压缩机转速对空气源热泵机组制冷性能影响的试验研究

余壮 张瑶鑫 赵晓丹 王素英 赵楠楠

摘 要：【目的】研究压缩机转速对空气源热泵系统制冷性能的影响。【方法】搭建以R410A为制冷工质的空气源热泵机组系统试验台，在标准焓差实验室进行试验。【结果】在标准制冷工况下，压缩机转速从2 500 r/min增加到5 500 r/min时，系统的制冷量增长了122.65%，压缩机功率增长了65.08%，系统的COP和EER分别增长了34.87%、46.99%，系统的排气温度及排气压力均上升，压比由3.04上升到4.26，而吸气压力呈下降趋势。【结论】压缩机转速为2 500～4 500 r/min时，系统的匹配性较好；压缩机转速在4 500 r/min后，系统的匹配性较差。研究成果为后续进一步优化变频压缩机对空调或热泵系统的性能提供试验数据参考。

关键词：压缩机转速；空气源热泵；制冷性能

中图分类号：TB61      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）08-0050-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.010

Experimental Research on the Effect of Compressor Rotation Speed on the Refrigeration Performance of Air Source Heat Pump Unit

YU Zhuang ZHANG Yaoxin ZHAO Xiaodan WANG Suying ZHAO Nannan

（School of Civil Engineering and Architecture， Zhengzhou University of Economics and Trade， Zhengzhou 451191， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims study the effect of compressor speed on the cooling performance of air source heat pump system. [Methods] An air source heat pump unit system test bench with R410A as the refrigeration medium was constructed， and experiments were carried out in the standard enthalpy difference laboratory. [Findings] Under the standard refrigeration working condition， when the compressor speed was increased from 2 500 r/min to 5 500 r/min， the refrigeration capacity of the system increased by 122.65%， the compressor power increased by 65.08%， and the COP and EER of the system increased by 34.87% and 46.99%， respectively; the exhaust temperature and exhaust pressure of the system increased， and the pressure ratio increased from 3.04 to 4.26， while the suction pressure shows a decreasing trend. [Conclusions] When the compressor speed is 2 500～4 500 r/min， the system is well matched; after the compressor speed is 4 500 r/min， the system is poorly matched; this paper provides experimental data for the subsequent further optimization of inverter compressor on the performance of air conditioning or heat pump system for reference.

Keywords： compressor speed; air source heat pump; refrigeration performance

0 引言

我国北方地区“煤改电”政策和相关措施相继实施，并获得了一定的成效，为热泵技术的发展带来新的机遇［1］。空气源热泵具有节能、环保、能效高等特点，广泛应用于人们的生活和工作环境中［2］。而压缩机作为空调系统的四大件之一，是影响空调性能的核心部件［3］。

许多学者针对压缩机转速或者频率对空调系统性能的影响进行了研究。秋雨豪等［4］研究了压缩机转速对冷藏车制冷机组性能的影响，结果表明，当环境温度为50 ℃时，在冷藏和冷冻模式下，压缩机转速从800 r/min升至1 600 r/min的过程中，压缩机排气温度、排气压力分别升高至110.9～130 ℃、26.8～29.5 bar。许文明等［5］为了提高房间空调器运行时室内热舒适性，提出一种基于压缩机频率及室内机风机转速的温湿双控方法，结果表明，该方法能够有效实现温度调节至设定温度，相对湿度维持在40%～60%范围，满足用户热舒适要求。武卫东等［6］通过研究压缩机转速对新能源汽车热泵空调制冷性能的影响，发现随着压缩机转速的增大，冷凝压力随之增加，蒸发压力反而降低。杨忠诚等［7］研究了电动汽车热泵空调系统的制热性能参数，发现随着压缩机转速的增大，系统的压缩机排气温度、排气压力和系统制热量均增加，而COP重要参数呈现下降趋势。杨永安等［8］研究了变转速压缩机对双级压缩热泵系统的影响，结果表明，随着高温压缩机转速的增大，制热量提升了129.7%，低温压缩机功率减少，43.4%；COP随高温压缩机转速的增加呈先增大后减小的趋势，存在最大COP值以及相对应的最佳高温压缩机转速。崔嵩等［9］通过试验发现，当压缩机为800～1 100 rpm转速时，增大压缩机转速能够提高系统制冷量和制冷效率。综上所述，相关学者对于压缩机转速对空气源热泵系统研究还较少，故本研究搭建了以R410A为制冷工质的空气源热泵空调机组试验台，研究变频空调技术，通过改变压缩机转速对空气源热泵性能的影响，为后续进一步优化压缩机转速对空调或热泵系统的性能提供试验数据。

