兩級壓縮空氣源熱泵熱水器實驗研究

1、30 0253-4339(2009 01-0035-04Vol.30,No.111 210096；2 264005 空氣源熱泵熱水器是一種消耗少量電能驅(qū)動熱泵從空氣中吸取熱量加熱熱水的裝置，但普通單級空氣源熱泵熱水器在低溫環(huán)境下運行中存在壓縮比過大、制熱量不足和制熱效率低等問題。采用兩級壓縮制冷循環(huán)用于空氣源熱泵熱水器，則可以解決空氣源熱泵熱水器低溫適應性的問題。設(shè)計出具有單雙級兩種循環(huán)模式的兩級壓縮空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，并搭建了實驗臺進行了實驗研究。實驗表明：低溫環(huán)境下，雙級壓縮循環(huán)壓縮比低于普通單級壓縮循環(huán)壓縮比；系統(tǒng)制熱量始終大于單級壓縮循環(huán)制熱量；系統(tǒng)能效比(COP 在-20環(huán)境溫度下

2、依然能夠保持在1.5左右。 熱工學；空氣源熱泵；兩級壓縮；熱水器：TB651; TB63+2; TU831.4 ：AExperiment on Two-stage Compression Air-sourceHeat Pump Water HeaterWu Wenbin1 Wang Wei2 Jin Sumin1 Tang Xinmin1(1.College of Power Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing, 210096, China; 2.School of Ocean, Yantai University, Y

3、antai, 264005, ChinaAbstract The two-stage compression refrigeration cycle was adopted in air-source heat pumps(ASHP to improve the feasibility of ASHP at low ambient temperature. An air-source heat pump water heater with both modes of single-stage and two-stage compression cycles was designed and a

4、 test rig was built up. The experimental results show that the compression ratio in the two-stage compression cycle mode was smaller than that in the single-stage compression cycle mode while the heating ability of the pump with the two-stage compression cycle mode was higher at low ambient temperat

5、ure. The COP of the two-stage compression system could reach about 1.5 when the ambient temperature was -20.Keywords Pyrology; Air-source heat pump; Two-stage compression; Water heater熱泵是通過消耗一部分高品質(zhì)的能量把熱量從低溫熱源轉(zhuǎn)移到高溫熱源中的一種裝置。空氣源熱泵以空氣為低溫熱源，能從空氣中汲取低品位能，與其他制熱方式相比效率高、使用方便、沒有污染?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)能夠在我國的長江中下游、華南及西南等地區(qū)

6、得到較好的應用。但是低溫條件下，普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運行性能受到很大影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1隨著環(huán)境溫度的降低，普通空氣源熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度降低，在冷凝溫度(或冷凝壓力不變的情況下，壓縮機壓縮比增大，超出了普通單級壓縮系統(tǒng)正常運行的臨界值(根據(jù)資料，容積式壓縮機臨界值一般取810，壓縮效率降低1。2普通空氣源熱泵在低溫環(huán)境下工作時，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度降低，壓縮機吸氣比容增大，輸氣系數(shù)減小，以致制熱量減少，系統(tǒng)制熱性能系數(shù)下降，經(jīng)濟性降低。3當環(huán)境溫度降至零攝氏度以下，蒸發(fā)溫度過低時，壓縮機壓縮比增大引起排氣溫度過高，超過壓縮機允許的工作范圍，致使壓縮機頻繁起停，系統(tǒng)無法正常工作，嚴重時會導致

7、壓縮機燒毀。鑒于以上幾個問題，許多研究人員也對此進行了諸多研究，以解決空氣源熱泵在低溫工況下的適應性問題，主要有以下幾個方向29：加輔助熱源來提高低溫端的各項性能；通過兩級壓縮、準二級壓縮、或復疊循環(huán)來降低壓縮機壓縮比；用電加熱氣液分離器及其到壓縮機間的吸氣管路來提高蒸發(fā)溫度；使用新制冷劑(比如非共沸制冷劑等來改善熱泵系統(tǒng)低溫環(huán)境下的制熱性能。通常情況下兩級壓縮系統(tǒng)，可以解決低溫工況下壓縮機壓縮比過收稿日期：2008年6月25 日3530 Vol.30,No.1大的問題，同時兩級系統(tǒng)的中間冷卻器循環(huán)可以提高高壓級的工質(zhì)質(zhì)量流量，從而提高系統(tǒng)制熱量。1 Tab. The main equipme

