环境温度和进水温度对低温空气源热泵性能的影响

黎珍，邓志扬，张勇，李燕华，袁明征

（珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）

引言

空气源热泵热水机利用热泵原理，以电能驱动压缩机，通过热力循环，将空气中吸收的热量用于制取热水。在双碳政策背景下，空气源热泵热水机组因其环保与节能的特性被广泛应用在替代电、燃煤锅炉等领域。

空气源热泵虽然具有很多优势，但是不同于常规的热泵，其运行工况范围宽，常年制热以及冷凝温度高，在低温工况容易出现性能衰减、制热水能力差、结霜等问题[1,2]，国内外学者针对这些问题展开了大量的研究。

孙涛等[3]通过调节毛细管长度提升热泵性能。曲明璐等[4]通过增设蓄热器的除霜系统来缩短除霜时间降低除霜能耗。其他学者也研究了环境温度、进水温度、出水温度等对热泵性能参数的影响程度与变化趋势[5-9]。

但是以上研究多分别针对环境温度、初始水温、出水温度等单一影响因素研究，综合多种因素对热泵性能参数影响程度对比研究较少。因此本文通过改变环境温度、进水温度两个影响因素对商用循环式空气源热泵热水机组性能进行研究，总结低温工况能力性能衰减的根本原因，为进一步优化系统性能提供参考。

1 实验原理和方法

1.1 实验装置

空气源热泵热水机组试验系统原理如图1所示，整个系统由制冷剂系统和水系统两部分组成。

制冷剂循环部分由压缩机、汽液分离器、套管换热器、过滤器、电子膨胀阀、翅片蒸发器、四通阀等组成。制热时制冷剂流向如图1箭头方向所示。选用额定制热量为41 kW，额定功率为8.93 kW，额定制热能效为4.59，制冷剂为R410A的商用循环型空气源热泵热水机组作为研究对象。其中压缩机为定频50 Hz的热泵专用涡旋式压缩机，可靠性好。压缩机吸气口安装低压开关、排气口安装高压开关，当压缩机超出正常工作压力范围时起到保护作用。

图1 实验装置原理

水系统循环部分由开式水箱、水位开关、电加热装置、循环水泵、套管换热器组成闭式回路。水泵从水箱中取水，经循环进水管进入机组后，通过大流量、小温差的加热方法，将水箱中的水逐渐加热。在套管冷凝器中水与制冷剂的流动方向相反，呈逆流换热，换热效果好。循环水泵流量可调，电加热箱可调节初始水温。开式水箱体积2 t，自带水位开关调节水位。

实验室可通过调节环境温度、水箱温度以及循环水泵开度等来达到所需实验工况。实验需测量18个参数：环境温度，水泵流量、进水温度，出水温度，压缩机吸、排气温度及其对应的压力，电子膨胀阀前温度，蒸发器入管、出管温度、压缩机电流、风机电流、压缩机功率、风机功率、电压、机组制热量、能效等。进出水温度由铂电阻温度传感器测量，其他温度点由布置在其上的热电偶测量，压缩机吸排气压力由压力传感器测量，水泵流量由电磁流量计测量，其他参数实验室设备软件可测量显示。

1.2 实验方法

选用实验机组为商用循环型空气源热泵热水机，根据GB/T 21362-2008《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》规范，使用侧循环流量为按名义制热量及进出口5 ℃温差确定的水流量，因此名义工况先调节循环水泵开度，确定循环水流量为6.86 m3/h；变工况运行时的终止水温为（9～55）℃，实验室通过电加热调节水箱温度，使进水温度按实验要求调节。为保证数据的准确性，压缩机开机3 min后再开始采集实验数据。实验工况中进水温度9 ℃、30 ℃、50 ℃分别定义为低、中、高水温。

