低温环境下运行参数对两级压缩空气源热泵性能的影响

陈孚江，张 云，姜钦青，黄丹丹，吴沁雨

(1.常州大学，江苏常州 213016；2.江西省建筑科学研究院，江西南昌 330077)

制冷空调

低温环境下运行参数对两级压缩空气源热泵性能的影响

陈孚江1，张 云1，姜钦青2，黄丹丹2，吴沁雨2

(1.常州大学，江苏常州 213016；2.江西省建筑科学研究院，江西南昌 330077)

基于R134a压焓图和Cleland计算模型，分析了低温环境下运行参数对两级压缩一次节流中间不完全冷却空气源热泵系统性能的影响。结果表明：冷凝温度和蒸发温度是影响系统COP的主要因素，且蒸发温度影响更大；冷凝器出口处过冷度对系统COP和低压级制冷剂流量的影响较小，高压级制冷剂流量随过冷度的增加而减少，且减少幅度随蒸发温度和冷凝温度的升高而逐渐增大；系统蒸发器出口处过热度几乎不影响COP；高压级压缩机的排气温度随蒸发器出口处的过热度增加而增大；而高、低压级制冷剂流量随蒸发器出口处过热度的增加而降低，且降低幅度随蒸发温度的降低逐渐降低，但基本不受冷凝温度的影响。

空气源热泵；两级压缩；过热度；过冷度；COP

1 前言

空气源热泵是一种高效节能装置，通过消耗少量高品质能量来满足冬季生活热水供应或供暖要求。在我国寒冷地区，室外温度可达-40 ℃，普通单级空气源热泵运行时会出现压缩机压力比增大、制热性能下降、压缩机排气温度过高容易炭化润滑油，缩短压缩机寿命，甚至造成系统不能正常运行等现象[1-3]。

为此，采用两级压缩空气源热泵循环系统来提高空气源热泵在低温环境下运行性能的研究越来越多。王伟等提出了一种用于低温环境下的双级压缩风冷热泵热水器，在冷凝温度为60 ℃，环境温度为-30 ℃时，系统性能系数COP能达到2.0[4]。武文彬等对两级压缩空气源热泵热水器进行了实验研究，得出低温环境下，双级压缩循环压缩比低于普通单级压缩循环压缩比;系统制热量始终大于单级压缩循环制热量[5]。田长青等将变频技术和两级压缩技术相结合，提高热泵系统的性能和制热量[6]。刘雄等提出了一种CO2双级压缩制冷热泵循环，理论分析了不同制冷剂质量流量系数、不同环境温度、热水温度以及高压压缩机排气压力下，新循环的性能，考察了特征温度和最佳排气压力的影响因素[7]。Xu Shuxue等研究了双缸滚动活塞式双级压缩热泵系统，采用喷气增焓技术，大大提高了系统的整体性能[8]。刘思煦等针对两次节流中间不完全冷却两级压缩空气源热泵系统，提出了当COP和单位制热量同等重要时，COP少量降低，系统的单位制热量增加，减少能耗和环境污染的同时，满足冬季室内热舒适性[9]。

两级压缩一次节流中间不完全冷却空气源热泵系统具有供液压差大，节流阀尺寸小，液体经中间冷却器冷却后过冷度增大，制冷剂流入蒸发器不易产生闪蒸等特性[9]。本文通过理论计算分析，讨论过冷度、过热度、蒸发温度以及冷凝温度等运行参数在不同组合下对两级压缩一次节流中间不完全冷却空气源热泵系统性能的影响。

2 两级压缩一次节流中间不完全冷却热泵系统性能理论计算

两级压缩一次节流中间不完全冷却空气源热泵系统的原理如图1所示[11]，系统理论P-h图如图2所示，其中1→2和3→4分别是制冷剂在低压级和高压级压缩机内的压缩过程， 4→6是制冷剂在冷凝器处放热过程，状态点3是高压级压缩机的吸气状态点，7→1是制冷剂在蒸发器蒸发吸热过程，5→8和6→7分别是制冷剂在热泵系统中的节流过程。制冷剂在蒸发压力下被低压级压缩机压缩到中间压力，与中间冷却器的饱和蒸汽混合，进入高压级压缩机被进一步压缩到冷凝压力，然后通过冷凝器、中间冷却器，节流阀降温降压，再次进入蒸发器内蒸发后进入下一个循环。

图1 两级压缩一次节流中间不完全冷却系统原理

图2 两级压缩一次节流中间不完全冷却系统P-h图

Cleland模型为一种利用曲线进行拟合的快速计算程序，能较好地求取多种制冷剂热力性质[12]。张春路等将Cleland模型用于碳氢化合物R600a和R290的热力性质的计算[13，14]。本文计算过程中制冷工质为R134a，热力性质采用Cleland模型计算，0 ℃时制冷剂焓值取200kJ/kg。

压缩机等熵压缩过程的焓变为：

(1)