8、nt and instrument of test system1 研究兩級壓縮空氣源熱泵熱水器的初衷，是要突破普通熱泵熱水器在低溫環(huán)境下的應用限制，擴大熱泵熱水器的應用空間，以提高各地方制熱過程的節(jié)能環(huán)保性能。所以，在進行試驗設(shè)計的時候，在分析綜合系統(tǒng)性能的同時，尤其要重點考察兩級壓縮空氣源熱泵熱水器在低溫工況下的可行性，及其與普通單級壓縮熱泵循環(huán)性能的對比。參照兩級節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)方式原理，并根據(jù)試驗室條件和試驗內(nèi)容的實際情況，構(gòu)建出了兩級壓縮空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)試驗臺，流程如圖1所示：2 應用此熱泵熱水器試驗臺，進行一系列不同工況下的單雙級循環(huán)系統(tǒng)運行特性的對比試驗研究，分析探討了

9、雙級壓縮空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)運行性能，并重點考察其低溫工況下的運行性能。2.1 如圖2所示，50冷凝溫度下，蒸發(fā)溫度由-8降至-24，雙級壓縮循環(huán)系統(tǒng)的高低壓兩級壓縮機壓縮比均在4以下，而在該工況范圍內(nèi)，普通單級壓縮循環(huán)系統(tǒng)的壓縮比最小值也高于6，而最大值已接近12。由此可見，兩級壓縮循環(huán)系統(tǒng)很好地解決了低溫工況下熱泵熱水器制熱時系統(tǒng)壓縮比過高的問題。1 Fig. Flow chart of the two-stage heat pump waterheater test device兩級壓縮熱泵熱水器系統(tǒng)主要由高低壓級壓縮機、室外蒸發(fā)器、室內(nèi)冷凝器、中間冷卻器、節(jié)流裝置和多個電磁閥等部件構(gòu)成

10、。根據(jù)環(huán)境溫度的變化，閥門動作，實現(xiàn)系統(tǒng)可調(diào)換的兩種工作模式：1環(huán)境溫度比較低，需要大溫差提升熱量時的工作模式：電磁閥c 、d 、e 、f 開啟，a 、b 、h 關(guān)閉，設(shè)備為兩級壓縮中間冷卻循環(huán)系統(tǒng)向水箱提供熱量，使得水箱與環(huán)境溫差可以達到5080，高低壓級壓縮機同時工作。2環(huán)境溫度比較高，不需要大溫差提升熱量時的工作模式：電磁閥a 、b 、c 開啟，d 、e 、f 、h 關(guān)閉，設(shè)備為普通單級壓縮循環(huán)系統(tǒng)向水箱提供熱量，可以將水溫水箱提至環(huán)境溫差3050，其中兩臺壓縮機只有一臺工作即可。試驗臺所使用的主要儀器設(shè)備見表1。2 50Fig.2 Comparison of compression r

11、atio2.2 試驗系統(tǒng)制冷劑選用的是高溫制冷劑R134a ，由圖3中曲線可以看出，高壓端排氣溫度隨冷凝溫度的升高而升高，隨蒸發(fā)溫度的降低而升高，而且隨著蒸發(fā)溫度的降低排氣溫度升高的速度加快。試驗臺系統(tǒng)在蒸發(fā)溫度-24、冷凝溫度52.5的圖示最惡劣工況下工作時，即為蒸發(fā)溫度-24下冷凝器出水50時的狀態(tài)點，排氣溫度約為82，相對比較低，尚未達到普通壓縮機的排氣溫度極30 Vol.30,No.1限值150，所以系統(tǒng)還可以將水溫繼續(xù)往上提至60 。5 Fig.5 Comparison of heat capacity between two-stage andsingle -stage cycle

12、3 Fig.3 Discharge temperature of compressor2.4 圖6所示為系統(tǒng)在雙級壓縮運行模式下COP 在一定冷凝溫度下隨著蒸發(fā)溫度的變化情況。由圖示可以看出，在一定冷凝溫度下，系統(tǒng)COP 變化趨勢是隨著蒸發(fā)溫度的降低而降低的，并且隨著冷凝溫度的降低而衰減速度變大。在冷凝溫度30下，蒸發(fā)溫度由-8降至-24過程中，COP 減小了約42%，蒸發(fā)溫度平均每降低1而COP 衰減2.6%；在冷凝溫度50下，蒸發(fā)溫度由-8降至-24過程中，COP 減小了約35%，蒸發(fā)溫度平均每降低1而COP 衰減2.1% 。2.3 由于受壓縮機吸氣比容和系統(tǒng)單位制熱量的影響，由圖4可以直