1 空气源热泵机组原理

机组理论循环压焓如图1所示，热力循环计算公式如下。

①机组制冷量的计算见式（1）。

[Q1=m0h1-h6'#] （1）

式中：[m0]为制冷剂循环质量流量，kg/s；[h1]为蒸发器出口的焓，kJ/kg；[h6']为蒸发器进口的焓，kJ/kg。

②压缩机耗功的计算见式（2）。

[W=m0h2-h1#] （2）

式中：[h2]为冷凝器进口的焓，kJ/kg。

③机组制冷性能系数的计算见式（3）。

[COP=Q1W=h1-h6'h2-h1#] （3）

④机组能效比EER的计算见式（4）。

[EER=Q1W+Wa#] （4）

式中：[Q1]为系统制冷量，kW；[Wa]为风机功率，kW。

2 试验及结果分析

2.1 测试工况及主要试验设备

根据《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组性能试验方法》（GB/T 10870—2014）的相关要求，试验工况见表1。该试验在标准焓差实验室进行，试验用空气源热泵冷热水机组的额定制冷量为28 kW，室内外风机转速均为1 050 r/min，压缩机转速为900～6 600 r/min，针对不同压缩机转速对机组进行测试。试验装置如图2所示。

该试验搭建了以R410A为制冷工质的空气源热泵机组系统试验台，主要试验设备见表2。

2.2 压缩机转速对机组的制冷量和压缩机功率的影响

机组的制冷量和压缩机功率随压缩机转速的变化趋势如图3所示。由图3可知，随着压缩机转速的增加，机组的制冷量和压缩机功率均增加。压缩机转速由2 500 r/min增至5 500 r/min时，制冷量由11.17 kW增至24.87 kW，增加了13.70 kW，增长了122.65%；压缩机功率由3.78 kW增至6.24 kW，增加了2.64 kW，增长了65.08%；压缩机在4 500 r/min之后，压缩机功率增幅较大。这是因为随着压缩机转速的增加，压缩机做功增多，使得压缩机功率增长；压缩机转速的增加使系统的质量流量增大，单位时间通过蒸发器的制冷剂质量流量增加，机组的制冷量呈明显上升趋势，且上升的幅度与压缩机转速呈正相关。当工质循环量达到饱和状态时，压缩机转速继续增加，影响了蒸发器进出口焓差，呈现压缩机功率增幅较大的状态。

2.3 压缩机转速对系统COP和EER的影响

机组的COP和EER随压缩机转速的变化趋势如图4所示。由图4可知，机组的COP和EER均随压缩机转速的增加而增大，且增大趋势先快后慢。压缩机转速由2 500 r/min增至5 500 r/min时，机组的COP和EER分别增加了1.03、1.09，分别增长了34.87%、46.99%。机组COP是制冷量与压缩机功率的比值，由于制冷量增加量大于压缩机功率增加量，随着压缩机转速的增加，COP呈现上升趋势；风机转速保持不变，风机功率不变，EER是制冷量与压缩机功率和风机功率之和的比值，所以EER的值也增大，且COP和EER的变化趋势基本一致；当压缩机转速从4 500 r/min到5 500 r/min时，系统COP和EER增长较为平缓，这是由于系统工质循环量达到饱和状态之后，蒸发器换热效率有所下降，变频压缩机系统的状态不能达到最佳，故增加的耗电量不能较好地转化为制冷量。

2.4 压缩机转速对系统排气温度及排气压力的影响

系统排气温度及排气压力随压缩机转速的变化趋势如图5所示。由图5可知，随着压缩机转速的增加，排气温度和排气压力均升高。当压缩机转速由2 500 r/min增至5 500 r/min时，排气温度由60.96 ℃上升到91.43 ℃，增加了30.47 ℃，增长了49.98%；排气压力24.94 bar增至29.57 bar，增加了4.65 bar，增长了18.64%。这是因为压缩机转速的增加，增大了循环质量流量，而压缩机做功转化为热能的部分逐渐增大，导致排气温度以及排气压力均升高。

