充注量对空气源热泵热水器性能的影响

(上海理工大学能源与动力学院 上海 200093)

制冷剂作为热泵系统的热载体，不断将热量由低温热源向高温热源转移。制冷剂充注量的变化直接影响热泵装置的工作性能，研究最佳充注量可为优化系统设计、提高系统制热性能提供方法，国内外学者对此进行了大量研究。N. Vjacheslav等[1]由模型估算了系统最佳充注量。J. H. Chae等[2]对复叠热泵在不同充注量下的压缩机功耗、蒸发压力、冷凝压力等进行了实验分析。J. M. Choi等[3]结合系统节流方法对充注量进行了研究。张良俊等[4]由实验得出系统各个运行参数对充注量变化的敏感程度。王志华等[5]通过改变膨胀阀开度研究了不同充注量下的系统性能。杨强等[6]由实验结论提出了判断带有高压储液器的热泵系统充注量是否适量的依据。

针对热泵热水器最佳充注量的研究，目前多使用冰箱、热泵空调等稳态换热装置中的实验结论作为判定依据。认为超过最佳充注量后，冷凝器末端液态制冷剂段延长，冷凝器换热性能变差，制热性能下降，而下降起始点的充注量即为最佳值[7-10]。但对于储热式热泵热水器而言，因其循环加热的模式，高温侧不断升高，制冷剂流量和压缩机吸气口过热度时刻变化，运行中极易发生吸气带液现象，降低制热性能[11-12]，从而干扰最佳充注量的判定，这在对比制热性能时应加以区分。

张超等[13]研究发现充注量过大时蒸发温度和冷凝温度上升，蒸发器未能将冷量完全释放出来，制冷剂以气液两相态离开蒸发器，造成冷量损失，电功率增大，系统工作性能恶化，在某些情况下不能正常工作。研究充注量对制热性能的影响时，还要考虑系统在不同充注量下的工作适应性与自我调节能力。对于使用电子膨胀阀这类可调节阀开度的热泵热水器，虽然较宽的阀开度调节范围满足了电子膨胀阀通过不同调节方式来提升制热性能的要求，并增强了系统的工作适应性，但充注量的变化也改变了电子膨胀阀的调节范围，这一变化对制热性能的影响不可忽视。目前国内外在此方面的研究尚少，可做进一步的研究。

本文以电子膨胀阀调节的空气源热泵热水器为平台，以制冷剂充注量、电子膨胀阀开度和过热度等参数为变量，对制热性能等进行比较分析，以期在系统优化方面得出一些具有参考性的结论。

1 热泵热水器实验装置

空气源热泵热水器的性能测试实验在上海理工大学高精度焓差实验室内完成，可控温度-10～45 ℃。实验中通过一台Delta数据采集仪和电脑对各参数进行连续、频繁的采样测量，以确定热泵热水器的制热量及功耗等参数的变化。

实验环境工况设定为22 ℃/16 ℃，实验装置采用R134a为工质的一体式循环加热空气源热泵热水器，水箱容量为100 L。压缩机选用WHP02830-C4AT型热泵专用滚动转子式压缩机，额定转速为2 860 r/min(50 Hz)，功率为685 W，理论排气量为18 mL/r。压缩机吸气和排气口接入丹佛斯KP型压力控制器，保护压缩机工作在正常压力范围内。吸气口自带一个壶型储液器(Φ70 mm×220 mm)，用于保护压缩机，防止吸入过多的液态制冷剂而造成压缩机“液击”损伤。蒸发器采用风冷式翅片管换热器，2支路，4排管布置，冷凝器选用逆流套管式换热器，铜管外径为16 mm，管长为1 790 mm。节流采用步进电机控制器驱动的直动式电子膨胀阀。

为了直观地评价制热性能，实验测量了主要部件的温度和压力，各测点具体布置位置如图1所示。采用压力变送器测量压力，内置式铂电阻测量温度。智能数显功率表测量压缩机、循环水泵和风机的总功耗。所有数据均通过Delta数据采集仪传输到电脑中，对运行数据实时调用监控。

充注量由高精度实验室电子天平测量，量程0～30 kg，精度0.1 g。为避免冷凝压力过高导致停机保护，实验测试之前对充注量及电子膨胀阀开度进行多次调试，以保证实验的顺利进行。

图1 实验装置原理Fig.1 Principle of the experimental installation

2 计算公式

实验可测得压缩机吸气温度Tsuc(℃)、排气温度Td(℃)、阀前温度Tv(℃)、制冷剂质量流量qm(g/s)、蒸发压力pe(kPa)、系统功耗Wt(W)等数据。并由Refprop9.0软件得到蒸发温度Te(℃)、排气焓值hd(kJ/kg)和阀前焓值hv(kJ/kg)，通过公式计算可得以下参数：

