地源熱泵系統(tǒng)制冷劑充注的實(shí)驗(yàn)研究

1、第26卷第6期2008年12月可再生能源RenewableEnergyResources地源熱泵系統(tǒng)制冷劑充注的實(shí)驗(yàn)研究唐志偉，余琳，張俊巧100022）（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院傳熱與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京摘要：地源熱泵機(jī)組制冷劑充注量的多少對機(jī)組的能效比影響較大。在建立的地源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺上，對制冷劑R22不同充注量的熱泵機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行了測試。從外部水循環(huán)側(cè)和內(nèi)部制冷劑側(cè)對熱泵機(jī)組運(yùn)行性能進(jìn)行測量計(jì)算；同時(shí)進(jìn)行了地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的熱力學(xué)分析；指出了制冷劑充注量對地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響；最終得出了地源熱泵機(jī)組制冷劑最佳充注量。研究結(jié)果為地源熱泵系統(tǒng)的高效運(yùn)行及能源的充分利用

2、提供了理論和應(yīng)用依據(jù)。關(guān)鍵詞：地源系統(tǒng)；制冷劑；充注量；能效比中圖分類號：TK523文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-5292（2008）06-0072-03ExperimentalstudyontherefrigerantchargingingroundsourceheatpumpsystemTANGZhi-wei，YULin，ZHANGJun-qiao（TheKeyLabofEnhancedTransferandEnergyCinservation,MinistryofEducation,CollegeofEnvironmentandEnergyEngineering,BeijingUni

3、versityofTechnology，Beijing100022，China）Keywords：heatpumpsystem;refrigerants;optimalrefrigerantcharge;energyefficiency0引言熱泵系統(tǒng)中的制冷劑是實(shí)現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩崔D(zhuǎn)移的關(guān)鍵工質(zhì)，系統(tǒng)中制冷劑的充注量是否合適將直接影響熱泵的性能。地源熱泵系統(tǒng)龐大，蒸發(fā)溫度低，在實(shí)驗(yàn)室不易建立實(shí)驗(yàn)臺，到目前為止，還沒有這方面的實(shí)驗(yàn)研究。本實(shí)驗(yàn)建立了出力（制冷量）為9.94kW的地源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，進(jìn)行制冷劑充注的實(shí)驗(yàn)研究，得收稿日期：2008-04-09。到了不同制冷劑充注量對地源熱泵系

4、統(tǒng)的性能影響。1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹地源熱泵系統(tǒng)由3個(gè)封閉的子循環(huán)系統(tǒng)組成：熱泵機(jī)組循環(huán)系統(tǒng)、用戶循環(huán)子系統(tǒng)和地下?lián)Q熱循環(huán)子系統(tǒng)。熱泵機(jī)組循環(huán)系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)考察的對象，它由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)以及熱力膨脹閥組成（圖1）。·72·唐志偉，等地源熱泵系統(tǒng)制冷劑充注的實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)制冷量G2/kW11112354679.0補(bǔ)水0.81.01.8地下工質(zhì)充注量W/kg圖2圖1地源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)制冷量與工質(zhì)充注量的關(guān)系Fig.1Thestructureofbenchscaleheappumpcirculatorysystem1-風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組；2-溫度探頭；3-流量計(jì)；4-過

5、濾器；5-水泵；6-熱泵機(jī)組；7-儲(chǔ)水罐Fig.2Therelationshipbetweenrefrigerantchargingcapacityandrefrigerantchargequantityinthesystem系統(tǒng)制冷量G2先隨制冷劑充注量W的增加而增加。當(dāng)充注量W達(dá)到一定值（約1.5kg）時(shí)，制冷劑管路系統(tǒng)壓力為0.22MPa，制冷量G2達(dá)到最大值；此后，當(dāng)制冷劑充注量W繼續(xù)增加時(shí)，系統(tǒng)的制冷量G2將有所下降。當(dāng)充注量小于1.5kg時(shí)，制冷量下降較快，當(dāng)充注量偏少20%，供冷量下降5.24%左右；當(dāng)充注量大于1.5kg時(shí)，供冷量下降較慢，當(dāng)充注量偏多20%，供冷量下降1.13

6、%左右。可以認(rèn)為，當(dāng)制冷劑充注到一定量后，再增加充注量，對系統(tǒng)制冷量G2影響不大。2實(shí)驗(yàn)與分析考察外部水循環(huán)側(cè)和內(nèi)部制冷劑側(cè)的傳熱量，當(dāng)它們與計(jì)算結(jié)果偏差小于3時(shí)，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以采納。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法滿足了ARIStandard320水循環(huán)側(cè)和內(nèi)部制冷劑側(cè)最大計(jì)算偏差低于5的要求1。2.1計(jì)算公式用戶供熱量Q1（1）（2）（3）（4）機(jī)組性能系數(shù)COPQ1=m1Cp（t9-t8）m（h3-h4）地下?lián)Q熱器供熱量Q2Q2=m2Cp（t10-t11）m（h7-h6）熱泵機(jī)組制熱性能參數(shù)關(guān)系熱泵機(jī)組的性能系數(shù)（COP）定義為供冷量G2與壓縮機(jī)消耗的電功率P的比值，它是評價(jià)熱泵機(jī)組性能的基本參數(shù)。實(shí)

