运行频率对复合热源热泵热水器性能的影响

2018-08-06赵伟强

建筑热能通风空调 2018年1期

赵伟强

东南大学能源与环境学院

0 引言

直膨式太阳能热泵热水器将太阳能集热器与热泵蒸发器合二为一，结构简单，集热效率高，更具有小型化和实用化发展潜力[1]，因而深受国内外研究学者的关注，他们主要从集热/蒸发器的结构优化[2-5]、环境参数对系统性能的影响[5-8]、制冷剂的选择[9-12]等方面对其进行了大量的理论研究和实验研究并取得了一定的研究成果。但常规直膨式太阳能热泵热水器受太阳辐射强度的影响较大，在太阳辐射不足时难以满足生活热水供应需求。为了解决这一问题，徐国英等[13-14]提出了一种新型太阳能-空气复合热源热泵热水器，并对系统的运行模式与特性进行了模拟研究和实验研究。这种新型热水器，将直膨式太阳能热泵与空气源热泵相结合，在太阳辐射不足时，可同时吸收空气中的热量，使得系统能稳定高效地运行。

随着变频技术的日益成熟，变频器广泛应用于空调领域，并越来越多地成为了太阳能热泵系统的控制部件。由于系统通常在非设计工况下运行，尤其是当环境温度和太阳辐射强度剧烈变化时，系统将严重偏离设计工况运行，系统性能将急剧下降。而变频压缩机的应用可以保持变环境工况下集热/蒸发器与压缩机之间的容量匹配[15]。孙振华等[16]也对直膨式太阳能热泵全年运行的工作性能进行数值仿真计算，制定了系统全年运行的变频策略，以保证系统维持较高的性能系数。

变频技术的应用将大大提高热泵系统的性能并使其适应各种环境工况，为了全面分析压缩机运行频率对系统性能的影响，本文搭建了采用变频压缩机的直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器（DX-SASHPWH）实验装置，通过实验分析不同运行频率下系统各性能参数的瞬时变化特性，以期对系统的变频控制提供理论依据。

1 实验系统介绍

1.1 实验装置与原理简介

直膨式太阳能-空气复合源热泵热水器实验原理以及主要的温度，压力和功率测点布置如图1所示。该实验装置主要包括集热/蒸发器、压缩机、储水箱（内含沉浸式冷凝盘管）、储液器、干燥过滤器、膨胀阀等，各部件具体参数见表1。

图1 直膨式太阳能-空气复合源热泵热水器实验原理图与测点布置图

由图1可见，该系统的实验原理与普通热泵类似，只是把蒸发器和太阳能集热器合二为一，组成集热/蒸发器。制冷剂R134a作为系统循环工质，直接在集热/蒸发器中吸收太阳能和空气中的热量而蒸发，然后进入压缩机变成高温高压蒸汽，接着在水箱的冷凝盘管中冷凝放热加热水箱中的水，再流经储液器、干燥过滤器，经膨胀阀节流降压后回到集热/蒸发器，完成一个循环。

图2为集热/蒸发器结构，截面从上而下依次为：玻璃盖板、空气层、集热板、螺旋翅片蒸发管，集热板下方、蒸发管之间铺设保温材料，以防止集热板吸收的太阳能热量直接散发到背部空气中，增大热损失。由图可知，蒸发管既可以吸收太阳能热量，也可以吸收空气中的热量，实现太阳能热泵与空气能热泵的复合。比起传统的直膨式太阳能热泵热水器，该复合热源热泵热水器增加空气侧取热，并采用螺旋翅片管强化空气侧换热，因而可以保证系统在太阳辐射强度不足的情况也能正常运行，满足热水负荷需求。

图2 集热/蒸发器结构图

1.2 测试系统及评价指标

实验过程中可直接测量的参数有：集热/蒸发器进口温度T1和压力P1，压缩机进、出口温度T2、T3和压力P2、P3，冷凝盘管出口温度T4和压力P4，水箱内热水温度Tw、集热/蒸发器盖板温度Tg、环境温度Ta、太阳辐射强度I等。温度，压力，压缩机功率和太阳辐射强度采用Agilent数据采集仪进行扫描和采集。为研究系统的瞬时变化特性，将扫描循环间隔时间设定为1分钟。以上所有参数的测试装置名称及规格见表2。

表2 实验测试装置及其规格

实验装置中各测点的布置情况如图1所示。其中水箱内设置上、中、下三个温度测点，取三个温度平均值作为水箱内热水温度Tw，集热/蒸发器盖板设置四个温度测点（Tg1～Tg4），同样取四个温度平均值作为集热/蒸发器盖板温度Tg。分光谱辐射表安装在集热/蒸发器旁，倾斜角度与集热板一致，以保证太阳辐射强度测量的准确性。