实验中采用定水温的方法进行测试，即水流量不变时，进水温度不会随着加热时间变长而升高。记录实验数据时取任意稳定时的数据，以代表该工况的状态。

1.3 计算公式

系统制热量：

式中：

Q—热泵热水机制热量，单位kW；

C—水的比热容，单位kJ/（kg·℃）；

t1—进水温度，单位℃；

t2—出水温度，℃；

m—被加热水的质量流量，单位kg/h。

热泵COP：

表1 实验工况

式中：

P—压缩机和风机耗电量，单位kW。

遵循蒸气压缩制冷理论循环的压焓图状态参数命名规则，压缩机吸气口为点1，排气口为点2，电子膨胀阀前为点3，蒸发器入管为点4。蒸发压力为P0，冷凝压力为Pk，利用Refprop9.0软件分别计算对应状态点的制冷剂比体积v/（m3/kg）、比焓h/（kJ/kg）、比熵s/（kJ /kg*k），然后通过公式计算即可得到以下参数：

单位质量制冷量q0/（kJ/kg）：

单位质量制热量qk/（kJ/kg）：

单位容积制冷量qzv/（kJ/m3）：

比功w/（kJ/kg）：

制冷剂质量流量qm/（kg/s）：

理论输气量qvh/（m3/s）：

该机组压缩机为松下涡旋压缩C-SCP360H38M，排气容积为120.3 cm3/rev.，即额定工况理论输气量qvh为0.005 822 52 m3/s。

实际输气量qvs/(m3/s)：

容积效率λ：

压比π：

2 实验结果与分析

2.1 环境温度和进水温度对热泵系统制热量的影响

系统制热量Q、单位质量制热量qk、制冷剂质量流量qm以及容积效率λ随环境温度和进水温度的变化分别见图2～5。由图2可知，当外界环境温度相同时，环境温度7 ℃和0 ℃工况下，制热量随着进水温度的升高而变化不明显；环境温度-15 ℃时，制热量随着进水温度的升高而降低，这种趋势在低中水温时降低较少，但高水温时制热量相对低水温降低32.51 %。当进水温度相同时，制热量随着环境温度的降低而降低，尤其是高水温时，环境温度-15 ℃的制热量比7 ℃降低57.76 %。

图2 系统制热量随环境温度和进水温度的变化

原因由图3～5可知，环温7 ℃和0 ℃工况下，虽然单位质量制热量qk随着进水温度的升高冷凝效果下降，且容积效率λ随着进水温度升高而降低，但是由于冷凝温度升高，同环温工况下蒸发压力有所提升，吸气比体积减小，因此制冷剂质量流量qm随着进水温度升高依然呈上升趋势，总体表现为制热量变化量不明显。而环温-15 ℃高水温工况下，压比π高达7.4导致容积效率λ严重下降，实际输气量只有理论输气量的60 %，此时的质量流量急剧下降，所以-15 ℃高水温工况制热量衰减严重。

图3 单位质量制热量随环境温度和进水温度的变化

综上，环境温度是影响制热量的主要因素，进水温度是影响制热量的次要因素，进水温度的影响程度在低环温、高水温工况即压比π大的工况明显增加。

2.2 环境温度和进水温度对热泵系统功率的影响

系统总功率、比功以及压比随环境温度和进水温度的变化分别见图6～8。由图6可知，当外界环境温度相同时，随着进水温度的升高，热泵系统的总功率呈上升趋势。环境温度7 ℃时，中水温比低水温功耗增加36 %，高水温比低水温功耗增加102 %；环境温度0 ℃时，中水温比低水温功耗增加31.16 %，高水温比低水温功耗增加88.76 %；环境温度-15 ℃时，中水温比低水温功耗增加37.2 %，高水温比低水温功耗增加81.53 %。当进水温度相同时，低中水温工况下，总功率随着环境温度升高变化不明显，但高水温工况下，总功率随环境温度升高明显增加。

图6 功率随环境温度和进水温度的变化

结合图4、图5、图7、图8可知，环境温度7 ℃和0 ℃工况下，qm随着进水温度升高而升高，比功w也因压比π增加而呈上升趋势，二者增加均导致功耗增加，且水温越高冷凝压力越高，压比π越大，功耗增加越快。环境温度7℃和0℃时，低中水温工况功率增幅比例相近，但是在高水温时随着环境温度的提升，功耗增加幅度增大。这是因为虽然环境温度提高，压比π减少，比功w略降低，但是蒸发压力升高比体积减小，导致qm增加幅度大，综合结果体现为高水温工况，环境温度越高，功耗越大。环境温度-15 ℃时，高水温工况，虽然容积效率λ急剧降低，qm下降，但是压比π非常高，比功w很大，所以该工况功率只比7℃高水温工况降低12.87 %。

