压缩机变频毛细管空气源热泵的实验研究

牛建会 许树学 马国远 刘帅领

压缩机变频毛细管空气源热泵的实验研究

牛建会1,2许树学1马国远1刘帅领1

（1.北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124； 2.河北建筑工程学院能源与环境工程学院 张家口 075000）

针对目前我国北方“煤改电”工程中广泛应用的空气源热泵，提出以毛细管作为节流元件，采用变频压缩机的空气源热泵系统。搭建实验装置，实验研究在不同的毛细管长度下，压缩机吸气压力、排气温度及机组制热性能随工况和压缩机频率的变化规律，为优化设计空气源热泵提供参考。

空气源热泵；压缩机变频；毛细管；制热性能

0 引言

目前，京津冀地区正在进行大规模的“煤改电”工程。统计资料显示，2017年，北京市农村居民“煤改电”工程涉及13个区522个村、20.5万户，总户数将达到近80万户[1]，家家户户已由原来的家用燃煤小锅炉替换成空气源热泵机组。这些成批成型的热泵机组节流元件多数采用电子膨胀阀，电子膨胀阀价格昂贵，如若将毛细管应用到空气源热泵中，将会大大降低机组成本。

毛细管因其具有结构简单、无运动部件、价格低廉等优点，在家用空调及小型热泵热水器系统中得到广泛应用[2-7]。苏顺玉等[8]根据气液两相流动的均相流假设，建立了绝热毛细管的分布参数模型，在冷热工况下空调系统制冷剂充注量差值的基础上，采用该模型模拟计算了应用毛细管节流的热泵型空调系统中主副毛细管的长度。曹雯莉等[9]研究一种新型结构的毛细管组件，可克服传统毛细管流量变化单一的缺点, 并通过优化设计其结构，使其具有较灵活的流量变化特性。本文提出以毛细管作为节流元件，搭建了压缩机变频毛细管节流运行的空气源热泵系统，以R134a为制冷剂，实验研究机组制热性能。

1 实验装置

1.1 系统组成

压缩机变频毛细管热泵系统工作原理如图1所示。系统由变频压缩机、室内换热器、毛细管、4台室外换热器及油分离器、储液器、气液分离器等附件组成，实现冬季制热功能。与普通热泵系统不同之处在于本装置包含4台相同结构、相同换热面积的管翅式蒸发器和与之相对应的4根相同内径和相同长度的毛细管。高温高压制冷剂液体由储液罐经供液管送到4台室外机入口前的毛细管，经节流降压后进入室外换热器吸热气化，经回气管流入气液分离器后被压缩机吸入压缩，压缩机排气经油分离器后进入室内换热器放热制取热量。

图1 压缩机变频毛细管空气源热泵系统

1.2 实验测试系统

基于一台额定功率6HP变频压缩机搭建了实验装置，如图2所示。机组组装完毕后在焓差实验室中进行测试，室内侧温度控制范围10～50℃，相对湿度30%～85%，室外侧温度-15～55℃，相对湿度30%～85%，室内、外侧温度控制精度±0.1℃，湿度控制精度±0.1℃(WB)。压缩机功率通过高精度电量测试仪表获得。系统的制热量通过制冷剂流量计测得的质量流量乘以冷凝器的进出口制冷剂焓差获得。

图2 空气源热泵实验测试装置

为了更好地评价系统的性能，本实验对其主要部位的温度传感器、压力变送器及压缩机功率计、制冷剂质量流量计等仪表进行了标定，主要实验测量仪器见表1。

表1 主要实验仪器

2 实验方案

实验控制室内侧温度为24℃，室外侧温度为0℃，压缩机和变频器相连，使压缩机频率能从35Hz调节到50Hz，根据工况毛细管采用内径为1mm、长度分别为850mm、750mm和500mm，研究不同压缩机频率和不同毛细管长度下压缩机吸气压力、排气温度、制热量及制热COP的变化。

