二次过冷系统在低环温热泵的应用研究

张 勇 邓志扬 黎 珍

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

前言

随着国家“双碳”政策[1]布局，低环温热泵在低温制热的性能提升明显，分散清洁采暖应用越来越多。而在后煤改电时代的到来，对于具有强劲制冷功能的需求也被提上日程，可以同时满足冬季采暖、夏季制冷的暖冷一体机组需求强烈，尤其是目前寸土寸金的城市、郊区等更为明显。

低环温热泵系统在低温制热表现强劲[2,3]，其在高压比、高排气抑制方面的设计考量，使低环温热泵近年蓬勃发展，低温制热性能提升显著，备受北方煤改电等供暖工程的青睐。而低环温热泵的压缩机设计工况，一般基于标准工况如-12 ℃低环温下设计，其性能的设计优化点更趋向于较低的蒸发温度工况，而在常温工况如制冷工况的性能表现并不突出，甚至会低于常规压缩机的制冷性能。

为此，本文考虑低温热泵兼顾制冷的使用需求，在低环温热泵系统基础上进行改进，重点研究二次过冷制冷系统[4]在低环温热泵的制冷应用，提高其在制冷运行时的制热量和能效，为低环温热泵在制冷性能的提升设计应用提供参考。

1 低环温热泵二次过冷制冷系统设计

二次过冷的低环温热泵系统，其系统原理图相比常规热泵具有如图1所示差异：

图1 制冷运行二次过冷系统原理图

在空调四大件基础之上，系统上额外增加了板式换热器做为二次过冷核心换热部件，本系统采用下游取液的过冷方案，通过节流阀2控制二次过冷的冷媒量和过冷度，进而实现最优系统过冷度下的制冷性能。

其原理简述如下：低温低压的气态制冷剂被吸入压缩机，压缩成高温高压的气态制冷剂，进入翅片蒸发器进行放热，形成中温高压的液态制冷剂，液态制冷剂经过板式换热器后，一分为二，一部分经节流阀2节流降压降温后，进入板换的另一侧进行换热，成中温气态制冷剂，并最终同主路制冷剂一同被吸入压缩机进行再压缩；同时可有效降低进入节流阀1的制冷剂温度、提高过冷度，并经节流阀1节流降压为气液两相制冷剂进入水侧换热器吸收末端管网中水的热量，制取低温冷水，并换热成低温低压的气态制冷剂，进入压缩机吸气口，如此往复。

根据上述系统改进方案，可以提高主路的过冷度和吸气压力，大幅提升冷媒循环量及空气侧的焓差，最终实现制冷性能的提升。

2 实际样机准备

如图2所示，以低温喷液系统的样机为基础，进行样机的搭建和设计工作，为保障低温制热性能不降低，同时提升制冷性能，将热泵系统由低温喷液系统更改为制热低温喷液、制冷二次过冷的系统方案。

图2 实际样机搭建系统原理图

采用低温热泵专用压缩机，低压腔涡旋式，中间喷液，制冷剂R410A，吸气容积170.3 cm3/rev，额定转速2 900 rev/min。

采用板式换热器作为二次过冷换热，板式换热器选用舒瑞普厂家B8TH系列，22片，换热面积为0.46 m2，换热量为4.5 kW。

制热时，通过控制喷液电磁阀实现喷液开启与否，喷液流量采用电子膨胀阀进行PID精准控制，实现低温制热及低温性能的提升。

制冷时关闭喷液电磁阀及喷液路，通过开启制冷电磁阀及制冷毛细管流路，同时调节电子膨胀阀控制，协同作用进行制冷运行，达到制冷运行时二次过冷目的。

3 实验验证情况

经试验确认机组在低环温热泵GB/T 25217.1-2020、GB 37480-2019标准，制热性能在更改前后无明显差异，下面着重针对GB/T 18430.1-2016、GB 19577-2015标准进行制冷运行相关实验对比验证。

3.1 二次过冷系统制冷性能提升

在名义制冷（环温35 ℃、进/出水12 /7 ℃）工况下，通过更换不同规格毛细管规格，在二次过冷系统制冷运行，进行对比性能测试，如图3所示，最终确认采用毛细管的规格为内径1.37×长度500 mm时达到最优性能值。

图3 不同毛细管规格的制冷性能对比

见表1，随着制冷毛细管规格的逐步减小，系统吸气压力呈现下降趋势，系统排气压力呈现上升趋势，二次过冷后的温度呈现升高趋势，二次过冷后温度介于板式换热器和翅片换热器之间。制冷运行性能的取决于过冷度的提升量和功率高低，从制冷毛细管分配的流量会影响高低压和功率的变化，最终达成制冷最优性能。

表1 不同毛细管规格的制冷运行关键数据

3.2 常规系统和二次过冷系统的制冷运行对比

见表2，在选定最优性能毛细管规格基础上，通过对制冷电磁阀的开关动作，对比二次过冷系统与常规系统制冷性能在名义制冷工况的差异，二次过冷系统制冷运行能力提升1.504 kW，能效提升0.074 W/W。

表2 常规系统和二次过冷系统的制冷运行对比

二次过冷系统制冷运行的吸气压力、排气压力、排气温度均有小幅度上升，过冷度的提高8.7/9.1 ℃，二次过冷系统对于制冷的能力提高2 %、能效提高2.66 %，可见过冷度大幅提升是二次过冷系统能力更优的关键因素。

3.3 不同IPLV（C）制冷工况的过冷度变化与制冷性能变化

通过验证IPLV（C）不同制冷工况下的对比测试，随着环境温度的降低，制冷性能的提升量逐渐增加，而二次过冷系统的过冷度提升幅度在35 ℃以下环温基本可保持在（7～10）℃左右，但是在环境温度48 ℃时，制冷性能几乎没有提升，这属于毛细管规格的范围不适用性，无法兼顾到高冷凝温度、高蒸发温度的恶劣工况，受制冷剂流量、系统高压、换热能力等因素影响较大，如图4所示。

图4 不同IPLV(C)工况 常规系统与二次过冷系统对比

4 总结

1）通过增加板式换热器及对应二次过冷支路，可实现二次过冷系统过冷度的大幅提升，获取最优二次过冷状态，实现最佳的制冷性能。

2）通过制冷电磁阀的切换，实现常规制冷系统、二次过冷系统的制冷性能对比验证，二次过冷系统可以提升2 %能力和2.66 %能效。

3）在环境温度35℃以下，二次过冷系统随着环境温度的降低，能力提升（2.02～2.07）%，能效提升（2.5～2.9）%，主要是在中低环温系统过冷度增加了（7～10）℃。

4）在环境温度48 ℃时，二次过冷系统能力仅提升0.36 %、能效仅提升0.61 %，分析为依据名义制冷工况配试的毛细管具有高冷凝、高蒸发温度的不适用性，受换热因素影响，无法大幅度提升过冷度，导致性能提升有限。