侯慶林 陳超 李明洋 王振寶 劉宏舉

數(shù)字多媒體技術國家重點實驗室 山東青島 266100

1 引言

隨著室外環(huán)境溫度的逐步降低，空氣源熱泵機組的制熱性能逐漸衰減。其主要原因是低環(huán)境溫度下機組的蒸發(fā)壓力降低，導致壓縮機吸氣比容增大，質量流量降低，壓縮機容積效率降低[1]。如何提高熱泵機組的低溫制熱性能是當今行業(yè)內(nèi)討論的熱點問題[2]。

中間補氣技術是近年來低溫制熱領域的一個熱點技術，其在解決低溫制熱能力不足、低溫制熱壓縮機排氣溫度過高等方面具有良好的作用[3-5]。該技術通過兩次節(jié)流，將制冷劑進入室外蒸發(fā)側之前分離一部分氣體引入壓縮機，來提高壓縮機質量流量，降低進入蒸發(fā)器的制冷劑干度，從而提高系統(tǒng)的制熱量和制冷量。

中間補氣方案根據(jù)補氣方式的不同可分為兩類系統(tǒng)方案：過冷器補氣方案和閃發(fā)器補氣方案[6]，其系統(tǒng)原理圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 過冷器補氣方案

圖2 閃發(fā)器補氣方案

相比較兩類補氣方案：從系統(tǒng)成本來看，過冷器一般采用板式換熱器，成本較高，而閃發(fā)器結構簡單，成本較低；從系統(tǒng)控制方式看，過冷器補氣方案的補氣量可以通過補氣支路的節(jié)流裝置進行調節(jié)，而閃發(fā)器方案的補氣支路上沒有可調節(jié)流量的裝置，因此閃發(fā)器補氣方案在系統(tǒng)控制上更為困難。

本文對使用閃發(fā)器補氣方案的中間補氣空氣源熱泵熱風機系統(tǒng)的節(jié)流閥控制方法進行研究，通過實驗獲取節(jié)流閥的最佳控制策略和控制參數(shù)，在滿足系統(tǒng)制熱量需求的前提下獲取系統(tǒng)的最佳制熱能效系數(shù)（COP），從而為閃發(fā)器中間補氣熱泵系統(tǒng)的控制方案設計提供支持。

2 系統(tǒng)設計

本文中的實驗樣機依據(jù)JB/T 13573-2018《低溫空氣源熱泵熱風機》[7]進行設計，其名義制熱量為4000 W，設計方案如圖3所示。其中，壓縮機為中間補氣雙轉子壓縮機；沿制冷劑的流動方向，閃發(fā)器前設置電子膨脹閥EEV1，閃發(fā)器后設置電子膨脹閥EEV2；電磁閥SV1控制補氣回路的導通和關閉；室內(nèi)外換熱器都采用翅片管換熱器，制冷劑采用R410A。系統(tǒng)的主要零部件配置如表1所示。

圖3 空氣源熱泵熱風機樣機系統(tǒng)設計圖

表1 零部件規(guī)格

系統(tǒng)的壓焓圖可由圖4所示的雙級壓縮循環(huán)來近似描述。其中，2-3為制冷劑在室內(nèi)換熱器中的冷凝放熱過程，3-4為制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥EEV1的節(jié)流過程，4’為閃發(fā)器下部出口連接電子膨脹閥EEV2的飽和液態(tài)點，2’是閃蒸器上部出口飽和氣態(tài)制冷劑與壓縮機補氣前過熱氣體的混合點，4’-5為制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥EEV2的節(jié)流過程，5-1制冷劑在室外換熱器吸熱過程，1-2’-2為制冷劑在壓縮機中壓縮過程。

圖4 系統(tǒng)壓焓圖

3 電子膨脹閥的控制方案

根據(jù)行業(yè)內(nèi)比較成熟的電子膨脹控制方法，電子膨脹閥可采用壓縮機的排氣過熱度（Discharge Superheat，簡稱：DSH）或吸氣過熱度（Suction Superheat，簡稱：SSH）作為被控參數(shù)對其進行控制。排氣過熱度（DSH）是指壓縮機排氣溫度Td與飽和冷凝溫度Tc之間的差值，即圖4所示的2與3’之間的溫度差值；吸氣過熱度（SSH）是指壓縮機吸氣溫度Ts與飽和蒸發(fā)溫度Te之間的差值，即圖4所示的1與5’之間的溫度差值。

各溫度檢測點位置如圖3所示，排氣溫度點Td布置在壓縮機的排氣管上，冷凝溫度點Tc布置在室內(nèi)換熱器的中部，吸氣溫度點Ts布置在壓縮機的吸氣管上，蒸發(fā)溫度點Te布置在室外換熱器的中部。

具體的控制方案是：采用正交實驗方法，通過調節(jié)電子膨脹閥開度，分別研究兩個電子膨脹閥開度對壓縮機DSH、SSH、制熱量和制熱性能系數(shù)COP（coefficient of performance）的影響規(guī)律，從而探明在滿足制熱能力的前提下使系統(tǒng)的COP達到最優(yōu)的膨脹閥的開度（組合）。因此，在控制過程中，為了使當前DSH值或當前SSH值能穩(wěn)定地達到目標值，當前DSH值或當前SSH值必須隨電子膨脹閥開度的變化具有單調性，否則將會出現(xiàn)同一個控制參數(shù)對應多個電子膨脹閥開度的情況，從而會使系統(tǒng)誤判電子膨脹閥的開關方向，使系統(tǒng)無法達到穩(wěn)定。

