(1 北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院 北京 100124； 2 北京工業(yè)大學建筑工程學院 北京 100124)

能源問題是各個國家關注的熱點，經濟和社會的發(fā)展導致對能源的需求與日俱增。全球的學者努力研究新能源及如何節(jié)約能源。近年來，熱泵技術作為新能源技術的一種，在全球范圍內備受關注。采用熱泵技術可以節(jié)約大量高品位能源，不同型式的熱泵廣泛應用于工商業(yè)，尤其家用供暖設備。

應用熱泵技術實現(xiàn)家庭供暖主要面臨兩個問題：1)低溫制熱時制熱量不足，穩(wěn)定性差；2)制熱COP有待提高。制熱COP的水平直接決定其是否能夠作為取代傳統(tǒng)燃煤或燃氣的技術方案。熱泵在環(huán)境溫度較低時制熱性能差的主要原因是壓比過大導致排氣溫度高和壓縮機容積效率降低，排氣量不足[1-3]。針對這些問題，國內外學者進行了廣泛研究并提出相應的改進方法[4-7]。其中，較為有效的方法是對壓縮機中間腔內補氣及單級變雙級壓縮中間腔內補氣(或稱為帶經濟器補氣熱泵系統(tǒng))[8]。從熱力學上講，采用自然冷源對熱泵系統(tǒng)供液管過冷是提高制熱性能的有效方法。過冷技術多應用于中低溫領域的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)[9]。具體實現(xiàn)方法有：環(huán)境冷卻過冷、吸氣管道過冷及使用外部機械過冷[10-13]。

我國依據(jù)國情提出了采用R32的制冷劑替代方案[14-15]，但其缺點是排氣溫度過高[16]。本文針對以R32為工質的熱泵系統(tǒng)，引入自然冷源主路過冷和輔助回路過冷提高其制熱性能，并搭建了實驗系統(tǒng)，從理論和實驗的角度進行研究。

1 工作原理

利用自然冷源過冷的熱泵系統(tǒng)工作原理如圖1所示。圖1(a)所示為主路過冷循環(huán)。方法是在冷凝器后增設過冷回路，從低溫端引入一部分冷源對液體進行冷卻，使閥前液體獲得更大的過冷度，進而提高制熱性能。圖1(b)所示為輔助回路過冷循環(huán)。方法是在閃發(fā)器出口到壓縮機的管路上增設過冷器，并引入低溫環(huán)境的冷量對補入壓縮機的氣體進行過冷，進而降低壓縮機排氣溫度，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

圖1 自然冷源過冷循環(huán)原理圖和lg p-h圖Fig.1 The principle of natural cooling source sub-cooling cycle and lg p-h diagram

2 計算模型

計算過程條件：1) 系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下運行；2) 冷凝溫度為40 ℃，蒸發(fā)溫度范圍為-20～5 ℃；3) 過熱度為0～10 ℃；4) 指示效率為0.8；5) 壓縮機額定輸入功率為2 HP(1.4 kW)。

(1)主路過冷系統(tǒng)

排氣溫度：

T2′=f(pk,h2′)

(1)

式中：pk為冷凝壓力，MPa；h2′為2′點焓值，kJ/kg。

制熱量：

Qk=qmqk-sub

(2)

式中：qm為制冷劑循環(huán)的質量流量，kg/s；qk-sub為冷凝器的單位熱負荷，kJ/kg。

壓縮機輸入功率：

P=qmWi/(ηmηmot)

(3)

式中：Wi為指示功率，kJ/kg；ηm、ηmot分別為機械效率和電機效率。

制熱COP：

(4)

單位質量過冷量：

Qgl=h3-h4

(5)

式中：h3、h4分別為進、出過冷器制冷劑焓值，kJ/kg。

過冷面積：

(6)

式中：K為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃); Δt為對數(shù)平均溫差，℃。

(2)輔助回路過冷系統(tǒng)

排氣溫度：

T4=f(pk,h4)

(7)

制熱量：

Qk=qmqk-bq

(8)

式中：qk-bq為冷凝器熱負荷，kJ/kg。

壓縮機輸入功率：

(9)

制熱COP：

(10)

單位質量過冷量：

Qgl=h7-h8

(11)

式中：h7、h8分別為進、出過冷器的制冷劑焓值，kJ/kg。

過冷面積：

(12)

理論計算結果如圖2所示，工質采用R32。工況選?。豪淠郎囟葹?0 ℃，蒸發(fā)溫度為-15 ℃，補氣系統(tǒng)的中間壓力根據(jù)文獻[3]的推薦取1.6 MPa。

圖2(a)所示為排氣溫度隨過冷體積流量的變化。由圖2(a)可知，單級系統(tǒng)的排氣溫度最高，輔助回路過冷系統(tǒng)排氣溫度最低。主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的排氣溫度差別較大，過冷體積流量越大排氣溫度越低，過冷體積流量增加0.02 m3/h，主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的排氣溫度相應降低8.3 ℃和9.3 ℃。

圖2 排氣溫度、制熱量、制熱COP隨過冷體積流量的變化(理論值)Fig.2 The variation of discharge temperature, heating capacity, heating COP with sub-cooling volume flow(Theoretical value)

