自然冷源过冷过热对热泵系统性能影响的实验研究.docx

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自然冷源过冷过热对热泵系统性能影响的实验研究

自然冷源过冷/过热对热泵系统性能影响的实验研究

摘 要

提高空调系统的能效水平对于节能减排和实现可持续发展具有重要意义。

本文建立了一种利用自然冷源实现过冷/过热的热泵系统，搭建了试验台。

对以R32为工质的蒸气压缩式制冷热泵实验台进行了实验，研究在过冷，过热，及普通工况下，排气温度，制热量、制热COP等性能的变化规律。

关键词

  热泵；过冷度；过热度；COP

0引 言

能源是经济进步、社会发展和提高广大人民生活质量的重要物质基础，空调是人类生活和工作环境不可或缺的重要组成部分[1]。

据文献记载，全球平均建筑能耗占到总能耗的37%左右，我国建筑能耗约为总能耗的40%[2]，且呈现刚性增长趋势[3]。

在建筑总能耗中，空调系统耗能所占比重最大。

据不完全统计，我国民用建筑暖通空调的能耗占到建筑能耗的55%以上[4]。

对于我国，能源本身储量很有限，人均能源很少，不合理的能源利用对环境造成的污染也越来越严重。

因此，节能与减排已成为我国转变经济模式和实现可持续发展的共识。

中国作为一个负责任的大国，承诺到2020年单位GDP减排40%~45%[5]。

近年来，针对提高制冷和制热能效的研究很多。

过冷技术被广泛地运用在中低温领域的蒸汽压缩制冷系统里[6]。

过冷方法大致有以下几种：

环境冷却过冷、吸气管道过冷以及使用外部机械过冷[7]。

也得到了一些重要的成果，达到了节约能源的效果。

制冷空调技术为人类提供了舒适的生产、生活环境，但同时也带来了能源消耗的增加、温室效应等危害。

面对传统制冷工质淘汰期限日益临近，我国依据国情提出采用R32的制冷剂替代方案。

本文针对以R32为制冷工质的热泵系统，引入过冷/过热器进行了理论分析和实验研究。

1系统的工作原理

系统的工作原理如图1所示。

图1过冷/过热循环原理图和lgp-h图

与单级不同之处是增加过冷或过热装置。

不管是过冷运行还是过热运行，其冷源均来自低温端。

当过冷运行时，从低温端引入一部分冷源对液体过冷，当过热运行时，从低温端引入部分冷源进行蒸发器过热。

图2所示为利用自然冷源过冷/过热的热泵系统实验装置图。

图2实验装置示意图

系统包括：

1-涡旋压缩机，2-油分离器，3-温度-压力表，4~7-过热-过冷器，5-蒸发器，6-节流阀，8-干燥过滤器，9-视液镜，10-冷凝器，12-冷却水流量计，13-冷却水循环泵，14-冷却水箱，15-电加热器，16-冷冻水箱，17-冷冻水循环泵，18-冷冻水流量计。

