中间补气空气源热泵热风机节流阀控制方法的实验研究

2022-01-10侯庆林陈超李明洋王振宝刘宏举

家电科技 2021年6期

侯庆林陈超李明洋王振宝刘宏举

数字多媒体技术国家重点实验室山东青岛 266100

1 引言

随着室外环境温度的逐步降低，空气源热泵机组的制热性能逐渐衰减。其主要原因是低环境温度下机组的蒸发压力降低，导致压缩机吸气比容增大，质量流量降低，压缩机容积效率降低[1]。如何提高热泵机组的低温制热性能是当今行业内讨论的热点问题[2]。

中间补气技术是近年来低温制热领域的一个热点技术，其在解决低温制热能力不足、低温制热压缩机排气温度过高等方面具有良好的作用[3-5]。该技术通过两次节流，将制冷剂进入室外蒸发侧之前分离一部分气体引入压缩机，来提高压缩机质量流量，降低进入蒸发器的制冷剂干度，从而提高系统的制热量和制冷量。

中间补气方案根据补气方式的不同可分为两类系统方案：过冷器补气方案和闪发器补气方案[6]，其系统原理图分别如图1、图2所示。

图1 过冷器补气方案

图2 闪发器补气方案

相比较两类补气方案：从系统成本来看，过冷器一般采用板式换热器，成本较高，而闪发器结构简单，成本较低；从系统控制方式看，过冷器补气方案的补气量可以通过补气支路的节流装置进行调节，而闪发器方案的补气支路上没有可调节流量的装置，因此闪发器补气方案在系统控制上更为困难。

本文对使用闪发器补气方案的中间补气空气源热泵热风机系统的节流阀控制方法进行研究，通过实验获取节流阀的最佳控制策略和控制参数，在满足系统制热量需求的前提下获取系统的最佳制热能效系数（COP），从而为闪发器中间补气热泵系统的控制方案设计提供支持。

2 系统设计

本文中的实验样机依据JB/T 13573-2018《低温空气源热泵热风机》[7]进行设计，其名义制热量为4000 W，设计方案如图3所示。其中，压缩机为中间补气双转子压缩机；沿制冷剂的流动方向，闪发器前设置电子膨胀阀EEV1，闪发器后设置电子膨胀阀EEV2；电磁阀SV1控制补气回路的导通和关闭；室内外换热器都采用翅片管换热器，制冷剂采用R410A。系统的主要零部件配置如表1所示。

图3 空气源热泵热风机样机系统设计图

表1 零部件规格

系统的压焓图可由图4所示的双级压缩循环来近似描述。其中，2-3为制冷剂在室内换热器中的冷凝放热过程，3-4为制冷剂经过电子膨胀阀EEV1的节流过程，4’为闪发器下部出口连接电子膨胀阀EEV2的饱和液态点，2’是闪蒸器上部出口饱和气态制冷剂与压缩机补气前过热气体的混合点，4’-5为制冷剂经过电子膨胀阀EEV2的节流过程，5-1制冷剂在室外换热器吸热过程，1-2’-2为制冷剂在压缩机中压缩过程。

图4 系统压焓图

3 电子膨胀阀的控制方案

根据行业内比较成熟的电子膨胀控制方法，电子膨胀阀可采用压缩机的排气过热度（Discharge Superheat，简称：DSH）或吸气过热度（Suction Superheat，简称：SSH）作为被控参数对其进行控制。排气过热度（DSH）是指压缩机排气温度Td与饱和冷凝温度Tc之间的差值，即图4所示的2与3’之间的温度差值；吸气过热度（SSH）是指压缩机吸气温度Ts与饱和蒸发温度Te之间的差值，即图4所示的1与5’之间的温度差值。

各温度检测点位置如图3所示，排气温度点Td布置在压缩机的排气管上，冷凝温度点Tc布置在室内换热器的中部，吸气温度点Ts布置在压缩机的吸气管上，蒸发温度点Te布置在室外换热器的中部。

具体的控制方案是：采用正交实验方法，通过调节电子膨胀阀开度，分别研究两个电子膨胀阀开度对压缩机DSH、SSH、制热量和制热性能系数COP（coefficient of performance）的影响规律，从而探明在满足制热能力的前提下使系统的COP达到最优的膨胀阀的开度（组合）。因此，在控制过程中，为了使当前DSH值或当前SSH值能稳定地达到目标值，当前DSH值或当前SSH值必须随电子膨胀阀开度的变化具有单调性，否则将会出现同一个控制参数对应多个电子膨胀阀开度的情况，从而会使系统误判电子膨胀阀的开关方向，使系统无法达到稳定。

