系统的运行时间、瞬时功率和总功耗由一台单相综合电量表采集记录。所有测点的数据通过Keithley数据采集仪传输到计算机上，采集频率为30 s。实验在一间可控恒温室(-5 ℃～40 ℃)中进行，带有电加热棒的恒温水箱用于模拟空调制冷负荷，根据GB 18430.2—2008[17]的要求，实验中空调冷冻水供水温度控制在7 ℃。

实验样机的控制由一台PLC控制器完成，在保证样机安全运行的基础上，可实现机组按要求变负荷、变模式运行。实验样机采用数码涡旋压缩机，可通过PWM(Pulse Width Modulation 脉冲宽度调节)阀的开启和关闭来实现压缩机在卸载和负载两状态之间变化，实现压缩机的容量调节。实验中PWM阀的控制时间频率为20 s。

表1 家庭能源中心系统样机部件参数

2 系统性能指标

Qc=cmcΔtc

(1)

Qh=cmhΔth

(2)

Qtotal=Qc+Qh

(3)

(4)

(5)

(6)

3 实验结果与分析

变容量家庭能源中心系统制冷兼制热水模式的性能与众多因素有关，包括水箱初始水温(t0)，压缩机负荷，环境温度(tamb)等。实验研究将分别针对这些因素进行分析。所有实验均在同一运行方式下运行，即空调功能稳定后启动热水功能但水箱水温无分层。每组实验均包括三个过程：单独制冷模式，制冷兼制热水模式和单独制冷模式。首先分析制冷兼制热水模式与单独制冷模式的区别，并研究该模式在不同工况下的动态特性和机组性能。

3.1 制冷兼制热水模式与单独制冷模式的比较

家庭能源中心系统的制冷兼制热水模式旨在保证空调制冷需求的前提下回收冷凝热用以满足生活热水的需求，因此比较该模式与单独制冷模式在制冷量、性能系数上的优劣非常重要。

图3 制冷兼制热水模式与单独制冷模式的机组能力比较

图3(a)给出了机组输出能力和性能系数的瞬时特性，实验中，环境温度为35 ℃，水箱初始水温(t0)为41 ℃，压缩机负荷为100%。实验开始时，机组稳定在单独制冷模式，空调制冷量和制冷性能系数分别稳定在7.81 kW和2.41，热水制热量为0。制冷兼制热水模式切入后，机组立即有热水制热量输出，并随时间缓慢减小，机组的制冷量和制冷能效均有所下降，然后随着时间的推移逐渐上升并接近单独制冷模式时的数值。

如图3(b)所示，制冷兼制热水模式整个过程的平均空调制冷量和制冷能效分别为6.58 kW和2.37，较单独制冷模式分别降低了15.8%和1.8%，然而由于机组回收冷凝热用以加热生活热水，机组的总能量输出和性能系数分别为9.16 kW和3.30，较单独制冷模式增强了17.3%和36.8%。因此，制冷兼制热水模式较之单独制冷模式，制冷量的衰减有限，但是总体能力增强，机组性能提高。

3.2 不同水箱初始水温(t0)下的系统性能

不同的热水使用习惯和水温控制会导致制冷兼制热水模式的水箱初始水温(t0)不同。为此实验研究了t0为35 ℃和41 ℃下的机组动态特性和性能，实验中压缩机负荷为100%，环境温度(tamb)为35 ℃。

图4给出了机组在不同水箱初始温度条件下机组参数随时间的变化情况。不同的水箱初始温度具有类似的参数变化趋势，但变化幅度不同。

图4 制冷兼制热水模式下不同水箱初始温度的动态特性

在制冷兼制热水模式开始之初，压缩机的排气温度上升，空调供水温度升高，换热温差减小，制冷量减小，随后随着水温的上升，排气温度缓慢下降，空调换热器换热温差逐渐增大并趋于稳定。但是，t0=35 ℃条件下的排气温度上升幅度以及空调换热器的冷量衰减幅度均比t0=41 ℃时的值要大。这是因为，热水功能启动，当热水换热器进水温度较低时，系统冷凝能力加强，大量制冷剂冷凝在热水换热器中，造成流动受阻，原有的制冷剂平衡被打破，甚至会有制冷剂回流到冷凝器中，造成进入蒸发器的制冷剂量减少，而流出的制冷剂量增加，吸气温度升高，过热度升高，进而引起排气温度上升，空调换热器的冷量输出减小。热水换热器水温越低，其冷凝作用越强，压缩机排气温度的升高幅度越大，甚至有超过压缩机安全运行范围的危险。热水换热器水温越高，热水换热器在模式开始时的冷凝作用越弱，对压缩机排气温度的影响越小，冷量减小的幅度越低，模式稳定越快。

