供暖水温对低温空气源热泵制热性能影响的实验研究

尹应德，李露露，朱冬生²，农雅善，赵密升³，李建国

(1.桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，桂林541004;2. 中国科学院广州能源研究所，广州510640;3.广东纽思泰新能源科技发展有限公司，广州 511325)

Experimental study on the effect of heating water temperature on the heating performance of a low-temperature air source heat pump Yin  Yingde,LiLulu²,Zhu Dongsheng²,Nongyasha,Zhao  Misheng,LiJianguo³

1.Guilin University of Electronic Technology,School of Architecture and Transportation Engineering,Guilin  541004,China;

2.Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China;

3.GuangdongNew Energy Technology Development Co.,Ltd,Guangzhou 511325,China)

Abstract: Air source heat pump as a low carbon energy conservation device has a wide application prospect.To study the heating performance of a commercial air-source heat pump(ASHP)with  different water-supply temperatures  at  a  low  ambient  temperature,a novel full-scale dual-system ASHP prototype was developed.The liquid secondary refrigerant (LSR)method was used to calculate  the  heating  capacity.The  prototype can  be used  as  a  commercial  product  for industrialization.Experiment  results showed  that,at  the  ambient  temperature  of  -25   ℃,  with the hot-water-supply temperature varying  from 41 to 55  ℃,the heating capacity of the  prototype  was  reduced  from 29.57  to   19.71  kW,a   33.33%reduction, consumption power increased from 19.20 to 23.36 kW,an increase of 21.69%,and COP n was reduced from 1.54 to 0.84,are duction of 45.45%.This study can provide a beneficial reference for the application of commercial air source heat pump at the low temperature environment.

Keywords: air-source heat pump(ASHP); liquid secondary refrigerant (LSR)method; low   ambient  temperature;coefficient   of performance (COP)

摘要：空气源热泵作为一种低碳节能装置，具有广泛的应用前景。为研究在低环境温度(-25℃)下，不同供暖水温对低温空气源热泵(ASHP)的制热性能的影响，研制了一种新型全尺寸双系统空气源热泵样机，该样机可以用作工业化的商业产品，并采用液体载冷剂(LSR)法计算制热量。实验结果表明，在-25℃环境温度下，供暖水温从41℃变化到55℃时，样机的制热量由29.57kW降低到19.71kW,降低了33.33%,消耗功率从19.20kW提高到23.36kW,增长了21.69%,制热性能系数COPh从1.54降低到0.84,降低45.45%。该研究可为空气源热泵在低温环境下的应用提供参考。

关键词：空气源热泵(ASHP);液体载冷剂(LSR)法；低环境温度；性能系数(COP)

引言

锅炉、热泵和工业废热可以用于建筑供暖。在我国北方地区，冬天使用煤炭取暖会造成严重的污染[1,2]。近年来，以电力驱动的热泵系统作为可再生和清洁能源，在中国北方供暖领域得到了很大的进展[3]。热泵根据其热源可分为地源热泵(GSHP)和空气源热泵(ASHP)[4]。地源热泵包括地表水(SWHP)、地下水(GWHP)和土壤源(GCHP)热泵[5]。空气源热泵由于其灵活性和便利性而被广泛应用，它通过利用空气提取热量，是锅炉的最佳替代品之一[6-8]。

供暖末端，主要包括风机盘管、地暖和铸铁/钢/铝散热器等[9]。它们的传热方式不同，例如，风机盘管通过对流传热，散热器通过辐射传热，地暖通过对流和辐射相结合的方式传热。不同的供暖末端需要不同的供回水温度，风机盘管推荐温度为40/35℃,地暖推荐温度为45/35℃,散热器推荐温度为60/50℃[10]。为了提高空气源热泵的供暖性能，Jin等[11]进行了降低供暖末端回水温度的实验，结果表明，当风机盘管回水温度降低到30℃时，建筑供暖的温度仍然可以接受。然而，与散热器和地暖相比，进行风机盘管供暖时人体舒适度较差[121。但是，散热器在使用上也存在一些不足，例如散热器的地暖热水温度比较高，大约在60℃以上不利于节能。特别是在中国北方的冬季，外部环境温度通常在-25~0℃,传统的空气源热泵无法为建筑供暖提供如此高的热水温度，并且其COP会随着环境温度的降低迅速下降[13,14]。

