R290变频热泵空调器性能的实验研究_吴国强 (1).pdf

第 卷 第 期 年 月北京工业大学学报 变频热泵空调器性能的实验研究吴国强，马国远，许树学（北京工业大学环境与生命学部，北京）摘 要：是一种高效环保的制冷剂，其在空调器上的应用具有十分广阔的前景 从理论上比较了以 作为工质的系统与其他制冷剂系统的性能，并对某型号变频家用分体式空调器进行了实验研究，测试了不同环境温度下空调器制冷和制热的性能 研究结果表明：空调系统理论上 高于 和，与 接近；在制热工况下，变频热泵空调器在环境温度从 变化到 时，实测能效比从.较为均匀地变化到.；制冷工况下，环境温度从 到 时，能效比从.下降到.，制冷功耗在.附近上下波动；家用空调系统的排气温度远低于，但送风温度的控制仍有改善空间 本研究为 变频空调的优化提供了参考关键词：；热泵；变频空调；制冷剂对比；排气温度；送风温度中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）：收稿日期：；修回日期：基金项目：北京市教育委员会科技计划资助项目（）作者简介：吴国强（），男，博士研究生，主要从事制冷、热泵技术方面的研究，：，（，）：，（），（）.；，.，.，：；随着全球变暖的加剧，各国加强了对氢氟烃化物（，）的管控 年 月北 京 工 业 大 学 学 报 年中国政府在两会上提出了碳中和、碳达峰的概念，即承诺在 年前实现二氧化碳的零增长，在 年实现二氧化碳的零排放 年 月中国政府决定接受蒙特利尔议定书基加利修正案，加强对非二氧化碳温室气体的管控 的臭氧消耗潜值（，）为，全球变暖潜值（，）为，作为环保高效的制冷剂，在空调热泵领域受到瞩目在整机性能研究方面，等对某名义制热量为 的 空气源热泵进行了测试，额定制热 和额定制冷 分别达到了.和.，达到国家相关法规的要求 张耘等使用 直接替换低温热泵系统中的工质，在对压缩机进行优化后，热泵系统的效率较 提高了.，排 气 温 度 降 低 了 但 另 一 方 面，等将 空调更换 压缩机后发现能效比（，）下降了.席新宇等将 热泵型空调器制冷剂直接替换为 后，由 于 流 量 的 减 少，制 热 量 降 低 了.，降低了.杨春等对 变频空气源热泵的供热运行特性进行了测试，在平均气温为.的低温供热季节里，系统能效比达到.在关键部件研究上，等对不同节流机构进行了研究，比较了不同室内外温度下 空调的性能表现，研究结果显示在毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀 种方式中，使用毛细管的系统性能更容易受到充注量的影响 而且，系统适合采用大过热度 等利用 多相流模型和 湍流模型对 在微通道内的传热和流动特性进行了研究，结果显示：当微通道流动角为（往下流动）时，传热系数最佳；在相同的传热系数和传热温差下，减小微通道直径最高可以降低.的制冷剂充注量此外，李小燕等使用了全生命周期评价方法，发现 空调的生命周期碳排放约为 空调的 ，显示了 空调减排的潜力 等研究了使用矿物油 和聚烷基乙二醇合成油（）的 空调的性能，发现使用 润滑油可以减少压缩机内 的 质量，并提高了.的制热量，但 略有下降 等建立了制冷系统的稳态模型，从环保特性、能量效率和效率角度比较了使用、和 的系统，结果显示 具有最高的环保特性，并且具有最高的能量效率和效率，充注量也更少 变频是利用变频器改变压缩机频率的一种方式，具有自动调节负荷、节能省电、噪声低的优点，但目前关于 变频空调的性能的研究基本集中于标准工况，对于较宽运行温度范围内的研究较少 本文分析了几种常见制冷剂在制冷和制热工况下的性能表现，并对某 变频分体式热泵空调器进行了实验研究，测试了制热和制冷工况下空调器的性能表现情况、排气温度和室内机出风温度，为 变频空调的优化提供了参考 与几种常见制冷剂制冷与制热性能的对比 为了比较额定制冷量同为.