4 实验研究与结果分析

4.1 实验方案

通过实验研究，探明两个电子膨胀阀对DSH和SSH的影响，进而确定电子膨胀阀的控制方法，并确定实验工况下最优过热度目标值。实验过程采用单变量分析方法，即将一个电子膨胀阀开度固定，只调节另一个阀，来研究对系统运行参数的影响。实验过程中压缩机运行频率固定不变。

样机采用空气焓差法进行测试，测试方法参照JB/T 13573-2018《低温空气源热泵热风机》，实验测试工况采用表2所示的空气源热泵热风机的名义工况。

表2 实验工况

4.2 实验结果分析

（1）EEV1开度对DSH和SSH的影响

将EEV2开度固定为230 pls，只调节EEV1，其开度对DSH和SSH的影响如图5所示。从结果可以看出随着EEV1开度的增大，DSH和SSH单调递减。

图5 EEV1开度对DSH和SSH的影响

这是因为EEV1控制着整个系统的制冷剂流量，当EEV1阀开度增大时系统的制冷剂循环量增大，压缩机的吸气量增多，同样的压缩功下，排气温度会降低，因而DSH会减小；随着EEV1开度的增加，室外换热器中的制冷剂循环量增大，同样散热能力下，换热器出口的制冷剂会由过热状态变化为饱和状态，因此SSH逐渐减小。由于此处SSH是室外换热器出口温度（等于压缩机吸气温度Ts）与室外换热器中部温度Tc之间的差值，当换热器出口制冷剂为饱和状态时，受管内流动引起的压力损失的影响，出口制冷剂饱和温度会低于中部制冷剂饱和温度，因此此处计算的SSH会出现负值（回液）。

从实验结果可以看出，EEV1的开度和DSH以及SSH都存在单调关系，因此EEV1的控制既可以采用DSH为目标参数进行控制，也可以采用SSH为目标参数进行控制。但DSH随阀开度变化斜率要大于SSH，也就是说，相同的EEV1阀开度的变化值下，DSH会变化的更加明显，因此EEV1采用DSH为目标来进行控制时，可以使用更快的调阀速率，从而更有利于系统快速稳定。综上所述，EEV1优先采用DSH为控制参数对其进行控制。

（2）EEV2开度对DSH和SSH的影响

将EEV1开度固定为130 pls，只调节EEV2，其开度对DSH和SSH的影响如图6所示。

图6 EEV2开度对DSH和SSH的影响

由实验结果可以看出，随着EEV2的阀开度增大，SSH单调递减，DSH先增大后减小。

这是因为：随着EEV2开度的增大，室外换热器的制冷剂流量增大，因此在换热器换热能力不变的情况下，SSH会随EEV2开度的增大而减小；当EEV2开度增大时，虽然室外换热器的制冷剂流量增大，但通过电磁阀SV1进入压缩机补气口的制冷剂流量是减小的，因此当压缩机吸气干度较大时，随着补气量的减少，可能会导致DSH增大，而随着SSH降低引起的液压缩又会导致DSH逐渐减小，所以DSH不会随EEV2开度变化具有单调性。

因此，EEV2只能采用SSH为目标参数进行控制。

（3）EEV1、EEV2开度对制热量、COP的影响

将电子膨胀阀EEV1采用DSH为目标参数进行控制，将电子膨胀阀EEV2采用SSH为目标参数进行控制，在表2所示的实验工况下，对样机进行制热量及COP测试分析。在不同DSH、SSH目标控制参数值的组合下，可以得到系统稳定后的对应制热量和COP数值，如表3、表4所示。

表3 系统的制热量（W）

表4 系统COP（W/W）

从表3中可以看出，在所列各条件下的制热量均能满足JB/T 13573-2018对名义工况制热量的要求（实测制热量不应小于名义制热量明示值的95%，即大于等于3800 W）。从表4中可以得出系统最优COP值为2.38，对应目标DSH值为43℃，对应目标SSH值为0℃。因此本实验系统在表2所示工况下的最优DSH目标控制值为43℃，最优SSH目标控制值为0℃。