近年来，为了克服传统空气源热泵的缺点，研究人员提出了许多创新技术[151,包括两级压缩[161、压缩机喷气增焓[17]、复叠式压缩[18],压缩机变频技术[19J,加装辅助热源等[20]。Yan等[21]研究了在低环境温度下采用新设计的双转子压缩机喷气增焓空气源热泵的热性能。结果表明，空气源热泵的制热量提高了5.6%~14.4%,COP提高了3.5%。Zhang等[22]分析了安装在寒冷地区的喷气增焓空气源热泵的性能。

结果表明，当最低环境温度为-14.84℃,最高供暖水温为50℃时，空气源热泵的COP为2.34,表明喷气增焓空气源热泵的供暖性能良好，优于传统的空气源热泵。Qi等[23]研究了新型混合喷气增焓空气源热泵，在-30℃蒸发温度和50℃冷凝温度下与传统喷气增焓空气源热泵进行了比较。结果表明，前者的COP比后者增加了2.8%~3.3%。Sun等[24,25]测试了带有闪蒸罐的单缸旋转压缩机喷气增焓空气源热泵，并将其与传统的单级蒸汽压缩空气源热泵进行了比较。结果表明，当环境温度为-10℃时，制热量提高了9.1%~29.5%,COP提高了5.35%~7.89%。

从上述参考文献来看，目前低温空气源热泵的研究多集中在单系统上，双系统空气源热泵理论及应用研究较少，特别是开发商用低温空气源热泵产品更少。因此本文从商用低温空气源热泵实际产品入手，设计了一种新型全尺寸双系统空气源热泵样机，考察在低环境温度(-25℃)下，供暖水温对热泵制热性能的影响，以提高性价比，降低能耗。

1、实验系统和方法

1.1喷气增焓热泵

喷气增焓热泵是指采用喷气增焓压缩机的热泵，即压缩机采用两级节流中间喷气技术，实现增焓效果。压缩机的蒸气喷射口喷入中压制冷剂蒸气，与吸气口吸入的低压制冷剂蒸气经压缩后混合，再压缩，提高压缩机排气量(即增加单位体积制冷剂焓值),达到低温环境下提升制热能力的目的。

如图1所示，空气源热泵样机制冷剂采用R410A,由两个独立制冷剂子循环组成。其中，一个子循环由压缩机1、四通阀1、冷凝器、电磁阀1、电子膨胀阀1、电子膨胀阀2、中间经济器1和蒸发器1组成。蒸发器1中的液态制冷剂R410A从空气中吸取热量并蒸发成蒸汽，低压、低温制冷剂蒸汽进入压缩机1,被压缩至中压、中温，然后与从压缩机1喷孔吸入的制冷剂混合，被压缩成高压高温蒸汽，从压缩机1排出后进入冷凝器，向循环热水散热并冷凝成高压高温制冷剂液体。流出冷凝器后的制冷剂液体被分为两个回路，主制冷剂回路在中间经济器1中与辅路制冷剂进行热交换，通过电子膨胀阀2减压，返回蒸发器1。辅路制冷剂吸取主路制冷剂热量后通过电子膨胀阀1减压，返回至压缩机1的吸入孔。在中间经济器1的进口处装有膨胀阀1,以控制补气压力和补气质量流量。电子膨胀阀2控制吸入蒸汽过热度在3~5℃范围内。不同环境温度下，通过开关电磁阀1可以控制子循环的运行模式，例如，当环境温度高于0℃时，电磁阀1关闭，子循环不补气，进入常规模式。

另一个子循环由压缩机2、四通阀2、冷凝器、电磁阀2、电子膨胀阀3、电子膨胀阀4、中间经济器2和蒸发器2组成，其制冷剂循环与第一回路相同两个子循环共用一个冷凝器，冷凝器中的制冷剂回路是分开的，但热水回路合用。冷凝器为一种采用换热铜管外径为5.6mm的内螺旋管的新型换热器。内螺旋管不同于微翅片管和光滑管，具有较高的传热效率[26-28]

带中间经济器的喷气增焓热泵的P-h图如图2所示。系统制热量可表示为：

Qc=me(h?-h?)(1)

压缩总功率可以表示为

W=m.(h?-h?i)+me(h?-h?)-meW?-2'(2)

空气源热泵的COP可以表示为：

式中，h?,h?,h?,,h?,h?,hs——1,2,2',3,4,5点的焓，kJ/kgm。,me——冷凝器，蒸发器中制冷剂的质量流量，kg&mi