利用自然冷源过冷改善R32热泵制热性能的实验研究

黄成达 许树学 马国远 崔增燕



利用自然冷源过冷改善R32热泵制热性能的实验研究

黄成达 许树学 马国远 崔增燕

（北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124）

蒸汽压缩式热泵在蒸发温度低时排气温度很高，严重影响机组运行的稳定性，特别是R32工质。提出利用自然冷源过冷的方法改善其低温制热性能，并搭建了实验台。对以R32为工质的蒸气压缩式热泵进行了实验，研究热泵在过冷及普通工况下，排气温度、制热量、制热COP等参数的变化规律。

热泵；过冷度；R32；COP

0 引言

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础[1]。全球经济的增长和人口增多导致对能源的需求与日俱增。热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。采用热泵技术可以节约大量高品位能源。世界上的温寒带国家，美国、日本、韩国、德国及北欧一些的国家，冬季供暖仍主要采用天然气和燃油供暖，少量采取远距离供热的住宅，用电或烧煤等方式采暖[2]。空调是人类生活和工作环境不可或缺的重要组成部分。据文献报导，全球平均建筑能耗占到总能耗的37%左右[3]，我国建筑能耗约为总能耗的40%[4]，且呈现刚性增长趋势[5]。在建筑总能耗中，空调系统耗能所占比重最大。针对提高制冷和制热能效提升的研究很多，过冷技术被广泛地运用在中低温领域的蒸汽压缩制冷系统里[6]。过冷的实现主要有以下几种：环境冷却过冷、吸气管道过冷及使用外部机械过冷[7,8]。我国依据国情提出采用R32的制冷剂替代方案，但过高的排气温度制约其推广，特别是制热领域的应用。本文针对以R32为制冷工质的热泵系统，引入过冷改善热泵制热性能的研究，对其进行理论分析和实验研究。

1 系统的工作原理

利用自然冷源过冷的热泵系统工作原理如图1所示。与单级相比增加了过冷装置，冷源来自低温环境中。当过冷运行时，从低温环境中引入部分冷源介质对液体过冷从而改善制热，特别是低环境温度下的制热性能。

图1 自然冷源过冷循环原理图和lg p-h图

2 计算模型

计算过程条件：

（1）系统在稳态条件下运行；

（2）冷凝温度40 ℃，蒸发温度范围-20～5 ℃；

（3）过热度0～10 ℃；

（4）指示效率取0.8；

图2 排气温度随吸气过热度的变化

图2所示为排气温度随吸气过热度的变化。由图2可以看出，过热度越高排气温度越高，蒸发温度越低排气温度也越高。在蒸发温度0 ℃、-10 ℃和-20 ℃候，每增加1 ℃的过热，排气温度相应平均增高2.3 ℃。且在蒸发温度越高时，过热度对排气温度影响越明显。

图3所示为制热COP随蒸发温度的变化。由图3可以看出，蒸发温度提高时制热COP增大，蒸发温度在-20 ℃～5 ℃的时候单级系统与过冷度为8 ℃时的制热COP平均增大45%。

图3 过冷系统和单级系统的制热COP比较

3 实验研究

图4所示为利用自然冷源过冷的热泵系统实验装置图。系统包括：1-涡旋压缩机，2-油分离器，3-冷凝器，4-视液镜，5-干燥过滤器，6-过冷器，7-节流阀，8-蒸发器，9-冷冻水流量计，10-冷冻水箱，11、14-电加热器，12-冷冻水泵，13-冷却水箱，15-冷却水泵，16-冷却水流量计。系统运行时，从冷冻水端引入一部分冷冻水冷却制冷剂液体，以此实现过冷循环。

以R32为工质进行实验研究，比较单级模式、带过冷模式的性能。为了更好的评价样机系统的性能，本实验对仪表仪器进行了标定。开机过程如下：首先接通控电柜电源，启动并调整冷却水系统，待水系统调试好后开启压缩机，同时开启数据采集系统。实验过程中，待工况稳定一段时间后，先做单级压缩循环实验。待机组在实验设定工况下稳定运行一段时间后，再分别开启过冷。需直接测量的参数包括：吸气温度及压力、排气温度及压力、冷凝器进出口温度及压力、冷却水进出口温度、冷却水流量、过冷温度及压力、压缩机功率。需间接测量的量为：冷却水进出口温差、制热量、制热COP。

图4 实验装置图

4 结果与讨论

图5所示为排气温度随过冷流量的变化。由图5可看出，相同蒸发温度下，过冷流量增加排气温度都降低；蒸发温度越低，过冷流量的增大排气温度的降低趋势越明显。在蒸发温度分别为-20 ℃～5 ℃时，过冷流量每增加0.005 m3/h，排气温度平均降低1.7 ℃～3.0 ℃。

