补气增焓准二级压缩空气源热泵热水器实验测试方法

刘向龙，曾 智，王 艳，李文菁，曾丽萍，邹 昊

(湖南工程学院 建筑工程学院，湘潭 411104)

0 前言

空气源热泵热水器是一种非常节能的制取热水的设备，可从空气吸收低位热量而制取热水用于供暖或者制取生活热水.常规的空气源热泵在低温高湿地区运行时会出现结霜问题以及低温环境下制热效率急剧下降的问题.为此，很多机构对于如何提升冬季的热泵效率做了非常多的研究，利用补气增焓技术提高冬季空气源热泵制热是非常有效的途经[1-3].

对于补气增焓的准二级压缩空气源热泵的研究，主要从理论分析或者实验研究与理论分析相结合研究的方式.对于准二级压缩补气增焓系统的理论研究，早在2006年北京工业大学就有研究发现，通过前节流闪发器系统在低温工况下可以提高空气源热泵的低温制热性能和运行可靠性[4].天津商业大学通过对带经济器的热泵系统进行分析,建立了带经济器热泵系统用涡旋压缩机的数学模型且根据模型的仿真结果给出了补气口起始的角度和补气口面积的计算式[5].北京大学做了类似的研究[6]，分析了准二级压缩系统的动态特性.依据上述的理论研究，很多学者对采用实验和理论分析相结合的方法对补气增焓的准二级压缩空气源热泵的系统进行了研究.艾默生环境优化技术(苏州)研发有限公司结合喷气增焓涡旋压缩机技术[7],着重对带闪发器的喷气增焓热泵机组运行时的特有问题进行了分析，为开发喷气增焓的空气源热泵热水机组中的应用打下了很好的基础.广东长菱空调冷气机制造有限公司研制了低温强热型空气源热泵热水器[8]，该系统能在-20～43 ℃环境下正常运行,制取65 ℃的热水.天津商业大学对以R32为工质带经济器的中间补气压缩空气源热泵系统进行了研究[9]，结果表明环境温度在-6 ℃的条件下，该系统的制热性能具有明显的优势.兰州理工大学在兰州地区建立了喷气增焓空气源热泵实验台[10]，结果表明系效率在喷气电磁阀关闭时基本呈线性变化关系，最高可达6.5.北京工业大学搭建了R134a为工质的涡旋压缩机闪蒸器补气制冷/热泵系统试验台，对压缩机排气温度、功耗、制冷量、制热量及制冷、制热性能系数进行研究[11].太原理工大学通过对某工程实例的运行检测，验证了喷气增焓空气源热泵应用于东北部分地区的技术可行性[12].

通过上述研究可知，利用补气增焓技术可以提升冬季空气源热泵的效率，但是实验研究的测试方式都不相同，多关注系统的效率问题.如需将补气增焓的准二级压缩进行深入的热力学研究，还需找出压焓图各个状态点.一般来说，如将喷气增焓空气源热泵进行压力测试，测试程序和工艺较为复杂，很多测试机构不提供类似服务.针对上述问题，本文对补气增焓的准二级压缩空气源热泵热水器系统的压缩机吸气、排气温度、电子膨胀阀节流前、节流后温度以及补气温度进行测试，采用实验和计算的方式得出系统压焓图各个状态点，最终求出系统的COP值.

1 准二级压缩补气增焓热泵热水器测试原理

对于现有的准二级压缩补气方式来说，一般采用谷轮压缩机，将压缩机的进气口采用2个进气口，中间进气口补气.这种方式尽管系统复杂一些，但是能够提升空气源热泵在低温环境下的热效率.

1.1 准二级压缩补气增焓热泵热水器系统

图1所示的补气增焓压缩机出口的高温高压气体分为两部分，一部分经过冷凝器经膨胀阀降压后进入蒸发器，然后进入压缩机吸入端，另外一部分通过冷凝器后进入经济器的闪发蒸汽进入压缩机的辅助吸入口补气.系统一方面通过提高蒸发器过冷度增加了热泵机组在空气中吸收热量的能力，另一方面也通过补气系统提高进入压缩机工质的温度，从而增加系统的效率.这是对冬季提升空气源热泵的一个尝试，从实际效果来说，运行较为稳定，系统效率及防霜效果良好.