7、驗(yàn)表明，熱泵機(jī)組COP=Q1/PQ1=Q2+iPCOP受制冷劑充注量的嚴(yán)重影響（圖3）。0.81.01.8式中：m1用戶供水循環(huán)流量，L/h；m2能源井循環(huán)水流量，L/h；m系統(tǒng)中制冷劑的質(zhì)量流率，%；h3冷凝器入口處制冷劑焓值，kJ/冷凝器出口處制冷劑焓值，kJ/mol；mol；h4蒸發(fā)器出口處制冷劑焓值，kJ/mol；h7h6蒸發(fā)器入口處制冷劑焓值，kJ/mol；t8冷凝器出口處循環(huán)水溫度，；t9冷凝器入口循環(huán)水溫度，；t10蒸發(fā)器出口循環(huán)水溫度，；蒸發(fā)器入口循環(huán)水溫度，；Cp實(shí)驗(yàn)工t11況下水的定壓定比熱，kJ/（kg·壓縮機(jī)）；P輸入功率，kW；i壓縮機(jī)的指

8、示效率，%。工質(zhì)充注量W/kg圖3機(jī)組性能系數(shù)與充注量的關(guān)系Fig.3Therelationshipbetweentheperformancecoefficientofheatpumpandrefrigerantchargingquantity如圖3所示，當(dāng)制冷劑充注量達(dá)到1.4kg時(shí)，性能系數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)制冷劑管路系統(tǒng)壓力為0.2MPa；當(dāng)充注量小于1.4kg時(shí)，隨著偏離程度的增大，COP急劇下降；當(dāng)充注量大于1.4kg時(shí)，隨著偏離程度的增大，COP也下降較快。與制冷量隨充注量的變化曲線相比，·73·2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析圖2為系統(tǒng)制冷量G2與制冷劑充注量W的關(guān)系。可再

9、生能源COP達(dá)到最大值時(shí)制冷劑最佳充注量略小，而且充注量相對偏多時(shí)，COP曲線較制冷量變化曲線下降快，這與ChoiJM和KimYC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致2。2008，26（6）增大，Q2的增加量也急劇增大。這是因?yàn)槌渥⒘科俚那闆r下，隨著充注量的減少，蒸發(fā)器換熱量和壓縮機(jī)輸入功率P都減少，所以Q2減少；在最佳充注量附近，蒸發(fā)器換熱量和壓縮機(jī)輸入功率P都變化得比較緩和，Q2的變化曲線也比較平坦；制冷劑充注量偏多時(shí)，雖然蒸發(fā)器換熱量有所下降，但壓縮機(jī)輸入功率P卻急劇增大，導(dǎo)致Q2也急劇增大。關(guān)系圖4顯示了地下?lián)Q熱器出口溫度與制冷劑充注量的關(guān)系。地下?lián)Q熱器出口溫度te/3結(jié)語地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能受制冷劑充

10、注量的影響，制冷劑充注量有一個(gè)最佳值。在制冷工況時(shí)，制冷劑系統(tǒng)啟動(dòng)前保持壓力0.22MPa；在制熱工況時(shí)，制冷劑系統(tǒng)啟動(dòng)前保持壓力0.20MPa。0.81.01.8當(dāng)制冷劑充注量偏少時(shí)，對系統(tǒng)的運(yùn)行性能的影響較大；當(dāng)制冷劑充注量偏多時(shí)，對系統(tǒng)的運(yùn)行性能的影響較小。參考文獻(xiàn):工質(zhì)充注量W/kg圖4地下?lián)Q熱器出口溫度與充注量的關(guān)系Fig.4Therelationshipbetweentheexittemperatureofundergroundheat-exchangerandrefrigerantchargingquantity隨著制冷劑充注量的增加，地下?lián)Q熱器循環(huán)水的出口溫度

11、基本保持不變，即使在充注量偏多、壓縮機(jī)輸入功率急劇增大的情況下，地下?lián)Q熱器循環(huán)水的出口溫度也沒有明顯上升的趨勢，這說明地下?lián)Q熱器配置相對于本系統(tǒng)來說偏大。這樣雖然能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但地下?lián)Q熱部分的造價(jià)較高，系統(tǒng)的初始費(fèi)用增加，整體經(jīng)濟(jì)性差。1ARIStandard320.Standardforwater-sourceheatpumpS.2CHOIJM,KIMYC.TheeffectsofimproperrefrigerantchargeontheperformanceofaheatpumpwithanelectronicexpansionvaleandcapillarytubeJ.Ener

12、gy,2002,27：391-404.34黃勇超.系統(tǒng)各要素對房間空調(diào)器匹配的影響分析J.制冷與空調(diào)，2003，3（5）：66-69.DAMASCENOGS,DOMANSKIPA.RefrigerantchargeeffectsonheatpumpperformanceJ.ASHRAETrans圖5所示為地下?lián)Q熱器換熱量Q2與制冷劑充注量W的關(guān)系。11.0地下?lián)Q熱器換熱量Q2/kWPartI,1999,97：304.5HOUCEKJ,THEDFOTDM.Aresearchintoanewmethodofrefrigerationchargingandtheeffectsofim-properc

13、hargingA.ProceedingsoftheFirstAnnualSymposiumonEfficientUtilizationofEnergyinResidentialandCommercialBuildingsC.TX,TexasA&MUniversity,1984.135-142.6FARZARDM,ONEALDL.Theeffectofimproperrefrigerantchargingontheperformanceofaresidentialheatpumpwithfixedexpansiondevices(capillarytubeandshorttubeorifice)A.The29thIntersocietyEnergy-ConversionEngineeringConference,CaliforniaC.AIAA,1994.35-1.21.41.