的不同制冷剂作为工质的热泵空调在不同温度下的性能，参考房间空气调节器用全封闭型电动机压缩机 的工况设定蒸发温度为.，冷凝温度为.，吸气过热度为.，液体过冷度为.根据设定的工况计算出同一额定制冷量下压缩机的输气量，结果如图 所示 然后利用 调用 对同一冷凝温度、不同蒸发温度下的系统的制热性能和同一蒸发温度、不同冷凝温度下的制冷性能进行模拟分析，得到了制热工况下空调的制热量、功耗和制热，分别如图 所示图 额定制冷量为.的几种工质的压缩机输气量 .图 所示是几种制冷剂在空调制热工况下制热量随蒸发温度的变化 当蒸发温度从 下降至 时，不同制冷剂作为工质的热泵系统的制热量差距逐渐扩大 系统和 系统的制热量很接近，同时在这 种制冷剂作为工质的热泵系 第 期吴国强，等：变频热泵空调器性能的实验研究统中，和 系统制热量最高 系统略低于 和 系统，表现最差的是 系统，与其他 种制冷剂相差较大 在蒸发温度为 时，系统制热量与 系统几乎一致，但在蒸发温度为 时，系统的制热量为.，系统为.系统的制热量比后者高.图 制热量随蒸发温度的变化 图 是制热工况下功耗随蒸发温度的变化 整体上，功耗随蒸发温度的变化呈抛物线型，所研究的制冷剂系统功耗极大值在 取得 当系统仅蒸发温度升高时，吸气量不变，质量流量增加，比功减少，两者的相互作用导致功耗呈现抛物线型 在制热工况下，种制冷剂的区别较为明显，功耗从高到低依次是、图 功耗随蒸发温度的变化 图 所示为制热 随蒸发温度的变化 从图中可以看出，与 的制热 十分接近，而 与 的制热 十分接近，这与文献的实验结果一致 在制热工况下，与 系统制热 始终高于 和 系统与 相比，系统的制热 在蒸发温度为 时比 高.，在蒸发温度为 时则比 高.图 制热 随蒸发温度的变化 图 所示分别为制冷工况下空调的制冷量、功耗和制冷 图 所示是制冷量随冷凝温度的变化 总体上看，在不同冷凝温度下 保持了较高的制冷量 在低冷凝温度下制冷量最低，在高冷凝温度下制冷量与 十分接近 在低冷凝温度下制冷量最高，在高冷凝温度下制冷量与 十分接近图 制冷量随冷凝温度的变化 图 所示为制冷功耗随冷凝温度的变化 制冷工况下功耗从高到低依次是、，其中 的功耗表现和 接近图 是制冷 随冷凝温度的变化 制冷 从高到低依次是、其中，系统的 与 接近，则与 接近但略高于，与文献 的实验结果一致 以 为基准，在冷凝温度为 时，北 京 工 业 大 学 学 报 年图 功耗随冷凝温度的变化 系统比 高.，在冷凝温度为 时，系统比 高.图 制冷 随冷凝温度的变化 实验系统及原理从前文的分析可知，与、和 相比，具有较高的制热和制冷性能 尤其在制热工况下，制热 和制热量随蒸发温度降低而导致的衰减量都保持了较好的水平 为了探究 热泵空调的实际表现，本文以某额定制冷量为 的变频家用分体式空调器为实验对象，在焓差室进行了测试 依据国标 房间空气调节器进行实验并设定室内制热工况干球温度和湿度温度分别为 、；制冷工况干球温度和湿度温度分别为 、共设计了 组实验，实验工况如表 所示实验通过计算室内机进出风的焓值并结合室内侧送风平均风速来确定制冷量和制热量 室内机送风口加装了方形风道，利用风速仪对出口每间隔 进行测量风速，最后求出平均风速；送风风道出口均匀地布置有 个热电偶测点和相对湿度计以获得出口平均温度和相对湿度表 