2.5 压缩机转速对系统压比和吸气压力的影响

机组压比和吸气压力随压缩机转速的变化趋势如图6所示。由图6可知，随着压缩机转速的增加，吸气压力出现下降，压比升高。压缩机转速由2 500 r/min增至5 500 r/min时，压比由3.04上升到4.26，增长了1.24，增长了40.79%；排气压力8.21 bar减至6.94 bar，减少了1.27 bar，下降了15.47%。当压缩机转速增加时，排气压力也随之升高，而压比是排气压力与吸气压力的比值，则使压比增大。

3 结论

为研究不同压缩机转速对空气源热泵机组制冷性能的影响，本研究搭建了以R410A为制冷工质的空气源热泵机组系统试验台，在标准焓差实验室进行试验研究，使压缩机转速保持在2 500～5 500 r/min，得出以下结论。

①机组的制冷量、压缩机功率分别增长了122.65%、65.08%，压缩机转速增加对系统的制冷量提升较为明显，制冷量上升的幅度与压缩机转速呈正相关；系统的COP和EER，分别增长了34.87%、46.99%。

②机组的排气温度及排气压力均增大，分别增大了49.98%、8.64%；压比由3.04上升到4.26，而吸气压力减小，下降了15.47%。

③压缩机转速从2 500 r/min增至4 500 r/min的过程中，系统工质的质量流量增加，蒸发器有效换热面积增加，能量转化效率较高；压缩机转速增至4 500 r/min后，蒸发器有效换热面积达到最大，工质质量流量达到饱和状态，变频压缩机与系统的匹配性降低，导致压缩机耗功转化率降低。

参考文献：

［1］李道平，曲本连，朱风雷，等.低温热泵机组在“煤改电”应用中的评价要求分析和改进［J］.制冷与空调，2017，17（3）：81-84.

［2］郝吉波，王志华，姜宇光，等.空气源热泵热水器系统性能分析［J］.制冷与空调，2013，13（1）：59-62，58.

［3］闻芳.汽车空调压缩机转速对汽车空调的影响［J］.内燃机与配件，2020（11）：94-95.

［4］秋雨豪，乐清洁.高温高湿环境对冷藏车制冷机组性能影响的试验研究［J］.制冷与空调，2021，21（3）：49-54.

［5］许文明，张心怡，王飞，等.基于压缩机频率及室内机风机转速的房间空调器温湿双控方法［J］.制冷与空调，2020，20（8）：86-89.

［6］武卫东，余强元，吴佳玮，等.压缩机转速对新能源汽车空调制冷性能的影响［J］.流体机械，2017，45（11）：61-65，57.

［7］杨忠诚，苏林，于荣，等.电动汽车热泵系统低温工况的制热性能实验研究［J］.制冷学报，2021，42（1）：53-59，81.

［8］杨永安，李瑞申，孙志利，等.高温压缩机变转速的复叠式热泵系统性能实验研究［J］.制冷学报，2020，41（3）：65-70.

［9］崔嵩，孟亚鹏，张明.压缩机转速与回油率对空调性能影响的试验研究［J］.制冷与空调（四川），2021，35（3）：328-333.

（栏目编辑：孙艳梅）

收稿日期：2024-02-03

基金项目：河南省科技厅“蓄能型空气源热泵机组关键技术研究与产品开发”（202102310556）；2023年郑州经贸学院教学改革项目“基于‘双碳背景下应用型人才培养目标《空调用制冷技术》课程教学改革研究”（jg2331）；2023年郑州经贸学院教学改革项目“数字化在《供热工程》教学模式与教学改革中的应用”（jg2319）；2022年郑州经贸学院青年科研基金项目“冷藏与冷冻用同步双循环复合制冷系统关键技术研究”（QK2203）；2022年郑州经贸学院青年科研基金项目“新郑华祥国贸大厦办公楼气流组织分析与优化”（QK2215）。

作者简介：余壮（1993—），男，硕士生，研究方向：制冷空调节能新技术。