3 结果与讨论

如下实验数据均取为热泵机组稳定后运行20分钟的数据进行分析。

3.1 吸气压力的变化

图3 压缩机吸气压力变化（毛细管长850mm）

图4 压缩机吸气压力变化（毛细管长750mm）

图5 压缩机吸气压力变化（毛细管长500mm）

由图3～图5可知，相同毛细管长度下，压缩机频率越高，吸气压力越低；相同压缩机频率下，毛细管长度越长，压缩机吸气压力越低。如图3所示，毛细管长750mm、压缩机频率为35Hz时，吸气压力最大为1.47Bar；压缩机频率为40Hz时，吸气压力约为1.26Bar；压缩机频率为45Hz时，吸气压力最低为1.05Bar，已接近吸气负压。毛细管长750mm和500mm时，吸气压力变化特点与之相同。如图3、图4所示，当毛细管长分别为850mm和750mm、压缩机频率为35Hz时，吸气压力分别为1.35Bar和1.45Bar，前者比后者高0.1Bar；压缩机频率为45Hz时，压缩机吸气压力均已达到或接近吸气负压。如图5所示，当毛细管长为500mm、压缩机频率为50Hz时，吸气压力最低为1.3Bar，压缩机频率为35Hz时，吸气压力高达1.94Bar。

3.2 排气温度的变化

图6 压缩机排气温度变化（毛细管长850mm）

图7 压缩机排气温度变化（毛细管长750mm）

由图6～图8可知，相同毛细管长度下，压缩机频率越高，排气温度越高；相同压缩机频率下，毛细管越长，排气温度越高。如图6所示，毛细管长为850mm、压缩机频率为45Hz时，排气温度达到96℃，当压缩机频率为35Hz时，排气温度降低到88℃。如图8所示，毛细管长为500mm、压缩机频率为50Hz时，排气温度最大为79℃；压缩机频率为45Hz时，排气温度约为74℃，比毛细管长为850mm同一压缩机频率下，压缩机排气温度要低22℃；而当压缩机频率为35Hz时，排气温度降为67℃。

3.3 制热量的变化

对比图9～图11可以，相同压缩机频率下，毛细管长度越小，机组制热量越高。如图11所示毛细管长为500mm、不论压缩机频率为多少，其制热量始终高于毛细管长为850mm和750mm的制热量；当压缩机频率50Hz时，制热量最大能达到6.18kW。这主要是由于毛细管长度越小，节流作用越小，循环的制冷剂流量越大，在不同压缩机频率下毛细管长为500mm时，制冷剂流量均比毛细管长度增长后的大。由图9和图10可知，毛细管长分别为850mm和750mm、压缩机频率为35Hz时，制热量最小，压缩机频率为45Hz时，制热量最大，而图11中毛细管长为500mm、压缩机频率为50Hz时，制热量最大，但制热量同45Hz时相差不大。由以上可知，不论毛细管长度为多少，压缩机频率越高，制热量越大，这主要是由于压缩机频率越高，相同运行工况下，循环的制冷剂流量越大所导致的。

图9 制热量变化（毛细管长850mm）

图10 制热量变化（毛细管长750mm）

图11 制热量变化（毛细管长500mm）

3.4 制热COP的比较

图12 不同压缩机频率的制热COP

由图12可知，相同压缩机频率下，毛细管长度越小，机组制热COP越高。不同压缩机频率、不同长度毛细管下，机组制热COP变化不尽相同，毛细管长为850mm时，压缩机频率为40Hz时，制热COP最大为2.85；毛细管长度为750mm时，压缩机频率为45Hz时，制热COP最大为3.01；毛细管长度为500mm时，压缩机频率为35Hz时，制热COP最大为3.81。由此可见，毛细管长度为500mm、压缩机频率为35Hz时，制热COP获得最大值。

另外，相同压缩机频率下，毛细管长度越小，机组制热COP越高。不同压缩机频率、不同长度毛细管下，机组制热COP变化不尽相同，毛细管长为850mm时，压缩机频率为40Hz时，制热COP最大为2.85；毛细管长度为750mm时，压缩机频率为45Hz时，制热COP最大为3.01；毛细管长度为500mm时，压缩机频率为35Hz时，制热COP最大为3.81。由此可见，以毛细管长度为500mm，压缩机频率为35Hz时，制热COP为最大。

