热泵型空调制热性能的实验研究

1热泵型空调器制热性能的实验研究天津商业大学机械工程学院胡晓微1王涛摘要本文利用标准空气焓值法试验装置对热泵空调器在名义工况下不同毛细管尺寸的制热量性能进行测试；另外针对室外侧环境温度分别为7℃、12℃、17℃时，通过改变室内机的送风量测试空调器的制热性能。在分析比较实验数据后，本文提出采用冬夏季切换毛细管和室内机采用变风量风机两项措施可提高热泵空调器的制热性能。关键词：热泵空调器标准焓差室制热量毛细管VAV变风量室内机ExperimentalStudyontheHeatingCapacityofHeatPumpAirConditionerHuXiaoweiWangTaoTianjinUniversityofCommerceChinaAbstract:testingheatingcapacityandenergyefficiencyratiooftheheatpumpairconditionerbystandardair-enthalpytestunitonworkconditionsasfollows:withdifferentcapillariesonnormalcondition;increasingsupplyairofindoorfanattheoutdoortemperatureof7℃,12℃,17℃.Accordingtotheresultfromthetest,waysofimprovingheatingcapacityofheatpumpairconditionerhavebeenfound:oneisswitchingovertwocapillarytubesinsummerandwinter,anotherisusingVAVindoorfan.keywords:heatpumpairconditioner,standardair-enthalpytestunit,heatingcapacity,capillary,VAVindoorfan1前言空调设备的节能问题一直是空调系统进一步发展的主题，发展节能的空调系统[1，2]不但能够减少空调的运行费用，节约能源，而且能减少对大气的污染和温室效应。热泵空调器即作为夏季制冷设备同时又是冬季的供暖设备，尤其是利用热泵原理供热，具有显著的节能效果。目前市场上销售的热泵空调器，其主要目的是满足夏季制冷，因而厂家对研发产品的系统组件进行匹配制冷循环的优化设计，以实现夏季制冷达到最佳，显而易见系统在冬季运行作者简介：胡晓微（1969-），女，博士，副教授。邮编300134，天津市北辰区津霸公路东口天津商业大学机械工程学院制冷系。电话：[phone]E-mails：[e-mail]2的热泵制热效果是不会很理想的。为此，一些生产厂家设计的产品在实现制冷最佳的前提下也兼顾热泵的制热性能，采取一些措施提高其制热性能。普遍采用的一种方法是改变毛细管长度，系统管路上并联两根不同长度的毛细管，分别装设有单向阀，或者是对于内径相同的毛细管制热时要比制冷时长，可以在制热运行时增加一段辅助毛细管并联上单向阀[3]，这样夏季制冷剂流经的是匹配制冷的毛细管，到冬季制冷剂流经匹配制热的毛细管，实现了制冷制热时的毛细管切换，使其分别达到最佳的制冷制热效果。另一种方法是在制热量不够的情况下辅助电加热，但这种方式纯粹消耗电能，已经失去作为热泵从低温环境提取热量向高温环境供热的本意，因而能效低。从节能的角度来看，后一种方式是不可取的，不是我们研究的方向。热泵型空调器首先要确保其制冷效果，因此其压缩机、蒸发器、冷凝器和毛细管是为实现最佳制冷循环而匹配的，这种匹配设计已经很成熟，是同时考虑了其经济和技术性能的优化设计，因此在不改变现有部件的前提下如何来强化制热性能是我们实验所要达到的目的。本文将探讨不同尺寸的毛细管对制冷和制热性能的影响特征，对双向节流的热泵型空调制热性能提出实验依据；同时在实验基础上验证变风量室内机组提高制热量的可能性。