×(Tk-Tm)][(1+1.1757×10-3(T3-Tm)

-1.814×10-5(T3-Tm)2+4.121×10-5Tm

×(T3-Tm)-8.093×10-7Tm(T3-Tm)2]

×(1.01357+1.06736×10-3Ti-9.2532

式中 Δh——焓变，kJ/kgc——常数，c≠1pj——压缩机理论排气压力，Papi——压缩机理论吸气压力，Pavi——压缩机的吸气蒸汽比容，m3/kg，饱和状态时，vi=vv,过热状态时vi=vs

Tk——冷凝温度，℃

Tm——中间温度，℃

T3——高压级压缩机吸气法度，℃

Ti——对应压力下的饱和温度，℃

ΔTs——过热度，℃。

理论中间压力pm为:

pm=(pkpo)1/2

(2)

式中pm——理论中间压力，Papk——冷凝压力，Papo——蒸发压力，Pa

2.1 高压级压缩机理论排气温度

高压级压缩机理论排气温度T4为:

(3)

式中 T4——高压级压缩机排气温度，℃ Pk——冷凝压力，PaPm——中间压力，Pa

2.2 高、低压级制冷剂的流量

高压级制冷剂的流量为:

(4)

其中

×10-3(T4-Tk)+ 1.6886×10-6(T4-Tk)2

+ 9.2642×10-6(T4-Tk)Tk-7.698×10-8

h6=20000+1335.29(Tk-ΔT)

×10-3(Tk-ΔT)3

式中QH——热泵机组设计的热量，kW，设为8kW

ΔT——冷凝器出口处过冷度，℃

hi——工质的比焓，kJ/kg，其下标i表示循环中各部件进、出的状态点

由中间冷却器热平衡式为:

(qH-qL)h5+qL(h5-h6)=(qH-qL)h9

(5)

低压级制冷剂的流量为:

(6)

其中

2.3 热泵系统的制热系数COP

理论热泵循环的制热系数为:

(7)

实际热泵循环的制热系数为:

(8)

式中ηH——高压压缩机的绝热效率ηL——低压压缩机的绝热效率，一般取0.65～0.85，本文取0.8

3 低温环境下空气源热泵系统性能分析

利用压焓图，根据中间压力值查出中间温度，讨论冷凝温度(35 ℃ ～ 55 ℃，以5 ℃为变化单位)、蒸发温度(-10 ℃ ～ -50 ℃，以10 ℃为变化单位)、节流前工质过冷度和蒸发器出口过热度(0 ℃～10 ℃，以2 ℃为变化单位)等运行参数对系统性能的影响。分析过程中，假定中间冷却器的温差为5 ℃，过热度为0 ℃。编制Matlab程序计算，分析了运行参数对系统性能的影响，并用Origin软件对计算结果进行了分析处理。

3.1 不同组合的运行参数对系统高压级压缩机排气温度的影响

图3为过热度对高压级压缩机排气温度的影响。在同一冷凝温度下，高压级压缩机的排气温度随蒸发器出口处的过热度增加而增大，伴随蒸发温度的降低而升高，且升高的幅度逐渐增大。例如：当冷凝温度为35 ℃(50 ℃)，蒸发温度分别由-30 ℃降低到-40 ℃和-40 ℃降低到-50 ℃时，系统排气温度升高了5.5 ℃和6.5(4.6 ℃和5.4 ℃)；当冷凝温度为35 ℃(50 ℃)，蒸发器出口过热度每增加2 ℃，系统中高压级排气温度增加1.7 ℃(1.4 ℃)左右。

图3 过热度和蒸发温度对高压级压缩机排气温度的影响

3.2 不同组合的运行参数对系统制冷剂流量的影响

3.2.1 同一蒸发温度下运行参数对系统制冷剂流量的影响

图4为同一蒸发温度下过冷度和冷凝温度对制冷剂流量的影响。

图4 过冷度和冷凝温度对制冷剂流量的影响

热泵系统中低压级制冷剂流量，随冷凝温度的升高而降低，随冷凝器出口过冷度的增加而增加，但增加幅度较小；高压级制冷剂流量随冷凝温度的升高而升高，随冷凝器出口过冷度的提高而下降，其随冷凝温度的增加下降幅度逐渐增大。例如：当蒸发温度为-40 ℃，过冷度和过热度为0 ℃，冷凝温度由35 ℃上升到55 ℃时，低压级制冷剂流量降低了7%，高压级制冷剂流量提高了10.6%；当过冷度由0 ℃增加10 ℃，冷凝温度为35 ℃变为55 ℃时，高压级制冷量降低幅度由7.5%变为8.9%，低压级制冷剂流量升高幅度有1.6%变为2.9%。图5为同一蒸发温度下过热度和冷凝温度对制冷剂流量的影响。高、低压级制冷剂的流量都随蒸发器出口过热度的增加而降低，降低幅度很小，伴随冷凝温度的增加降低幅度基本不变。