圖2(b)所示為制熱量隨過冷體積流量的變化。由圖2(b)可知，單級系統(tǒng)的制熱量最大，輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱量最小。過冷體積流量越大制熱量越低，過冷體積流量增加0.02 m3/h，主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱量相應降低2.9%和5%。

圖2(c)所示為制熱COP隨過冷體積流量的變化。由圖2(c)可知，單級系統(tǒng)和主路過冷系統(tǒng)的制熱COP差別較小，在過冷體積流量為0.005 m3/h時，單級系統(tǒng)、主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP分別為2.41、2.42和3.52。主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP差別顯著。過冷體積流量增加0.02 m3/h時, 主路過冷系統(tǒng)的制熱COP增大0.57%，但輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP降低2.66%。

3 實驗研究

為進一步研究單級過冷和輔助回路過冷系統(tǒng)的效果與區(qū)別，根據(jù)國家標準搭建了實驗臺，如圖3所示。

1渦旋壓縮機；2油分離器；3冷凝器；4視液鏡；5干燥過濾器；6過冷器；7第一節(jié)流閥；7′第二節(jié)流閥；8閃發(fā)器；9蒸發(fā)器；10冷凍水箱；11、15電加熱器； 12冷凍水泵；13冷凍水流量計；14冷卻水箱；16冷卻水泵；17冷卻水流量計。圖3 實驗裝置Fig.3 Experimental testing device

在圖5中，打開閥門V1、V4、V5，關閉閥門V2、V3、V6～V8，系統(tǒng)按單級模式運行；打開閥門V1～V5，同時關閉閥門V6～V8，系統(tǒng)按主路過冷模式運行；打開閥門V1、V4～V8，關閉閥門V2、V3，系統(tǒng)按輔助回路過冷模式運行。需直接測量的參數(shù)有：吸氣溫度及壓力、排氣溫度及壓力、冷凝器進、出口溫度及壓力，冷卻水進、出口溫度、冷卻水流量、過冷溫度及壓力、壓縮機功率。需間接測量的量為：冷卻水進出口溫差Δt、制熱量Q、制熱COP。

單級模式制熱量Q：

Q=cmΔt=cρvΔt

(13)

式中：c為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ為水的密度，kg/m3；v為水體積流量，m3/s；Δt為冷卻水進出口溫差，℃。

制熱COP：

(14)

主路過冷模式：

(15)

式中：qmf為冷凝器制冷劑質量流量，kg/s；m為冷卻水質量流量，kg/s；；tlqs-in為冷凝器進水溫度，℃；tlqs-out為冷凝器出水溫度，℃。

輔助回路過冷模式：

制熱量Q：

Q=qmf(h3-h5)

(16)

制熱COP：

(17)

式中：P為壓縮機輸入功率，kW。

測試工況如下：冷凝溫度tk=40 ℃，吸氣過熱度為5 ℃，蒸發(fā)溫度to= -20～5 ℃。壓縮機的輸入功率由高精度電參數(shù)綜合測量儀表直接測得。

4 結果與討論

圖4所示為排氣溫度、制冷量、制熱COP隨過冷體積流量變化的實驗值。由圖4(a)可知，單級系統(tǒng)的排氣溫度最高，輔助回路過冷系統(tǒng)的排氣溫度最低，隨著過冷體積流量增加，主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的排氣溫度均降低。當過冷體積流量增加0.02 m3/h時，主路過冷系統(tǒng)與輔助回路過冷系統(tǒng)的排氣溫度分別降低6.8 ℃和8.2 ℃。

圖4 排氣溫度、制熱量、制熱COP隨過冷體積流量的變化(實驗值)Fig.4 The variation of discharge temperature, heating capacity, heating COP with sub-cooling volume flow(experimental value)

圖4(b)所示為制熱量隨過冷體積流量的變化。由圖4(b)可知，輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱量最大，主路過冷系統(tǒng)最小。隨著過冷體積流量的增加，二者制熱量均降低。當過冷體積流量增加0.02 m3/h時，主路過冷系統(tǒng)與輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱量分別降低6.4%和10%。

圖4(c)所示為制熱COP隨過冷流量過冷體積流量的變化。由圖4(c)可知，輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP最大，主路過冷系統(tǒng)最小。隨著過冷體積流量的增加，主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP均降低。當過冷體積流量增加0.02 m3/h時，主路過冷系統(tǒng)與輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP分別降低2.5%和5%。

5 結論

本文提出主路過冷和輔助回路過冷兩種利用自然冷源過冷的循環(huán)原理，對其進行理論分析并搭建了一體化實驗臺，針對R32為工質的蒸氣壓縮式熱泵進行了實驗，在冷凝溫度為40 ℃，蒸發(fā)溫度為-20～5 ℃，吸氣過熱度為5 ℃的條件下，得出如下結論：

1)自然冷源過冷可有效降低熱泵系統(tǒng)的排氣溫度，特別是低溫環(huán)境下運行時排氣溫度高的R32系統(tǒng)效果顯著。

2)與單級系統(tǒng)相比，主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)均能獲得較低的排氣溫度，但制熱量也相應降低，輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱性能更好。

3)相同過冷體積流量下，主路過冷系統(tǒng)的排氣溫度高于輔助回路過冷系統(tǒng)。輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP略高于主路過冷系統(tǒng)。

4)主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)排氣溫度、制熱量均隨過冷體積流量的增加而降低。