图5 排气温度随过冷流量的变化

图6所示为制热量随过冷流量的变化。由图6可看出，相同蒸发温度下，过冷流量的增加会使制热量降低。在蒸发温度为-20 ℃～5 ℃时，过冷流量每增加0.005 m3/h，制热量相应的平均降低2.5%；在蒸发温度为-10 ℃时，过冷流量增加的对制热量的降低影响最大。蒸发温度在-10～5 ℃范围内，最佳过冷流量为0.015 m3/h；蒸发温度在-20～-15 ℃时，制热量随过冷流量的变化效果不再明显。

图6 制热量随过冷流量的变化

图7所示为制热COP随过冷流量的变化。由图7可看出，制热COP的变化趋势与制热量的变化趋势基本一致。相同蒸发温度下，制热COP随着过冷流量的增加而降低。在蒸发温度为-10 ℃时，过冷流量的增加对制热COP的降低影响最大，在蒸发温度为-15 ℃和-20 ℃的时候过冷流量的制热COP影响最小。在蒸发温度为-10～-5 ℃工况下，最佳过冷流量为0.015 m3/h，在-15 ℃和-20 ℃工况下，制热COP随过冷流量的变化不明显。其原因是过冷流量增加，液体过冷度增大，但同时冷凝压力降低，制热量降低，压缩机功率增加，制热COP降低。

图7 制热COP随过冷流量的变化

图8所示为排气温度随蒸发温度的变化规律。由图8可知，蒸发温度越低排气温度越高，当蒸发温度低至-20 ℃以下时，单级压缩机系统和过热系统排气温度过高，系统运行恶化甚至无法运行，只有在过冷系统模式下才能安全运行，且过冷后排气温度仍达到120.6 ℃。在蒸发温度为-15 ℃～5 ℃时，过冷系统的排气温度较普通单级运行降低4 ℃～6 ℃，在蒸发温度为5 ℃时，过冷系统的排气温度降低最明显，排气温度仅为68 ℃。在冷凝器后增设过冷器对系统低温工况运行时排气温度过高有明显的效果。

图8 排气温度随蒸发温度的变化

图9所示为制热量随蒸发温度的变化规律。由图9可看出，在相同运行模式下，制热量都随着蒸发温度的升高而增加。但系统在过冷运行模式时，在不同的蒸发温度下较普通单级运行模式相比，制热量都降低。在蒸发温度-15 ℃～5 ℃，过冷的制热量平均降低5%，过冷在蒸发温度-15 ℃时效果更明显，降低约9.8%。

图9 制热量随蒸发温度的变化

图10所示为制热COP随蒸发温度的变化规律。由图10可看出，随着蒸发温度的升高，单级运行和过冷运行系统制热COP呈上升趋势。但较单级运行相比，过冷运行模式下制热COP更低。在蒸发温度为-15 ℃～5 ℃时，过冷后的制热COP降低约3.2%。在蒸发温度-15 ℃工况下，制热COP降低达到14.4%。

图10 制热COP随蒸发温度的变化

5 结论

本文实验研究了利用自然冷源过冷改善热泵制热性能影响，得出的结论如下：

（1）过冷对系统排气温度降低较明显，非常适合如R32这种排气温度高的制冷剂制热运行。随着过冷流量的增加，排气温度的下降幅度越大。

（2）自然冷源过冷运行存在最佳过冷流量值。蒸发温度在-10～5 ℃范围内，过冷流量为0.015 m3/h时制热量和制热COP获得最大值；蒸发温度在-20～-15 ℃时，制热量和制热COP随过冷流量的变化效果不明显。

（3）相同工况下，与单级系统相比过冷系统的制热量和制热COP略有降低。在蒸发温度为-15 ℃时降低最明显，分别降低9.8%和14.4%。

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Experimental Study on the Heating Performance of R32 Heat Pump Using Natural Cold Source

Huang Chengda Xu Shuxue Ma Guoyuan Cui Zengyan

( College ofEnvironmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124 )

The compression heat pump has high exhaust temperature when evaporation temperature is low, which seriously affects the stability of the operation of the unit, especially the R32 engineering quality. This paper presented a method to improve the thermal performance of low temperature and established the experimental table. In this paper, the compression heat pump refrigerant is R32. The heat pump was studied under sub-cooling and normal conditions, exhaust temperature, heat production, the change rule of the parameters such as heat COP.

heat pump; sub-cooling; R32; COP

1671-6612（2018）04-423-05

TM925.1/TU831.7

A

国家自然科学基金项目（编号51641602）；北京市教委科技计划项目资助

黄成达（1976-），男，博士生，主要从事新能源，制冷热泵技术研究

许树学（1981-），男，讲师，主要从事制冷、热泵技术方面的研究，E-mail：xsx@bjut.edu.cn

2017-10-23