图1 准二级压缩补气增焓热泵热水器系统图

根据图1的准二级压缩系统，转换成压焓图如图2所示.本文采用闪蒸器前节流的喷气增焓系统，从冷凝器冷凝之后的质量流量为m+i的液体经过膨胀阀第一次节流后进入闪蒸器，在闪蒸器中制冷剂分成两部分:(1)主回路部分，质量流量为m的饱和液体，再经第二次膨胀阀节流后进入蒸发器中吸热，最后进入压缩机吸气口;(2)补气回路部分，质量流量为i的某一中压压力下的饱和蒸汽，经过截止阀后被压缩机补气口吸入，与主回路部分的气体混合后进行压缩.在工质混合过程中压力值变化不明显，故可将其视为等压过程.

图2 补气增焓准二级压缩系统工作循环压焓图

1.2 准二级压缩补气增焓热泵热水器测试计算原理

如将上述压焓图进行热力学分析，要将状态点全部获取，需要建立试验台进行测量与计算.一般来说，建立试验台测试氟利昂系统，需将所有状态点的压力和温度测得，还需对系统各个状态点的关系进行分析.根据理论分析，可以找出系统间的热力学关系，从而找出最简单的测试方法.对于工程应用，需要作出如下假定：(1)假定蒸发器出口的过热段的压力不变；(2)假定冷凝器的的压力不变；(3)假定补气增焓压缩过程中为定熵压缩，且补气前后的熵不变.因此，本文根据测试原理图布置好五个温度测点，分别测试压缩机吸气、排气温度、电子膨胀阀节流前、节流后温度以及压缩机补气温度，共对应的温度用t1、t3、t4、t5′、t6表示.

依据测得的温度参数t1、t3、t4、t5′、t6，直接通过压焓图查得各个点的压力参数：P1、P2、P2′、P4′、P5、P5′，可以查出对应的状态点1、5、6点.压焓图对应的状态点2、2′、3、4、4′、5′还需进行计算获得.

状态点2点(假定系统属于等熵压缩)：

S2=S1

(1)

图3 准二级压缩补气增焓热泵热水器测试计算原理图

假定状态点2′点到3点的压缩过程为等熵压缩，且假定S2=S1=S2′=S3，则状态点2′点：

S2′=S1

(2)

(3)

状态点3点：

S3=S1

(4)

状态点4点：

P4=P3

(5)

状态点4′点：

h4=h4′

(6)

状态点5′点：

h5=h5′

(7)

将上述循环过程中的状态点代入到产热过程，可以得出循环的产热量：

Q=(m+i)(h3-h4)

(8)

做功过程为：

W0=(m+i)(h3-h2′)+m(h3-h2′)

(9)

因此，

(10)

式中，ηR为热泵效率，本文取0.8.

2 实验测试与验证

本文根据图3所示的实验测试过程，对某厂家的准二级压缩空气源热泵热水器系统进行了测试，测试的准二级压缩的空气源热泵热水器的基本参数如表1所示.

表1 测试机型参数

2.1 测试状态点布置

根据测试原理图布置好五个温度测点，分别测试压缩机吸气、排气温度、电子膨胀阀节流前、节流后温度以及补气温度.上述温度也就是系统图上对应的t1、t3、t4、t5′、t6，则测试布点情况如图4所示.

图4 准二级压缩补气增焓热泵热水器测点布置图

根据图4的测试点布置要求，图5与图6为供回水管接头与感温探头的保温处理.测试线为导线，温度测试探头为导线的裸露金属丝，将探头与测点对应，探头紧贴热水机铜管外管壁，用铝箔纸及绝缘胶带固定，并用发泡材料进行保温处理.测试时，开启试验室顶部的环控系统对试验室进行降温，并开启水泵及热泵热水器.

图5 供回水管接头测点与保温处理

图6 铜管感温探头保温处理

2.2 测试工况及测试数据

由于测试是在焓差室测量，故可以调整冷凝器的空气温度.经过一段时间降温后，试验室内部环境温度达到设定值的要求.本次实验共计测试了5种工况，具体情况如表2所示.