压缩机吸气过热度Tsh：

Tsh=Tsuc-Te

(1)

系统制热量Qh：

Qh=qm(hd-hv)

(2)

逐时制热性能(以下简称COP)：

COP=Qh/Wt

(3)

整体制热性能(平均COP，以下简称COPa)：

(4)

式中：Tw,set为初始水温，25 ℃；Tw,end为终止水温，55 ℃；τ1、τ2分别为初始水温和终止水温下对应的时间，s。

3 实验结果与分析

3.1 充注量对COPa的影响

实验对比了电子膨胀阀开度16%和定过热度10 ℃时，不同充注量下的COPa。为排除吸气带液的干扰，所有实验均在压缩机吸气过热的状态下进行。

图2所示为不同充注量下的COPa。由图2可知，阀开度16%时，COPa因充注量增加而先增大后减小。依据COPa最大原则，制冷剂最佳充注量为1.1 kg，对应的最大COPa为3.05。

充注量偏少时，制冷剂流量小而吸气过热度大，蒸发器中过热区长，换热面积未得到充分利用，系统加热时间长，COPa小。随着充注量的增加，制冷剂载热能力提升，制热性能逐渐改善。然而，当充注量增至过多时，高压储液器内已存储了大量液态制冷剂，甚至漫过储液器积存在冷凝盘管中。此时高压储液器对冷凝器出口工质状态的制约作用消失，其作用仅相当于一定容积的高压管道[6]。冷凝器的相变传热面积和传热强度减小，制热量减小，导致COPa下降。

图2 制冷剂充注量与COPa的变化关系Fig.2 Relationship between refrigerant charge and COPa

从图2还可看出，定过热度10 ℃时的COPa同样先增大后减小，在充注量为1.1 kg时达到最大值3.68。定过热度时的COPa始终高于定阀开度时的COPa，原因是在实验过程中，定阀开度运行时系统过热度大部分时间均大于10 ℃。对于相同的制冷剂充注量，过热度越大说明蒸发器中的换热面积利用的越不充分，换热效果越差，因此定阀开度时的COPa相应较小。

3.2 充注量对电子膨胀阀调节范围的影响

定阀开度下运行热泵热水器时，阀开度设置过小，充注的制冷剂未能充分利用而使COPa偏低；阀开度设置过大，压缩机在加热中吸气带液，COPa也会下降[14]。对于不同的充注量，电子膨胀阀有其相应的调节范围，阀开度超过调节范围时将不利于系统高效运行。调节范围的大小体现了系统适应能力的强弱[15-16]，而充注量改变了调节范围的大小，因此充注量的变化同时影响着系统的适应性。

图3所示为不同充注量下，阀开度对COPa的影响。阀开度18%的COPa均高于阀开度16%的COPa，两个阀开度下的最佳充注量均为1.1 kg，此时阀开度未对最佳充注量产生影响。COPa的增长率为阀开度由16%增大到18%时COPa的提升幅度，先上升后下降，充注量为1.2 kg时存在最大值。

图3 阀开度对COPa的影响Fig.3 The effect of valve opening on COPa

由图3可知，充注量小于1.1 kg时，阀开度16%和18%时的压缩机均在吸气过热下运行，增大相同的阀开度，充注量越大制冷剂流量越大，因此COPa的增长率上升。充注量大于1.2 kg时，阀开度18%的系统出现吸气带液现象，部分加热时间的COP下降，导致COPa的增长率下降。因此充注量大于1.2 kg后，阀开度18%已逐渐超出电子膨胀阀的最佳调节范围，过大的充注量不仅浪费了制冷剂，使COPa得不到提升，还缩小了电子膨胀阀的调节范围，降低了系统的适应性。

3.3 电子膨胀阀调节方式对制热性能的影响

由图2可知，与定阀开度相比，定过热度下COPa较高。为了更好地对比电子膨胀阀调节方式对制热性能的影响，本文在最佳充注量下对系统进行了两组测试实验。实验1为阀开度调节，实验前阀开度分别手动设置为16%、18%和19.2%；实验2为过热度调节，实验中过热度分别稳定在10、6、4 ℃，运行中过热度由步进电机驱动器调节电子膨胀阀开度来调节控制。

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图4所示为qm与水箱温度的变化关系。阀开度调节时，qm随水温的升高不断增大，阀开度越大qm越大。过热度调节时，过热度低的qm大，但变化趋势较为平缓。这是因为冷凝温度和压比的升高虽使qm增大，但在不断减小阀开度来稳定过热度时又减缓了qm的增长速率。