两组实验中，热水加热的终止温度均为55 ℃，而水箱初始温度分别为35 ℃和41 ℃，因此制冷兼制热水模式的持续时间不同，分别为75 min和58 min。水箱初始温度越低，热水需要量越大，模式持续时间越长。

图5 制冷兼制热水模式下不同水箱初始温度的系统性能

图5给出了机组的制冷性能、制热水性能和总性能。t0=35 ℃时，制冷性能系数，制热水性能系数和总性能系数分别为2.20，1.08和3.28。而在t0=41 ℃时，性能系数分别为2.37，0.93和3.30，制冷性能系数增加了7.7%，制热水性能系数较小了13.9%，总性能系数基本相同。这是因为水箱初始温度高时，制冷量衰减幅度小且持续时间短，因此制冷性能好。但是由于热水的初始温度高，热水换热器的冷凝效果差，因此制热水性能系数低。

综上所述，如果系统在制冷模式稳定后切换到制冷兼制热水模式，水箱初始温度应设置在较高的数值。水箱温度太低，会引起压缩机排气温度过高，制冷量剧烈减小，系统不稳定的持续时间长。而水箱温度较高，虽然制热水性能偏低，但热水热量是回收冷凝热所得，因此在空调冷凝热足以满足热水需求的情况下，可设置较高的水箱初始温度值。

3.3 不同压缩机负荷下的系统性能

变容量家庭能源中心系统的制冷兼制热水模式的控制是以空调制冷为主，因此该模式的性能与空调负荷情况息息相关，为此，实验研究了机组在不同压缩机负荷条件下的动态特性和机组性能，实验中水箱初始温度t0=35 ℃，环境温度tamb=35 ℃。

图6 制冷兼制热水模式下不同压缩机负荷的动态特性

图6是机组在不同压缩机负荷条件下机组参数的动态变化情况。不同负荷条件下，制冷兼制热水模式的参数变化趋势大致相同，但幅度不同，且在部分负荷条件下，机组参数有周期性波动趋势。

模式开始时，压缩机的排气温度均会上升，空调的冷冻水供水温度均会升高，换热温差均会较小。然后，随着生活热水水温的上升，排气温度缓慢下降，空调换热器换热温差逐渐增大并趋于稳定。但是压缩机负荷越大，排气温度上升幅度和冷量减小幅度越大。当热水换热器水温较低时，制冷剂大量积聚在冷凝器中，此时压缩机的运行负荷越大，蒸发器中的制冷剂量越少，吸气过热度越大，同时压缩机排气受阻，因此排气温度高，冷量减小幅度越大。但是由于压缩机负荷大时，机组输入能力大，因此机组热水加热速度快。当压缩机负荷分别为100%，75%和50%时，制冷兼制热水模式的持续时间不尽不同，分别为75 min，76 min和156 min。

由于数码涡旋压缩机的容量调节由PWM阀的开启和关闭来实现，因此当压缩机工作在部分负荷时，各参数呈现周期性的波动变化趋势。

图7 制冷兼制热水模式下不同压缩机负荷的系统性能

图7给出了机组在不同压缩机负荷条件(100%，75%和50%负荷)下的制冷性能、制热水性能和总性能。制冷性能系数分别为2.20, 2.21 和 1.94，制热水性能系数分别为1.07, 1.09 和0.83，而总性能系数分别为3.28, 3.30 和 2.77。机组在高部分负荷条件下的性能系数高，75%负荷下机组总性能系数略高于100%负荷时的总性能系数，比50%负荷的总性能系数高19.1%。

在运行方式为空调稳定后开启热水功能且水箱无分层的条件下，压缩机负荷越小，模式转换对空调冷量的影响越小，压缩机排气温度越低。然而压缩机负荷低时，模式持续时间变长，系统总体效率变低。因此应尽量在机组运行在相对较高的部分负荷时切入到制冷兼制热水模式。

3.4 不同室外环境温度下的系统性能

变容量家庭能源中心系统旨在提供全年的空调和热水需求，因此制冷兼制热水模式的环境温度变化大，为此，实验研究了机组在不同室外环境温度(tamb)下的动态特性和机组性能，实验中水箱初始温度t0=35 ℃，压缩机负荷为75%。

图8给出了机组在环境温度tamb分别为35 ℃和31.5 ℃条件下机组参数变化情况。不同环境温度下，制冷兼制热水模式的参数变化趋势大致相同，但幅度不同，且在部分负荷条件下，参数有周期性波动变化趋势。