表2 测试工况表

本次测试试验主要目的在于，测试该机组在南方地区湿冷气候条件下的结霜和化霜性能.测试工况一和工况二通过控制装置保持环境干湿球温度不变，而改变并控制进出水温度，从工况一的进出口水温15 ℃/20 ℃，改为工况二的进出口水温50 ℃/55 ℃.测试工况三则是在极端条件下的测试结果，测试在湖南地区这种条件下空气源热泵热水器的性能.根据《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》(GB/T 21362—2008)中的相关规定，环境干球温度设置为2 ℃，湿球温度为1 ℃时的情况下最容易结霜，测试工况四与工况五在此情况下做了测试.

2.3 测试数据分析

依据表2的5种测试工况，对测得的温度参数t1、t3、t4、t5′、t6进行分析，研究不同工况下各个温度参数的变化情况.由于各个温度之间波动较大，且由于时间的关系，测试的工况参数有限，故本文采用压缩机吸气温度作为基准温度，与其他几个温度进行对比分析.

从图7可以看出，冷凝器与蒸发器的换热端的温度对压缩机吸气温度t1、压缩机排气温度t3影响较大，测试工况一与测试工况二其他参数都相同，工况二的冷凝器进出口水温，两者差距不大，排气温度略有上升.从图7可知，当压缩机的吸气温度升高对应的排气温度下降，吸气温度下降排气温度反而上升，这说明当环境温度下降时，压缩机的压比会急剧上升，系统的效率会持续下降.与此对应的节流阀前的温度t4与压缩机进气温度成正比；经过两次节流后的温度t5′，根据环境温度的变化而自我调整，目的是为了从室外吸收热量；补气温度t6则是一次节流后的温度，与t5′的变化趋势一致.

在环境干球温度为2 ℃，湿球温度为1 ℃的湿冷环境中运行的热水器风冷翅片上出现结霜，但是霜层比较薄.其中，正面翅片为分层结霜，结霜部位出现在翅片的上半部分，下半部分未结霜；背面翅片基本都结了霜.结霜一段时间后机组进入化霜工况，化霜时间很短，仅需要5 min左右的时间，化霜后机组很快达到稳定状态.试验中先后进行了两次除霜，在整个过程中机组运行状况良好.

2.4 测试数据验证

通过上述的实验数据，依据图3可以求取各个状态点进行热力学分析.本文主要研究的目的是验证该实验方法是否正确，故将最终以状态点计算出来的COP(公式10)与实验室测量出来的COP进行比较.

从图8看出，环境温度与COP值是成正比，当环境温度是20 ℃时的系统COP超过6，而温度为2 ℃时，系统的COP值为2.0左右，这说明空气源热泵对环境的温度要求很高.如果用很小的代价来提升环境温度，可以很好的提升系统的热效率.由于补气增焓的作用，环境温度为-10 ℃时，系统的效率在2左右，这说明补气增焓对于空气源热泵在超低温状态时也能正常运行.从计算的COP与测试的COP之间对比看出，本文提出的测试方法较为可行，尽管ηR的选取偏小，但是计算结果符合实际情况.

图7 t1与t3、t4、t5′、t6之间的关系

图8 环境温度与COP之间的关系

3 结论

本文提出了一种简单测试补气增焓空气源热泵热水器系统的方法，即测试压缩机吸气、排气温度、电子膨胀阀节流前、节流后的温度以及补气温度，通过测试上述5个温度来确定系统压焓图上的各点参数，从而计算系统COP值.通过理论和实验的测量，得出下列结论：

(1)测试压缩机吸气、排气温度、电子膨胀阀节流前、节流后的温度以及补气温度这5个温度来确定系统压焓图上的各点参数方法是可行的，与实际测量的COP值的误差较小；

(2)对于补气增焓准二级压缩空气源热泵热水器来说，系统在环境温度-10 ℃的情况下能够正常运行，说明该方法能够提升空气源热泵冬季效率；

(3)环境温度对空气源热泵的效率影响很大，提高进入蒸发器的空气温度是提升空气源热泵效率有效的途经.