4 實驗研究與結果分析

4.1 實驗方案

通過實驗研究，探明兩個電子膨脹閥對DSH和SSH的影響，進而確定電子膨脹閥的控制方法，并確定實驗工況下最優(yōu)過熱度目標值。實驗過程采用單變量分析方法，即將一個電子膨脹閥開度固定，只調節(jié)另一個閥，來研究對系統(tǒng)運行參數(shù)的影響。實驗過程中壓縮機運行頻率固定不變。

樣機采用空氣焓差法進行測試，測試方法參照JB/T 13573-2018《低溫空氣源熱泵熱風機》，實驗測試工況采用表2所示的空氣源熱泵熱風機的名義工況。

表2 實驗工況

4.2 實驗結果分析

（1）EEV1開度對DSH和SSH的影響

將EEV2開度固定為230 pls，只調節(jié)EEV1，其開度對DSH和SSH的影響如圖5所示。從結果可以看出隨著EEV1開度的增大，DSH和SSH單調遞減。

圖5 EEV1開度對DSH和SSH的影響

這是因為EEV1控制著整個系統(tǒng)的制冷劑流量，當EEV1閥開度增大時系統(tǒng)的制冷劑循環(huán)量增大，壓縮機的吸氣量增多，同樣的壓縮功下，排氣溫度會降低，因而DSH會減??；隨著EEV1開度的增加，室外換熱器中的制冷劑循環(huán)量增大，同樣散熱能力下，換熱器出口的制冷劑會由過熱狀態(tài)變化為飽和狀態(tài)，因此SSH逐漸減小。由于此處SSH是室外換熱器出口溫度（等于壓縮機吸氣溫度Ts）與室外換熱器中部溫度Tc之間的差值，當換熱器出口制冷劑為飽和狀態(tài)時，受管內(nèi)流動引起的壓力損失的影響，出口制冷劑飽和溫度會低于中部制冷劑飽和溫度，因此此處計算的SSH會出現(xiàn)負值（回液）。

從實驗結果可以看出，EEV1的開度和DSH以及SSH都存在單調關系，因此EEV1的控制既可以采用DSH為目標參數(shù)進行控制，也可以采用SSH為目標參數(shù)進行控制。但DSH隨閥開度變化斜率要大于SSH，也就是說，相同的EEV1閥開度的變化值下，DSH會變化的更加明顯，因此EEV1采用DSH為目標來進行控制時，可以使用更快的調閥速率，從而更有利于系統(tǒng)快速穩(wěn)定。綜上所述，EEV1優(yōu)先采用DSH為控制參數(shù)對其進行控制。

（2）EEV2開度對DSH和SSH的影響

將EEV1開度固定為130 pls，只調節(jié)EEV2，其開度對DSH和SSH的影響如圖6所示。

圖6 EEV2開度對DSH和SSH的影響

由實驗結果可以看出，隨著EEV2的閥開度增大，SSH單調遞減，DSH先增大后減小。

這是因為：隨著EEV2開度的增大，室外換熱器的制冷劑流量增大，因此在換熱器換熱能力不變的情況下，SSH會隨EEV2開度的增大而減??；當EEV2開度增大時，雖然室外換熱器的制冷劑流量增大，但通過電磁閥SV1進入壓縮機補氣口的制冷劑流量是減小的，因此當壓縮機吸氣干度較大時，隨著補氣量的減少，可能會導致DSH增大，而隨著SSH降低引起的液壓縮又會導致DSH逐漸減小，所以DSH不會隨EEV2開度變化具有單調性。

因此，EEV2只能采用SSH為目標參數(shù)進行控制。

（3）EEV1、EEV2開度對制熱量、COP的影響

將電子膨脹閥EEV1采用DSH為目標參數(shù)進行控制，將電子膨脹閥EEV2采用SSH為目標參數(shù)進行控制，在表2所示的實驗工況下，對樣機進行制熱量及COP測試分析。在不同DSH、SSH目標控制參數(shù)值的組合下，可以得到系統(tǒng)穩(wěn)定后的對應制熱量和COP數(shù)值，如表3、表4所示。

表3 系統(tǒng)的制熱量（W）

表4 系統(tǒng)COP（W/W）

從表3中可以看出，在所列各條件下的制熱量均能滿足JB/T 13573-2018對名義工況制熱量的要求（實測制熱量不應小于名義制熱量明示值的95%，即大于等于3800 W）。從表4中可以得出系統(tǒng)最優(yōu)COP值為2.38，對應目標DSH值為43℃，對應目標SSH值為0℃。因此本實驗系統(tǒng)在表2所示工況下的最優(yōu)DSH目標控制值為43℃，最優(yōu)SSH目標控制值為0℃。

5 結論

本文以采用閃發(fā)器的中間補氣空氣源熱泵熱風機系統(tǒng)為例進行了實驗研究，研究表明：

（1）對于采用閃發(fā)器的中間補氣空氣源熱泵系統(tǒng)，閃發(fā)器前的電子膨脹閥EEV1優(yōu)先采用DSH為目標參數(shù)、閃發(fā)器后的電子膨脹閥EEV2只能采用SSH為目標參數(shù)進行控制。

（2）被測系統(tǒng)在名義制熱工況下，當DSH目標控制值為43℃，SSH目標控制值為0℃時：系統(tǒng)制熱量為4042 W，可以滿足名義工況制熱量的需求；系統(tǒng)COP為2.38，達到最優(yōu)。

（3）對于其他工況、其他類型的空氣源熱泵系統(tǒng)，也可參照上述方法進行實驗，或基于實驗數(shù)據(jù)建立空氣源熱泵性能分析模型，以獲得任意工作條件下保證制熱量需求的COP最佳控制策略。