图8 制冷兼制热水模式下不同室外温度的动态特性

不同环境温度下，压缩机排气温度均先上升，随后排气温度缓慢下降；空调供水温度均会先升高，换热温差较小，随后随着水温的上升，空调换热器换热温差逐渐增大并趋于稳定。但是tamb=31.5 ℃相比，tamb=35 ℃时的压缩机排气温度高，冷量减小幅度大。分析原因如下，单独制冷模式下，室外换热器是唯一的冷凝器，环境温度高，则冷凝压力和排气温度都高。而当制冷兼制热水模式启动时，热水换热器成为第一级冷凝器，室外换热器成为第二级冷凝器，系统冷凝效果得到加强，冷凝压力下降。两组实验中，制冷兼制热水模式启动时，水箱初始温度t0均为35 ℃，与tamb=31.5 ℃相比，tamb=35 ℃工况下，热水换热器起到的冷凝作用大，冷凝压力下降幅度大，由此引起的冷量减小幅度也较大。随后热水换热器的水温逐渐升高，冷凝效果逐渐变差，室外换热器逐渐成为主要冷凝器，系统趋于稳定，排气温度趋于单独制冷模式的数值，冷量输出也逐渐稳定。由于环境温度35 ℃时，冷凝压力高，排气温度高，因此热水加热速度快，制冷兼制热水模式的持续时间为76 min，而环境温度31.5 ℃时需要97 min。

图9给出了机组在不同环境温度下的制冷性能、制热水性能和总性能(35 ℃和31.5 ℃)。制冷性能系数分别为2.21和 2.46，制热水性能系数分别为1.09 和0.96，而总性能系数分别为3.30 和 3.43。实验中空调的冷冻水供水温控制在7 ℃，蒸发压力相同，而环境温度35 ℃时，系统冷凝压力高，系统压比大，因此制冷性能差，但是由于回收冷凝热快，系统的制热水性能略好，减小了由于环境温度升高而导致的系统性能的下降。

图9 制冷兼制热水模式下不同室外温度的系统性能

4 制冷兼制热水模式的控制策略

分析机组在不同水箱初始水温、不同压缩机负荷、不同环境温度下的动态特性和系统性能，可以得出如下制冷兼制热水模式的运行策略以保证机组安全运行，提高系统效率(运行方式为空调功能稳定后启动热水功能且水箱无分层)：

1)环境温度高且空调冷凝热足够的情况下，可提高水箱温度控制点设定值以保证机组安全运行，并减小对空调功能的影响；

2)条件允许时，在压缩机运行在较高负荷时切入到制冷兼制热水模式；

3)环境温度变化时，可适当调节水箱温度控制点。

5 结论

提出了可全年供应空调和热水需要的变容量家庭能源中心系统，并给出制冷兼制热水模式下的机组性能系数计算方法。根据家庭空调和热水的实际应用特点，实验研究了制冷兼制热水模式下不同水箱初始温度、不同压缩机能力、不同环境温度条件下的动态特性和机组性能，得出以下结论：

1)与单独制冷模式相比，制冷兼制热水模式的制冷量有所衰减，但机组的总能量输出和性能系数均提高，较单独制冷模式分别提高了17.3%和36.8%。

2)与环境温度为31.5 ℃相比，环境温度为35 ℃时制冷兼制热水模式的压缩机排气温度要高，加热时间短21 min，制冷性能系数低10.2%，而热水加热性能系数高13.5%，总性能系数低3.8%，冷凝热回收减小了由于环境温度升高而导致的系统性能的下降。

3)与水箱初始温度t0=35 ℃相比，水箱初始温度t0=41 ℃时压缩机的排气温度上升幅度和空调制冷量衰减幅度均要小，加热时间短17 min，制冷性能系数高7.7%，制热水性能系数低13.9%，总性能系数基本相同。

4)压缩机负荷越小，制冷兼制热水模式启动引起的压缩机排气温度上升量和空调冷量的衰减量越小，但热水加热时间变长。75%负荷时机组的总性能系数略高于100%负荷时的性能系数，比50%负荷时的总性能系数高19.1%。

5)根据制冷兼制热水模式的性能变化规律，总结出该模式的控制策略，以保证机组安全高效运行，即：制冷兼制热水模式下，可根据环境温度适当调节水箱温度设定值；环境温度高且冷凝热足够的情况下，可提高该设定值；条件允许时，在压缩机运行在较高负荷时切入到制冷兼制热水模式。

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