系统运行时，从冷冻水端引入一部分冷冻水冷却制冷剂液体，以此实现过冷循环；当从冷冻水端引入一部分冷源对蒸发器出口的制冷剂进行再热时，即可实现自然冷源的过热循环。

2计算模型

计算过程条件：

（1）系统在稳态条件下运行；

（2）冷凝温度取值范围从40~55℃，蒸发温度取值范围从-10~5℃；

（3）忽略制冷剂在管路及换热器内的流动损失和热损失；

（4）压缩机效率设为0.8；吸气过热度5℃；

①无过冷/过热的热泵循环单位质量制冷量：

q0=h1-h5=h1-h4   

（1）

单位容积制冷量：

qzv=（h1-h5）/v1=q0/v1   

（2）

理论比功：

W0=h2-h1    （3）

指示比功：

Wi=W0 /ηi    （4）

冷凝器单位热负荷：

qk=h2-h4      （5）

制冷循环的性能系数：

理论值：

COP0=q0/W0=（h1-h5）/（h2-h1）  （6）

指示值：

COPi=q0/Wi      （7）

制热量Qheat：

Qheat=cmΔt =cρvΔt     （8）

式中：

c 为水的比热容，J/（kg·K）；ρ 为水的密度，kg/m3；v 为水单位时间内的体积流量，m3/s。

Δt 为冷却水进出口温差为：

Δt =tm-out-tm-in    （9）

式中：

tm-in为冷却水进口平均温度，℃；tm-out为冷却水出口平均温度，℃。

制热COPheat 循环的性能系数

COPheat=Qheat/W0  （10）

②带过冷的热泵循环

单位质量制冷量：

qsub=h1-h5′=h1-h4′ （11）

单位容积制冷量：

qzv=（h1-h5′）/v1=q0/v1（12）

理论比功：

Wsub =W0=h2-h1（13）

指示比功：

Wi =W0/ηi   （14）

冷凝器单位热负荷：

qk=h2-h4′ =（h2-h4）+（h4-h4′）   （15）

过冷器单位热负荷：

qg1=（h4-h4′）  （16）

循环的性能系数

理论值：

COPsub=qsub/W0=（h1-h5）/（h2-h1） =COP0+（h5′-h5）/（h2-h1）  （17）

指示值：

COPi=qsub /Wi     （18）

与无过冷的制冷循环相比，过冷循环的制冷量

增加了m0（h5-h5′）

COP提高：

（h4-h4′）/（h2-h1）

制热量Qheat：

Qheat=cmΔt =cρvΔt   （19）

制热COPheat 循环的性能系数：

COPheat=Qheat/W0    （20）

③带过热的热泵循环

单位质量制冷量：

COPheat=（h1′-h5）=（h1-h5）+（h1′-h1）  （21）

单位容积制冷量：

qzv =（h1′-h5）/v1′ =q0 /v1′  （22）

理论比功：

Wsupheat =h2′-h1′  （23）

指示比功：

Wi =Wsupheat /ηi   （24）

冷凝器单位热负荷：

qk=（h2′ -h4） （25）

过热器单位热负荷：

qgr=（h1′-h1） （26）

循环的性能系数：

理论值制冷COPsupheat：

COPsupheat=qsupheat/Wsupheat =（h1′-h5）/（h2′-h1′）    （27）

指示值：

COP= qsupheat /Wi   （28）

制热量Qheat：

Qheat =cmΔt =cρvΔt    （29）

制热COPsupheat 循环的性能系数：

COPsupheat=Qsupheat/Wsupheat  （30）

3实验结果与分析

图3排气温度随蒸发温度的变化 图4压缩机功率随蒸发温度的变化

图5制热量随蒸发温度的变化图6制热COP蒸发温度的变化

以R32为工质进行实验研究，分析比较单级模式、带过冷模式及过热模式的性能。

为了更好的评价样机系统的性能，本实验对仪表仪器进行了标定。

开机过程如下：

首先接通控电柜电源，启动并调整冷却水系统，待水系统调试好后开启压缩机，同时开启数据采集系统。

实验过程中，待工况稳定一段时间后，先做单级压缩循环实验。

待机组在实验设定工况下稳定运行一段时间后，再分别开启过冷或过热。

需直接测量的参数包括：

吸气温度、压力、排气温度、压力、冷凝器进出口温度及压力、冷却水进出口温度、冷却水流量、过冷温度及压力、压缩机功率。

需间接测量的量为：

冷却水进出口温差Δt、制热量Q、制热COP。

图3所示为排气温度随蒸发温度的变化。

由图3可以看出蒸发温度越低排气温度越高，在蒸发温度-5℃和0℃时候，过冷的排气温度分别降低4.5%和5.6%。

在蒸发温度-5℃时，过热的排气温度降低2~3℃，但在蒸发温度0℃过热的排气温度增高7℃。

图4所示为压缩机功率随蒸发温度的变化。

从图4可看出，在蒸发温度-5℃和0℃时候，过冷的压缩机功率比单级压缩机降1.4%和4.1%，过热的压缩机功率增加2.41%和0.9%。

图5所示为制热量随蒸发温度的变化。

由图5可看出，过冷后制热量降低比较大，在蒸发温度-5℃和0℃过冷的制热量分别降低32.44%和42.36%；但在蒸发温度0℃时，过热的制热量降低了8.61%，在蒸发温度-5℃时，制热量提高了11.31%。

图6所示为制热COP随蒸发温度的变化。

由图6可看出，过冷的制热COP度降低31.41％和39.8％，过热的时候制热COP在蒸发温度为-5℃时提高约9.9%，在蒸发温度为0℃时相对降低约9.4%。

4结 论

本文实验研究了自然冷源过冷/过热对热泵系统性能影响，得出的结论如下：

（1）过冷对系统排气温度降低较明显，非常适合比如R32这种排气温度较高的制冷剂在制热运行的场合。

（2）过冷后的制热量会降低，压缩机功率也会降低，但制热COP降低的更加明显。

（3）过热提高或降低制热量，也会产生对制热COP的提升或降低。

参考文献

[1]谢英柏.燃气机热泵总能系统的理论分析与试验研究[D].保定:

华北电力大学博士论文.2002.

[2]张志莹.建筑节能是实现建筑业可持续发展的必由之路[J].中国工程咨询,2006,（7）:

18–19.

[3]蔡伟光.中国建筑能耗影响因素分析模型与实证研究[D].重庆:

重庆大学博士学位论文,2011.

[4]郎四维.中国建筑环境设备发展动向[J].上海,2003.中日建筑环境设备高级论坛论文集.2003:

27–50.

[5]杜晓通.建筑物能效优化研究[D].山东:

山东大学,2012.

[6]QureshiBA，ZubairSM．Mechanicalsub–coolingvaporcompressionsystems－currentstatusandfuturedirectionsInternationalJournalofRefrigeration[J]2013．

[7]BilalAhmedQureshi，SyedMZubair.Theeffectofrefrigerantcombinationsonperformanceofavaporcompressionrefrigerationsystemwithdedicatedmechanicalsub-cooling.Internationljournalofrefrigeration[J].2012（35）:

47–57．