图4 制冷剂质量流量随环境温度和进水温度的变化

图5 容积效率随环境温度和进水温度的变化

图7 比功随环境温度和进水温度的变化

图8 压比随环境温度和进水温度的变化

综上，进水温度是影响总功率的主要因素，环境温度是影响总功率的次要因素，环境温度的影响程度在低环温、高水温工况即压比π大的工况明显增加。

2.3 环境温度和进水温度对热泵COP的影响

热泵COP随环境温度和进水温度的变化如图9 所示。由图9可知，热泵COP随着环境温度的降低而降低，随着进水温度的升高而降低，这是因为虽然环境温度不变时，中低水温时制热量变化较小，环境温度-15℃高水温工况制热量衰减明显，但是进水温度升高导致系统总功率一直在升高，所以系统能效均在降低。当进水温度不变时，环境温度越低制热量越低，但是总功率却相差较少，所以系统能效降低。

图9 热泵COP随环境温度和进水温度的变化

2.4 系统性能的优化

容积效率λ随压比π的变化如图10所示。从图10中可以看出，容积效率λ随着压比π增加而减小。π在3以下，λ可以达到93 %以上；π在3～4之间 ，λ为91 %；π在4～5.5之间，λ为86 %；压比π在7.4，λ为60 %，当压比π大于7时λ急剧下降。由计算公式及前面分析可知，不管是环境温度改变还是进水温度改变，最终都是是由实际输气量和单位质量制热量来决定制热量的大小，由实际输气量和比功来决定总功率的大小，而实际输气量取决于λ的大小，比功取决于压比的大小，因此可以采用喷气增焓系统增加补气量；或者采用变频压缩机，在低环温工况适当升频来提升补气量；或者采用再加热的方法提高蒸发器出口冷媒的吸气温度等来提高系统制热量和COP。

图10 容积效率随压比的变化

3 结论

本文以商用循环型空气源热泵热水机组作为研究对象，通过改变环境温度和机组进水温度，对比研究系统性能的变化规律，得出如下结论:

1）当外界环境温度相同时，环境温度7 ℃和0 ℃工况下，制热量随着进水温度的升高变化量不显著；环境温度-15 ℃时，制热量随着进水温度的升高而降低，这种趋势在低中水温时降低较少，但是高水温时制热量相对低水温降低32.51 %。

2）当进水温度相同时，制热量随着环境的降低而降低，尤其是高水温时环境温度-15 ℃制热量比7 ℃降低57.76 %。

3）环境温度是影响制热量的主要因素，进水温度是影响制热量的次要因素，环境温度的影响程度在低环温高水温工况即压比π大的工况明显增加。

4）当外界环境温度相同时，随着进水温度的升高，热泵系统的总功率呈上升趋势。环境温度7 ℃时，中水温比低水温功耗增加36 %，高水温比低水温功耗增加102 %；环境温度0 ℃时，中水温比低水温功耗增加31.16 %，高水温比低水温功耗增加88.76 %；环境温度-15 ℃时，中水温比低水温功耗增加37.2 %，高水温比低水温功耗增加81.53 %。

5）当进水温度相同时，低中水温总功率随着环境温度升高变化不明显，但是高水温时环境温度越高总功率越高。

6）进水温度是影响总功率的主要因素，环境温度是影响总功率的次要因素，环境温度的影响程度在低环温高水温工况即压比π大的工况明显增加。

7）热泵COP随着环境温度的降低而降低，随着进水温度的升高而降低。

8）可以采用喷气增焓系统增加补气量；或者采用变频压缩机，在低环温工况适当升频来提升补气量；或者采用再加热的方法提高蒸发器出口冷媒的吸气温度等来提高系统制热量和COP。