13、觀地看出，系統(tǒng)制熱量隨蒸發(fā) 溫度的降低而降低，而隨冷凝溫度的變化不大。4 Fig.4 Heating power variation with evaporation temperature而圖5為系統(tǒng)單雙級循環(huán)模式在冷凝溫度50工況下系統(tǒng)制熱量隨環(huán)境溫度變化情況。如圖示，在單雙級不同運行模式下系統(tǒng)制熱量均隨環(huán)境溫度的降低而逐漸降低，這主要是由于隨著環(huán)境溫度的降低，熱泵系統(tǒng)能從低溫熱源泵得的熱量自然會越來越少；兩種循環(huán)制熱量的不同之處在于：同工況條件下，兩壓縮機串聯(lián)壓縮，效率高，兩級壓縮循環(huán)系統(tǒng)從空氣中吸取的熱量大于單級壓縮循環(huán)系統(tǒng)，同時，兩臺壓縮機用以做功加熱熱水所消耗的能量也大于單級壓縮循

14、環(huán)，所以兩級壓縮循環(huán)系統(tǒng) 的系統(tǒng)制熱量始終高于單級系統(tǒng)。6 COP Fig.6 COP of the system variation with evaporationtemperature如圖7所示的COP 變化曲線，雙級壓縮循環(huán)系統(tǒng)的COP 衰減速度遠小于單級壓縮循環(huán)系統(tǒng)的，當環(huán)境溫度越低時此趨勢越明顯。當環(huán)境溫度降至5時，熱泵熱水器雙級壓縮循環(huán)模式下的系統(tǒng)COP 即開始大于單級壓縮循環(huán)模式，環(huán)境溫度在3730 Vol.30,No.10時，雙級壓縮循環(huán)模式下的COP 比單級壓縮循環(huán)模式增大了約30%，環(huán)境溫度降至-5時，由于單級壓縮循環(huán)模式壓縮比過大等因素的影響導致系統(tǒng)COP 都已經(jīng)低于1

15、了，而此時兩級壓縮循環(huán)模式的系統(tǒng)COP 依然在1.6以上。1 吳業(yè)正, 朱瑞琪, 李新中, 等. 制冷與低溫技術(shù)原理M.北京: 高等教育出版社,2004,115-116.2 王林, 陳光明, 陳斌. 一種用于低溫環(huán)境下新型空氣源熱泵循環(huán)研究J. 制冷學報, 2005, (2 : 34-38. (Wang Lin, Chen Guangming, Chen Bi. Cycle Analysis of Heating and Refrigeration in New Air-source Heat PumpJ. Journal of Refrigeration, 2005, (2 :35-38.

16、3 王偉, 金蘇敏, 陳建中用于低溫環(huán)境下的雙級壓縮風冷熱泵熱水器J流體機械. 2005，33(9 :62-66. (Wang Wei, JIin Sumin, Chen Jianzhong. Two-stage Compression Air Source Heat Pump Water Heater Used in Low Temperature EnvironmentJ. Fluid Machinery, 2005，33(9 :62-66. 4 田長青, 石文星, 王森太. 用于寒冷地區(qū)雙級壓縮變頻空氣源熱泵的研究J .太陽能學報, 2004，25(3 :288-393. (Tian C

17、hangqing, Shi Wenxing, Wang Sen. Research On Two -Stage Compression VariableFrequency Air Source Heat Pump In Cold RegionsJ. Acta Energiae Solaris Sinica, 2004，25(3 :288-393. 柴沁虎, 馬國遠. 空氣源熱泵低溫適應性研究的現(xiàn)狀及進展J. 能源工程,2002, (5 :25-31. (CHAI Qinhu, MA Guoyuan. State of knowledge and current challenges in th

18、e ASHP developed for the cold areasJ. Energy Engineering, 2002,(5 :25-31. 王偉, 金蘇敏, 陳建中. 空氣源熱泵熱水器雙級壓縮循環(huán)研究J. 暖通空調(diào), 2006,36(9 :58-61. (Wang Wei, Jin Sumin, Chen Jianzhong. Two stage compression cycle for water heaters in air source heat pumpsJ. HV&AC, 2006, 36(9 :58-61. Horiuhi N. Development of package air conditioner for cold regionsJ. Refrigeration, 1997, 72(7 : 837-842Sami S M, Tulej P J. A New Design For An Air Source Heat Pump Using A Ternary Mixture For Cold Climates J. Heat Rec