实验工况设计 运行模式环境温度室内温度干球温度湿球温度干球温度湿球温度制热制冷 制冷量（制热量）计算式为 （）（）式中：为制冷量（制热量），；、分别为室内机空气的出口和进口密度，；、分别为室内机空气的出口和进口焓值，分别由出口温度、相对湿 和进口温度、相对湿度 决定，；为风道出口空气流速，；为风道出口横截面积，能效比计算式为（）压缩机；四通换向阀；室外换热器；电子膨胀阀；室内机组及风道；气液分离器图 实验系统原理图 式中 为机组功耗，管道内布置有热电偶用于监测各项温度，系统功耗由功率计显示 实验系统原理图如图 所示，第 期吴国强，等：变频热泵空调器性能的实验研究图中 为热电偶的布置位置 实验测试仪器的精确度如表 所示表 实验测试仪器及参数 名称品牌型号精度热电偶.功率计.风速计.测量值相对湿度计 实验测得的各参数不确定度分别用、表示，与各测量参数的关系可以表示成 （，）则制热量（制冷量）与 的不确定度分别表示为()()()()()()（）()()()()()()()（）实验结果及分析.制热测试空调性能随环境温度变化情况如图 所示 整体上制热量随环境温度的下降而下降，而电功耗则随环境温度的下降而上升，但制热量在 以上时制热量衰减较为缓慢，环境温度由 下降为 过程中，制热量由.下降为.，仅下降了.在 降低到 过程中，制热量衰减较为严重，下降了.（以 时制热量为基准）能效比在 降低到 时从.降低到.，时降低到了.，在这两个区间内分别下降了.和.，变化较为均匀 变频空调的电功耗在测试过程中随着温度的升高而降低，在 到 范围内，电功耗的变化较为缓慢，环境温度由 升高到 时，电功耗仅下降，而从 升高到 时，电功耗下降.席新宇等在 直接替换 的热泵型空调器的实验中显示在室外平均环境为 ，室内环境温度为 ，制热量在.附近时，热泵的制热 最低在.，平均为.，低于本实验环境温度 ，室内 工况测得的 值.，考虑到室外温度的差异，实验结果在合理范围之内在额定制热工况下的 和 的 在.附近，略高于本实验测得的结果 文献中实验显示 的 高于，本实验出现 偏低的情况，可能与机组压缩机容量匹配和系统的控制有关图 制热时空调性能随环境温度变化 排气随环境温度变化如图 所示 排气温度在环境温度 基本呈现线性增加趋势，温度由.上升到.，当在 时，排气温度略有降低 额定制热工况下 的排气温度为.，接近于文献同工况下的.，远低于 同工况下的.制冷测试制冷空调性能随环境温度变化如图 所示北 京 工 业 大 学 学 报 年图 制热时排气温度随环境温度变化 环境温度从 变化到 时，压缩机功耗略有波动，但基本维持在.附近；制冷量和能效比则随着环境温度的上升而下降 制冷测试过程中，在环境温度为 时，电功耗和制冷量急剧下降 这是因为 运行工况已经超过了国标规定的最大运行工作温度 ，此时排气温度过高，高频率运行难以维持，由于频率与功耗呈正相关，频率回落，功耗降低 环境温度从 到 时，制冷量从.下降到.，下降了.对于功耗，大体呈现上升趋势，但 工况和 工况相近；功耗从.升高到.，仅增加了 ；对于能效比，除 工况和 工况基本一致外，大体呈线性下降，从.变化到.文献中实验测得的以 为工质的空调系统额定制冷 为.，则为.本实验所测的 空调额定制冷 为.，从测试结果来看，在额定制冷工况下的能效比与 和 的 差 距 高 于 额 定 制 热 工 况 下 与 和 的差距 造成制冷工况下 空调 偏低的原因是出风温度过低，后续将详细说明排气随环境温度变化如图 所示 整体上排气温度呈随环境温度的增加而增加，环境温度由 上升到 ，排气温度由.上升到.