4 结论

本文提出采用毛细管节流，同时压缩机变频的空气源热泵系统，搭建了实验装置，实验研究了系统的制热性能，得出的结论如下：

（1）相同毛细管长度下，压缩机频率越高，吸气压力越低；相同压缩机频率下，毛细管长度越长，压缩机吸气压力越低。当毛细管长度为850mm和750mm，压缩机频率为45Hz时，压缩机吸气压力均已达到或接近吸气负压。

（2）相同毛细管长度下，压缩机频率越高，排气温度越高；相同压缩机频率下，毛细管越长，排气温度越高。当毛细管长度为500mm、压缩机频率为35Hz时，压缩机排气温度最低，为67℃。

（3）相同毛细管长度下，压缩机频率越高，制热量越大；相同压缩机频率下，毛细管长度越短，机组制热量越高。毛细管长度为500mm，当压缩机频率为50Hz时，制热量最大能达到6.18kW。

（4）相同压缩机频率下，毛细管长度越小，机组制热COP越高；不同毛细管长度、不同压缩机频率下，以毛细管长度为500mm，压缩机频率为35Hz时，制热COP取得最大值为3.81。

由此可见，针对此额定6HP变频压缩机，采用毛细管节流的空气源热泵系统，以毛细管长度为500mm、压缩机频率为35Hz时系统制热性能最优，其制热量、制热COP均为最大，而其吸气压力和排气温度适中。

[1] 刘楚.北京市今年20.5万居民煤改电[OL].http:/ /www. gov.cn/shuju/201704/07/content_5183876.htm,2017-04-07.

[2] 孙涛,郭宪民,杨明.毛细管长度对热泵热水器系统动态性能的影响[J].流体机械,2009,37(8):58-62.

[3] 郭宪民,王燕,沈晨,等.排风余热回收型热泵热水器动态性能实验研究[J].流体机械,2007,35(3):55-59.

[4] 杨明.热泵热水器动态性能模拟与实验研究[D].天津:天津商业大学,2008.

[5] Jie Ji, Tin-tai Chow, Gang Pei, et al. Domestic air conditioner and integrated water heater for subtropical climate[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(5): 581-592.

[6] Jie Ji, Gang Pei, Tin-tai Chow, etc. Performance of multi-function domestic heat pump system[J]. Applied Energy, 2005,80(3):307-326.

[7] 熊珍琴,王如竹,吴静怡.小型家用热泵热水器的实验研[C].杭州:第3届制冷空调新技术研讨会,2005:182-186.

[8] 苏顺玉,张春枝,陈俭.空气源热泵毛细管节流空调统的研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2009,36(12):1-4.

[9] 曹雯莉,陈东,谢继红,等.制冷热泵装置毛细管组件及其应用特性研究[J].天津科技大学学报,2013,28(5): 75-78.

Experimental Study on an Air source Heat Pump System with a Compressor Frequency Conversion and Capillary

Niu Jianhui1,2Xu Shuxue1Ma Guoyuan1Liu Shuailing1

( 1.College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.College of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou, 075000 )

In view of the widely used air source heat pump unit in the current “coal to electricity” project, an air source heat pump system using capillary as a throttle element was proposed, which used a compressor with frequency conversion. An experimental device was set up, and the change rules of the suction pressure, the discharge temperature of the compressor and the unit thermal performance with the working condition and compressor frequency were experimentally studied, hoping to provide reference for optimizing the design of air source heat pump.

air source heat pump; compressor with frequency conversion; capillary; heating performance

1671-6612（2018）06-590-05

TM925.1/TU831.7

A

北京市教委科技计划项目（SQKM201810005011）；2017年河北省省级科技计划项目（17274515）

牛建会（1981-），女，讲师，主要从事制冷热泵技术研究，E-mail：zjknjh@163.com

许树学（1981-），男，讲师，主要从事制冷空调设备节能技术，E-mail：xsx@bjut.edu.cn

2018-03-09