实验过程中，系统制热量、性能系数、集热/蒸发器集热效率并不能直接测量得到，可按以下公式计算：

系统制热量Qw：

系统性能系数COP，定义为系统制热量Qw和压缩机耗功Ncom的比值：

集热/蒸发器的集热效率ηc，定义为集热/蒸发器吸收的有效热量Qe和集热/蒸发器表面太阳总辐射量的比值：

式中：Cp,w为水的定压比热容，kJ/(kg·K)；ρw为水的密度，kg/m3；Vw为水箱容积，m3；Tw1、Tw2为运行时间间隔内储水箱中起、终水温，℃；Ncom为压缩机耗功，kW；Ap为集热/蒸发器的集热面积，m2；I为集热/蒸发器表面太阳辐射强度，W/m2。

2 实验结果与分析

太阳辐射强度、环境温度对系统性能具有较大影响[5-8]，为了全面准确地分析压缩机运行频率对系统性能的影响，需排除太阳辐射强度和环境温度对分析的干扰。为此，择取3组太阳辐射强度和环境温度都比较接近、压缩机运行频率不同的实验数据，具体分析热水温度，蒸发压力和冷凝压力，压缩机瞬时耗功，系统性能系数COP以及集热/蒸发器的集热效率ηc随运行时间的变化关系。3组实验的运行状况如表3所示，其中太阳辐射强度和环境温度随运行时间的变化关系见图3。从表3和图3可以看出，三组实验中太阳辐射强度和环境温度都很接近，符合控制变量要求。

图3 太阳辐射强度和环境温度随运行时间的变化

2.1 运行频率对热水加热速率的影响

图4表示不同运行频率下，水箱中热水温度随运行时间的变化。从图中可以看出，就某一特定频率，随着运行时间的增加，加热速率不断降低（表现为热水温度曲线的斜率不断降低）。这是因为，在加热初期，水温较低，冷凝盘管中的高温制冷剂与水温温差较大，换热效果好，加热速率大。随着运行时间的增加，水温逐渐上升，换热条件越来越恶劣，换热效果变差，加热速率减小。

图4 热水温度随运行时间的变化

由图4还可以看出，随着运行频率的增加，热水温升曲线的斜率增大，即热水加热速率增大。将120 L的自来水从相近水温加热到55℃，当运行频率分别为40 Hz、50 Hz、60 Hz时，所需要的时间分别为 185 min、167 min、140 min，下降幅度依次为 9.73%、16.17%。可见，提高压缩机的运行频率，可以提高热水加热速率，缩短热水加热时间，且频率越大，热水加热速率的增幅越大。

2.2 运行频率对蒸发压力及冷凝压力的影响

压缩机的运行频率对系统蒸发压力和冷凝压力的影响如图5所示。由图可以明显看出，相同的运行频率下，冷凝压力都随着运行时间的增加而不断增大，这是由热水温度不断上升引起的。但不同运行频率下，冷凝压力随时间的增大速率是不一样的，且冷凝压力的增大速率随运行频率的增大而增大。此外，运行频率对最大冷凝压力也有重大影响。由图可知，当压缩机的运行频率分别为40 Hz、50 Hz、60 Hz时，系统的最大冷凝压力分别为 1.336 MPa、1.593 MPa、1.734 MPa，可见，如果运行频率太大，将导致冷凝压力过大，即压缩机出口压力太大，继而导致压缩机排气温度过大，影响压缩机的运行性能和使用寿命。

图5 蒸发压力和冷凝压力随运行时间的变化

观察图5中蒸发压力的变化可以看出，随着压缩机运行频率的降低，蒸发压力增大，即蒸发温度增大。这是因为当压缩机运行频率降低时，流经集热/蒸发器的制冷剂质量流量降低，与集热板的换热时间加长，换热充分，因而蒸发温度上升，即蒸发压力上升[17]，这对系统性能的提高是有利的。

对比不同频率下蒸发压力和冷凝压力的变化趋势，还可以看出，随着压缩机运行频率的增大，冷凝压力增大，而蒸发压力降低，因此，系统的压比升高。此外，相比运行频率为40 Hz和50 Hz的情况，当压缩机运行频率为60 Hz时，蒸发压力和冷凝压力变化曲线的波动性明显增大，可见太大的运行频率也会影响系统的稳定性。

2.3 运行频率对压缩机耗功的影响

图6表示不同运行频率下，压缩机耗功随运行时间的变化。由图可以看出三条曲线的变化趋势基本相同，压缩机耗功在加热过程中逐时增加，例如，当运行频率为40 Hz时，加热过程中压缩机耗功从0.2145 kW增加到0.5614 kW，这主要是因为运行过程中压缩机的压比增大，容积效率变小，导致耗功增加。当运行频率为40 Hz、50 Hz时，压缩机耗功与运行时间基本成线性关系。当运行频率为60 Hz时，压缩机耗功在40～50 min时出现折点，且之后存在波动，这应该与蒸发压力和冷凝压力的波动性有关。