，变化过程较为均匀 当环温为 时，虽然压缩机频率回落，排气温度并无明显下降 额定制冷工况下的排气温度为.，与文献同工况的 系统的排气温度.很接近，同时远低于 系统同工况的.，这证明使用 工质对于降低排气温度具有很大的作用图 制冷时空调性能随环境温度变化 图 制冷时排气温度随环境温度变化 .出风温度除了性能参数、排气温度外，室内机的出风温度是空调重要参数之一，影响着人体舒适性和机组的经济性 图 是制冷和制热时室内机的平均出风温度变化 不管是制冷还是制热，外界环境温度越高，则出风温度越高 制热工况下，出风温度范围为.文献指出为满足空调的舒适性要求，减小垂直温差，出风温度应控制在 内 而所测机组在室外温度为 以上时出风温度均高于推荐温度，不仅舒适性差，而且造成系统冷凝压力过高，效率低，具有较大的改进空间 制冷工况下，出风温度范围为.，而通常空调制冷时的出风温度在 ，过低的出风温度是以低蒸发温度为代价的，而较低蒸发温度会降低空调系统效率，这解释了测试中制冷效率低的原因从实验结果来看，通过优化风速与室内换热器的传热效果将有利于控制现有 变频空调的出风温度在一个舒适经济的水平 第 期吴国强，等：变频热泵空调器性能的实验研究图 室内机出风温度随环境温度变化 结论国内外对于 变频家用空调器性能的实验系统研究比较少，本文对 系统的循环特性进行了理论分析，并测试了某 变频空调器在不同环境温度下系统的制热量（制冷量）、功耗和能效比的变化 得出以下结论：）系统与 系统的在空调工况下 十分接近，而 则与 十分接近，在空调工况下始终保持较高的，而制热量随蒸发温度变化的衰减优于制冷量的衰减；）制热工况下，变频家用空调器制热量在低环温时下降较快，电功耗在低环温下的变化较为缓慢，在环境温度从 变化到 时，能效比从.较为均匀地变化到.；）制冷工况下，环境温度从 到 时，变频家用空调器的制冷量从.下降到.，但制冷功耗在.附近上下波动，能效比从.下降到.；）家用空调系统的排气温度远低于，但送风温度并不经济舒适，风温的控制仍有改善空间参考文献：，：，：张耘，柳慈翀，陈晓宁，等 低温热泵系统中 替代 的性能研究及优化 制冷学报，（）：，（）：（），（）：席新宇，庄春龙，付博亨，等 替换 的热泵型空调器供暖实验研究 建筑节能，（）：，（）：（）杨春，陈晓宁，罗亚军，等 寒冷地区 变频空气源热泵供热运行特性研究中国家用电器技术大会论文集，卷 北京：电器杂志社，：，：，：（），：，：，：李小燕，宁前，何国庚 采用 和 的家用空调器全生命周期碳排放研究 低温工程，（）：，（）：（）（下转第 页）北 京 工 业 大 学 学 报 年场发电功率超短期预测 上海电力学院学报，（）：，（）：（）孙育英，王丹，王伟，等 空调运行负荷预测方法的研究综述 建筑科学，（）：，（）：（）中华人民共和国住房和城乡建设部 公共建筑节能设计标准：北京：中国建筑工业出版社，：中华人民共和国住房和城乡建设部 民用建筑热工设计规范：北京：中国建筑工业出版社，：陆耀庆 实用供热空调设计手册 北京：中国建筑工业出版社，：，：，（）：（责任编辑 张 蕾）（上接第 页），：，：，：丁小叶 变频空调参与需求响应的调控策略与效果评估 南京：东南大学，：，（）王斯焱，李锡宇，吴治将 替代 在家用空调器的试验研究 制冷，（）：，（）：（）王朝鑫，朱兴旺，龚毅 灌注式替代 家用空调的试验研究 流体机械，（）：，（）：（）张振亚，王芳，肖庭庭，等 替代工质 和 的对比研究 流体机械，（）：，（）：（）黄允棋，司徒姗姗，陈小辉 关于壁挂式空调制热舒适性最优出风温度的实验研究 环境技术，（）：，（）：（）（责任编辑 张 蕾）