图5 过热度和冷凝温度对制冷剂流量的影响

3.2.2 同一冷凝温度下运行参数对系统制冷剂流量的影响

图6为同一冷凝温度下过冷度和蒸发温度对制冷剂流量的影响。

图6 过冷度和蒸发温度对制冷剂流量的影响

热泵系统中高、低压级制冷济流量随着蒸发温度的升高逐渐增大，且低压级制冷剂流量的增加幅度较大，伴随过冷度的增加而增加，但增加幅度较小；高压级制冷剂流量随过冷度的增加而降低，随着蒸发温度的升高降低幅度增大。图7为同一冷凝温度下过热度和蒸发温度对制冷剂流量的影响。

图7 过热度和蒸发温度对制冷剂流量的影响

从图7可见，高、低压级制冷剂流量都随蒸发器出口过热度的增加而逐渐减少，且降低幅度随蒸发温度的升高而逐渐增加；但高压级制冷剂流量升高的幅度降低。

3.3 不同组合的运行参数对系统COP的影响

图8为过冷度和蒸发温度对系统COP的影响。当冷凝温度一定时，热泵系统的COP随蒸发温度的下降而逐渐降低，且下降的幅度由大变小；随着冷凝温度的降低，热泵系统的COP受蒸发温度变化的影响也越来越显著；当提高冷凝器出口处的过冷度，热泵系统的COP有所增加，但增加幅度很小。例如：当蒸发温度为-10 ℃(-50 ℃)，蒸发器出口过热度为0 ℃时，冷凝温度由35 ℃升高到55 ℃时，系统COP降低了1.48(0.44)。当冷凝温度为35 ℃(55 ℃)，蒸发温度由-10 ℃降低到-20 ℃时，系统COP降低了0.98 (0.53)；蒸发温度由-40 ℃降低到-50 ℃时，系统COP降低了0.37 (0.24)。 当蒸发温度为-10 ℃(-50 ℃)，伴随过冷度由0 ℃增加到10 ℃时，系统COP提高了0.15(0.1)。

图8 过冷度和蒸发温度对系统COP的影响

图9为过热度和蒸发温度对系统COP的影响。热泵系统COP不受蒸发器出口处的过热度变化的影响。

图9 过热度和蒸发温度对系统COP的影响

4 结论

(1)两级压缩一次节流中间不完全冷却空气源热泵系统的COP受蒸发温度影响最大，受冷凝器出口过冷度影响较小，但不受蒸发器出口处过热度的影响。

(2)在实际设计两级压缩一次节流中间不完全冷却空气源热泵系统时，限于供暖和供热水情况下应尽可能降低冷凝温度，提高制热效率，在避免压缩机出现液击现象的情况下，应降低吸气过热度，降低高压级排气温度，防止压缩机体内温度过高而导致润滑油炭化，缩短压缩机的使用寿命。

(3)在冷凝温度和和蒸发温度较高的情况下，可适当增加冷凝器出口过冷度，以减少高压级制冷剂流量，可以降低高压级压缩机的耗功，增加热泵系统的单位制热量，以及提高系统的COP。

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Influence of Operating Parameters on Performance of Two-stage Compression Air Source Heat Pump System at Low Temperature

CHEN Fu-jiang1，ZHANG Yun1，JIANG Qin-qing2，HUANG Dan-dan2，WU Qin-yu2

(1.Changzhou University，Changzhou 213016，China；2.Jiangxi Research Institute of Building Sciences,Nanchang 330077，China)

Based on the pressure enthalpy diagram of R134a and the Cleland calculation model, the effect of operating parameters on the performance of two-stage-primary-throttle-incomplete-cooling-air source heat pump system in low temperature environment is analyzed.The results show that both condensing temperature and evaporating temperature are the main factors influencing the system COP,among them,the evaporation temperature has great impact.Also,the sub-cooling degree at the condenser outlet slightly impacts both theCOPand the refrigerant flow rate at low pressure level,and the refrigerant flow rate at high pressure level decreases with the growth of the sub-cooling degree,and the decay rate increases gradually with the increasing evaporation and condensation temperatures.Furthermore,theCOPseldom varies with the super-heat degree at the outlet of evaporator,and the condenser exhaust temperature at high pressure level increases with the rising super-heat degree at the outlet of evaporator.Furthermore,the refrigerant flow rate at low and high pressure level both reduces with the increasing super-heat degree at the outlet of evaporator,meanwhile,the gradient decreases with the reducing evaporation temperature,yet they are not influenced by the condensation temperature.

air-source heat pump;two-stage compression;super-heat degree;sub-cooling degree;COP

1005-0329(2017)03-0056-05

2016-07-22

2016-09-08

国家自然科学基金资助项目(51308077)；江苏省高校自然科学基金资助项目(13KJB560001)

TH45；TB651;TB61

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.012