图4 制冷剂质量流量的变化Fig.4 Variation of refrigerant mass flow

系统制热量与qm有关。由图5可知，二者变化趋势基本一致。阀开度19.2%时系统少量吸气带液，此时qm并未下降但制热量却已出现下降拐点。这是由于吸气带液降低了排气温度，减小了冷凝器进出口焓差，所以制热量在吸气带液后出现下降趋势。

对比两种调节方式可知，阀开度调节类似于毛细管节流，开度固定不变，系统运行区间受限，适应性差。过热度调节发挥了电子膨胀阀对制冷剂流量精准控制的优势，使系统在qm大且吸气过热的条件下运行，因此其制热量普遍高于阀开度调节的制热量。

图5 制热量的变化Fig.5 Variation of heating capacity

系统功耗主要受吸排气压比和qm的影响。吸排气压比与冷凝温度同步升高，qm随压比的升高而增大。由图6可知，增大阀开度和降低过热度，功耗增加，但其变化对功耗的影响较小。相同水温下，功耗皆在10%以内变化，增长幅度明显低于制热量。表明适当增大阀开度或减小过热度皆可提升制热性能。

图6 功耗的变化Fig.6 Variation of power consumption

图7所示为两种调节方式对COP的影响。图中COP曲线均呈下降趋势，曲线间差值不断减小，变化区间整体呈三角形。在开始加热时过热度调节对COP的提升较大，随着加热的进行，提升幅度逐渐减小，与阀开度调节相比，过热度调节对COP的提升主要集中在加热初期阶段。结合图5和图6可知，两种调节方式下系统功耗的变化较小，COP的差别主要由制热量的变化引起。加热初期(25～40 ℃)，阀开度调节的过热度远大于10 ℃，相应的制冷剂流量小、制热量低，所以COP与过热度调节的差距较大。随着水温的升高，阀开度调节的制热量升高而过热度调节的制热量基本不变，二者差距不断减小，因此在加热后期过热度调节对COP的提升幅度明显降低。

图7 COP的变化Fig.7 Variation of COP

对于阀开度调节，对比16%与18%发现，加热过程中压缩机吸气过热时，阀开度大的COP始终较大。对于18%和19.2%而言，COP曲线在加热过程中有交叉，原因是由于压缩机吸气带液降低了系统制热量。阀开度19.2%的吸气带液时间较短，与阀开度18%相比，COP大部分时间较大，所以二者曲线虽交叉但增大阀开度COPa仍增大。然而，若阀开度一直增大，COP曲线与上一阀开度的交叉点会不断提前，终会出现COPa因阀开度增大而减小的情况[12]。此时较低的COPa与小阀开度下qm不足明显不同，这是由阀开度较大造成压缩机大量吸气带液所引起。

总结电子膨胀阀的两种调节方式可知，运行中只要有较大的qm和较小的过热度，系统即可获得较高的COPa。图8所示为运行方法对COPa的影响，由图8可知，与增大阀开度相比，降低过热度对COP的提升并不明显。原因是阀开度的变化对qm的影响大，而qm的变化对过热度的影响大，因此过热度调节时，其变化梯度远小于阀开度调节的变化梯度。

过热度调节的结果表明，热泵在10 ℃以内的低过热度下运行时，过热度的变化对性能的影响较小，原因是阀开度的区别较小，系统对过热度稳定值的控制要求不高。说明系统只要保证在10 ℃以内的过热度下运行，即可达到与精准控制定过热度相近的制热性能，可大幅降低电子膨胀阀的调节要求。

图8 运行方法对COPa的影响Fig.8 The effect of operating methods on COPa

4 结论

本文以空气源热泵热水器为平台，以制冷剂充注量、电子膨胀阀开度和过热度等参数为变量，对热泵热水器性能进行实验研究与分析，得出如下结论：

1)压缩机吸气过热时，电子膨胀阀开度16%和定过热度10 ℃工况下的系统最佳充注量均为1.1 kg，相应的最大COPa分别为3.05和3.68。

2)充注量过大，不仅浪费了制冷剂，使制热性能得不到提升，还缩小了电子膨胀阀的调节范围，降低了系统的适应性。

3) 对比电子膨胀阀两种调节方式在最佳充注量下的制热性能，发现较大的制冷剂质量流量和较小的过热度是提升制热性能的关键。与阀开度调节相比，过热度调节更具优势。且系统对于10 ℃以内的定过热度控制要求不高，今后可进行进一步实验研究，以获得更简便的调节方式。

本文受上海市动力工程多相流动与传热重点实验室项目(1N-15-301-101)资助。(The project was supported by the Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Shanghai Power Engineering (No. 1N-15-301-101).)

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