2实验设备及性能根据GB/T7725-2004《房间空气调节器》规定，测试房间空调器的性能可以采用房间型量热计法和空气焓值法测定热泵空调器的制冷量和制热量[4]。本实验采用空气焓值法来测定热泵型空调器性能的。空气焓值法通过测定空调器位于室内侧的进出口空气的干球温度、湿球温度来确定空调器室内机进出口的焓差，同时要测定通过空调器室内机的风量，空气焓差和风量的乘积即为空调器的制冷量或制热量。实验所用的是标准焓差性能试验装置，该系统可以准确测定空调器的制冷量、制热量、风量、消耗功率和能效比等技术参数。系统的测试范围见表1。表1标准焓差实验装置测试范围测试项目单位空调器制冷量W1000～10000制热量W1000～12000室内侧风量m3/h400～2200功率W500～50003室外侧设有一套空气处理系统，是为了给室外侧环境间提供试验环境，其环境温度可以达到：-25～50℃±0.2℃。室外侧采用上送风下回风方式，空气处理机组的处理风量12000m3/h，配有2台水冷压缩冷凝机组，每台压缩冷凝机组各配有2台压缩机，在调节不同的试验工况时压缩冷凝机组进行切换使用，同时配有电加热管和蒸汽加湿器，以上各处理段共同完成测试间温、适度的调节。室内侧配有一套风量测量装置和一套空气处理系统。风量测量装置用来测量被试机的出风温、湿度和风量，计算出被试机的制冷（热）量。其环境温度可达到：6～40℃±0.2℃。主要由混合器、温湿度取样器、均流板、喷嘴安装板、喷嘴和风洞引风机组成，如图1。温湿度取样器内装有两只铂电阻温度计，分别用来测量出风干球温度和湿球温度，并设有自动补水装置。风量测量装置有2个Φ70的喷嘴和2个Φ100的喷嘴，Φ70喷嘴所测风量范围：208～485m3/h，Φ100喷嘴所测风量范围：424～990m3/h。每次试验根据被试机风量打开适量的且分布均匀的喷嘴。风洞引风机的电动机功率是可调的，风量测量装置所测得的风量实际是在被试机室内机的风扇和风洞引风机串联作用下的风量，因此改变风洞引风机的功率可以调整被试机的风量。空气处理系统采用上送下回方式，为室内侧提供试验环境。空气处理机组处理风量为9000m3/h，配有1台水冷压缩冷凝机组，同时配有电加热管和蒸汽加湿器，各段共同完成室内侧温、湿度的调节。该系统设备运转采用可编程序控制器进行控制，试验过程中实现自动调节试验工况、自动判断稳定状态，而且设备的启停可由触摸屏直接控制，直观性和可靠性都有非常良好的保证。测试值由计算机进行数据采集、处理并存档，自动打印实验报告，并可进行结果分析。实验选用的是科隆公司生产的型号为KFR-32Q/DF的热泵型壁挂式空调器，额定制冷量为3200W，所用工质是R22。为了便于比较，我们的实验都是在名义工况下测得的制冷量和制热量。因此，在测试夏季空调制冷性能时，室外侧模拟夏季环境的干/湿球温度是35/24℃，室内侧环境的干/湿球温度是27/19℃；在测试冬季空调制热性能时，室外侧模拟冬季环境的干/湿球温度是7/6℃，室内侧环境的干/湿球温度是20/15℃。4图1风洞式风量测量装置3毛细管对制热性能的影响毛细管在制冷系统中的主要作用是限流降压，调节制冷剂流入蒸发器的流量，前人已作了很多这方面的研究[5~8]。热泵空调器是利用电磁换向阀来实现制冷、制热的转换，但电磁换向阀不能够使制冷、制热运行都处于最佳工作状态，在很大程度上靠毛细管控制流量来实现热泵的最佳循环状态。现有的热泵空调器生产厂家是对系统的组件进行制冷循环的优化设计，通过改变现有的部件来改善制热性能会导致产品的改型、成本的增加等一系列问题，因而较难实现。作为制冷循环四大部件之一的毛细管具有结构简单、没有运动部件、成本低廉的优点，通过改变毛细管来提高制热性能，从技术和经济角度考虑都是可行的。为此我们做了一组改变毛细管长度的实验。被试机组原有的毛细管是内径为Φ1.6×890mm的铜管，此时是制冷性能最佳的。