对数据进行计算可知，当压缩机运行频率分别为40 Hz、50 Hz、60 Hz时，压缩机的平均耗功分别为0.384 kW、0.547 kW、0.687 kW，整个加热过程总的耗电量分别为 1.1824 kW·h、1.5220 kW·h、1.6025 kW·h，可见，压缩机平均耗功以及加热过程总耗电量与运行频率成正比关系，但随着压缩机运行频率的增大，它们的增幅变小。

图6 压缩机耗功随运行时间的变化

2.4 运行频率对系统COP的影响

图7给出了3个不同运行频率下，系统性能系数COP随运行时间的变化情况，可以发现三条曲线的变化趋势也基本相同，这也间接说明了该变化趋势的规律性。对于某一特定频率，系统COP随着加热时间的增加而逐渐下降，且加热初期COP下降较快，约30 min后下降程度减缓。比如，当压缩机运行频率设置为40 Hz时，加热初始时的COP达到最大值13.758，此后随着热水温度的提高，冷凝温度也提高，压缩机耗功增加，导致系统COP不断下降到最低值2.221。由图7还可以注意到，相比运行频率为40 Hz和50 Hz，运行频率为60 Hz时的系统瞬时COP波动性更大，这与上文提到的蒸发压力和冷凝压力的波动性相对应。

图7 系统COP随运行时间的变化

随着运行频率的降低，系统制热量和压缩机耗功都降低，但压缩机耗功降低的幅度大于制热量降低的幅度，故系统COP在运行频率降低时是增大的[15]。本实验中，当压缩机运行频率分别为60 Hz、50 Hz、40 Hz时，系统平均 COP 分别为 3.097、3.414、4.512，当运行频率从60 Hz降到50 Hz，系统平均COP增长9.29%。而当运行频率从50 Hz降到40 Hz，系统平均COP增长24.34%，可见系统平均COP随运行频率的降低而增大，且低频区的增幅显著高于高频区的增幅，即运行频率对系统COP的影响程度在低频范围内表现得更加显著。从图8可以更直观地看清楚这一点。

图8 系统平均COP随运行频率的变化

2.5 运行频率对系统热效率的影响

理论上，随着压缩机运行频率的增大，系统中制冷剂质量流量增大，制冷剂流体对集热板的冷却作用增强，使得集热板温度降低，进而导致从集热板到环境的热损失降低，集热效率将会增大。但观察图9中不同运行频率下的集热效率变化曲线，可以发现3条变化曲线几乎重合，集热效率和运行频率之间的关系与理论分析相差较大。这是因为本实验中，太阳辐射强度较大（高于820 W/m2），集热/蒸发器中制冷剂吸收的有用能远远大于热损失，因而热损失的少量降低对集热效率的影响并不显著。经计算，当压缩机运行频率分别为40 Hz、50 Hz、60 Hz时，集热/蒸发器的平均集热效率分别为0.614、0.620、0.681，可见集热/蒸发器的集热效率随运行频率的增大仍有所增大，只是这一规律在太阳辐射强度较大时表现得并不明显。

图9 集热/蒸发器的集热效率随运行时间的变化

2.6 运行频率变化对系统性能影响的敏感程度比较

由实验结果分析可知，在运行频率变化过程中，系统性能各个参数的变化量是不同的。将运行频率为50 Hz时的数据分别与运行频率为40 Hz和60 Hz时的数据作对比分析，具体比较如表4、表5如示。

由表4可见，当压缩机的运行频率从40 Hz增加到50 Hz时，压缩机的平均耗功变化最为敏感，其次是系统的平均COP，平均蒸发压力和最高冷凝压力，系统的加热时间也有所变化，但不是很敏感，集热/蒸发器的集热效率对运行频率变化最为迟钝。

而由表5可见，当压缩机的运行频率从50 Hz增加到60 Hz时，系统的平均蒸发压力变化最为敏感，其次是压缩机的平均耗功和加热时间，系统的平均COP也有所变化，而集热/蒸发器的集热效率和系统的最高冷凝压力对运行频率变化比较迟钝。

综合表4和表5来看，当压缩机的运行频率发生变化时，系统平均蒸发压力和压缩机的平均耗功变化最为明显，其次是加热时间和系统平均COP，而集热/蒸发器的集热效率变化比较小。比较表3和表4中的数据，还可以发现，运行频率对系统平均COP和压缩机平均耗功的影响在低频范围内表现得更加显著，而对系统加热时间的影响则相反。