我们制作了另外的5根毛细管，规格分别为Φ1.6×690mm、Φ1.6×790mm、Φ1.6×990mm、Φ1.6×1090mm、Φ1.6×1190mm，分别测得机组安装这6根不同毛细管时的名义制冷量、名义制热量、输入功率和能效比进行比较。被测机组的室内机风扇是恒定的，功率不可调，但室内侧环境风量测量装置的风洞引风机是可调的，根据焓差实验室的工作原理，我们进行实验时把风洞引风机的功率设为一定值，这样在每一毛细管下被测机组运行的风量是恒定的。比较基准是：名义工况下制冷的额定风量Q=510m3/h（此时的风洞引风机功率设定为0.45KW），制热的额定风量Q=530m3/h（此时的风洞引风机功率设定为0.47KW）。我们将实验测得的数据进行整理，见图2和图3。56007008009001000110012001300280029003000310032003300340035003600制冷量或制热量(W)毛细管长度(mm)制热量(W)制冷量(W)图2不同长度毛细管的制冷制热量比较6007008009001000110012002.12.22.32.42.52.62.72.82.9能效比EER毛细管长度（mm）制热工况EER制冷工况EER图3不同长度毛细管的能效比从上述试验曲线可以看出：机组的制热量随毛细管长度的变化曲线较制冷量变化曲线要平缓，说明热泵制热性能对于毛细管的长度变化灵敏度不高，即达到制冷优化的毛细管长度后，继续增加毛细管的长度对制热量影响较小。热泵空调器的形式及尺寸的设计一般以制冷工况来确定，制冷工况和制热工况相差较大。实验时制冷工况室内侧环境干湿球温度为27/19℃，制冷剂的蒸发温度为8~10℃，室内侧的蒸发器传热温差(⊿T=17~19℃)较大，传热效果好，需要的制冷剂循环量较大；而制热工况室外侧环境干湿球温度为7/6℃,制冷剂的蒸发温度约为1℃，室外侧的蒸发器传热温差只有⊿T=6℃，传热效果差，需要的制冷剂6循环量相对减少，因此达到最佳制冷和最佳制热时所匹配的毛细管应该是不同的。但由于制冷和制热工况的两器是互换的，而以制冷工况为最佳工况确定的室外侧交换器的面积往往比室内侧大，要想获得较高的制热性能，使室外的蒸发器能充分换热，仍需要较大的制冷剂循环量。因此毛细管的匹配应该视空调器的形式及尺寸而定，同时应该考虑制热运行的工况，这一点在后面的试验中进一步得到验证。从试验结果分析本机组匹配Φ1.6×890mm的毛细管达到制冷性能最佳，虽然毛细管为Φ1.6×990mm时制热性能略有提高，但此时的能效比并不高，说明测试机组在名义制冷工况下匹配的毛细管，由机组本身的形式及尺寸决定了该毛细管仍然匹配名义制热工况。4两器对制热性能的影响由于热泵空调器制冷与制热时的工况条件不同，并且室内外换热器和空气循环量在制冷与制热循环中的作用互换，因此按制冷工况进行优化设计的系统在制热工况时未必最优[9,10]，因此空气和制冷剂在两器中的热交换对制热性能的影响较为明显。众所周知，热泵空调器按热泵方式运行时，其供热能力受环境温度的影响，环境温度越低，供热能力也越低。在环境温度低于-7℃时，其制热能力将大大减少，制热效果难如人意，其主要原因是当环境温度太低时，机组与室外环境之间的换热量将减少；另外随着系统蒸发温度及冷凝温度的下降，从压缩机的性能曲线可知压缩机的轴功率将下降、消耗功减少，这两方面的结果导致空调的制热能力降低[11]。这就是在较低温度时人们不再使用热泵空调采暖而采用集中供热的原因。根据《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019—2003，各供暖城市的开始和停止供暖的采暖室外临界温度都为+5℃[12]，人们一般在从停止供热（室外温度为+5℃）到气候转暖（室外温度大约18℃）的过渡时期开启热泵空调器。室外温度在此范围内，我们希望热泵空调器的制热性能尽可能地提高。人们为实现制冷循环的最佳匹配，所设计的室外交换器必然大于室内交换器。因此当机组转化为制热工况时，内外热交换器是不变的，但在循环中的作用是互换的。因此作为冷凝器的室内机在热泵工况下，其