空气源热泵制冷剂充注量的实验和计算研究
文字的演变
李东哲1, 2陈卫星1, 2潘翠连1, 2周绍华1, 2左计学1, 2
1.海信家电集团股份有限公司山东青岛 266100；
2.青岛海信日立空调系统有限公司山东青岛 266510
摘要：由于换热器形式不同，分体式空气源热泵产品存在室外机换热器容积大于室内机换热器容积的现象，若采用常规的制冷使用室内机节流、制热采用室外机节流方式，则会出现制冷剂充注量无法兼顾的情况。在系统中不增加其他制冷剂储液器的情况下，通过调整联机配
管尺寸，并且在制冷时同样使用室外机节流的方式，可解决此问题。实验中使用了8 kW机型，应用R32制冷剂，通过实验和计算，得到室内机和室外机中最优制冷剂充注量总和，计算联机配管中制冷剂充注量与联机配管长度的关系，最终得到最优联机配管长度和最优制冷剂充注
量。最后通过实验验证，确定了使用此计算方式得到可以兼顾制冷、制热的制冷剂充注量的可行性。
关键词：空气源热泵；节流方式；联机配管；最优充注量
Rearch on experiment and calculation of refrigerant charging
amount of air-source heat pump
LI Dongzhe1, 2 CHEN Weixing1, 2 PAN Cuilian1, 2 ZHOU Shaohua1, 2 ZUO Jixue1, 2
1. Hin Home Appliance Group Co., Ltd. Qingdao 266100;
2. Qingdao Hin Hitachi Air-conditioning System Co., Ltd. Qingdao 266510
Abstract: Due to the difference of heat exchanger in split air-source heat punp, it is difficult to give consideration to refrigerant charging amount of both cooling throttling by indoor unit and heating throttling by outdoor unit. This problem can be solved by adjusting the size of piping connection between indoor unit and outdoor unit, and throttling by outdoor unit in both cooling and heating conditions, without adding other refrigerant receivers. According to the experiment and calculation of 8kW unit using R32, the optimal refrigerant amount in indoor unit and outdoor unit can be obtained. Then the correlation between the refrigerant amount in piping connection and length of piping connection were carried out, and optimal refrigerant charging amount can be determined. Finally, the optimal piping connection and refrigerant charging amount were verified by experiment, which were suitable for both cooling and heating.
拼写英语怎么说
Keywords: Air-source heat pump; Throttle method; Piping connection; Optimal charging amount
中图分类号：TB6
DOI:10.19784/jki.issn1672-0172.2020.99.005
1 引言
近年来，环保的概念日益深入人心，清洁、高效地能源利用受到人们的广泛关注，开发出高效、节能、环保的制冷系统成为制冷行业的重要目标。其中，制冷剂充注量对于制冷系统的影响较大，充注量不足，会使压缩机吸气温度过高，过热度过大，排气温度过高[1]；充注量过多，会导致排气压力过高，可能对系统造成破坏[2]。针对最优制冷剂充注量的研究，国内外学者和企业单位均进行了大量研究。王海峰等人依据COP最优原则，确定了多功能空调热水器在夏天单独制冷和制冷兼制热两种模式下制冷剂的最佳充注量[3]。Jung H C等研究了不同制冷剂充注量下，复叠热泵的耗功和蒸发压力、冷凝压力之间的关系[4]。刘明康等人对电动汽车热泵空调系统制冷剂充注量进行了计算及实验研究，结果显示制冷与制热的最佳制冷剂充注量略有不同[5]。张忠斌等人研究了微通道换热器的制冷剂充注量，制冷量和能效比呈现出先增大后减小的趋势[6]。章伟等人对电动汽
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车热泵空调的制冷剂充注量进行了研究，结果表明制冷剂充注量对制热性能的影响更大[7]。
本文的空气源热泵热水器使用R32制冷剂，外机为单风扇侧出风，使用翅片管式换热器，内机换热器使用板式换热器，联机形式为“一拖一”形式。由于室内机板换的内容积远小于室外机翅片管式换热器，而因R32的特殊性，系统内无储液罐，故制冷与制热所需制冷剂充注量在一定程度下会出现无法兼顾的情况。即如果达到制热能效的最佳制冷剂充注量，制冷能效较低；如果达到制冷能效较高的最佳制冷剂充注量，则制热能效较低。本文研究主要内容是通过实验和理论计算的方式，确定系统最优的制冷剂充注量以及最优联机方案，解决了制冷、制热制冷剂充注量无法兼顾的问题。
2 理论循环的建立
首先需要建立基本的理论循环，机组额定制热能力为8 kW，目标COP为4.9，额定制冷能力为6 kW，目标EER为3.6。对于该机组，根据设计经验以及初步计算，可大致确定系统的制冷剂充注量，而后在此充注量下进行摸底实验，可适当充、放制冷剂，调整机组的能力和能效达到目标值（可允许偏差±5%）。
2.1 初步摸底实验结果
定义室外环境温度35℃，进出水温度为12/7℃为标准制冷工况（A35W7），定义室外环境温度7/6℃，
进出水温度为30/35℃为标准制热工况（A7W35），机组进行了室内机节流、室外机节流、使用尺寸更大的气/液管尺寸等实验，实验数据汇总见表1。表中可以看出，充注1.3 kg制冷剂，标准制冷时使用室内机节流，可以达到目标能效的95%以上，但标准制热的能效却无法满足要求；将制冷剂充注量调整为1.15 kg后，标准制热可以满足目标能效要求，但标准制冷使用室内机节流的能效明显降低，无法满足要求。1.15 kg制冷剂充注量下，标准制冷工况调整为室外机节流后，标准制冷的能效有所提升，更换为管径更大的气、液管后，室外机节流的能效有更多的提升。
表1 实验结果汇总表
标准制冷（A35W7）
标准制热（A7W35）
R32制冷剂充注量kg 1.3 1.15 1.15 1.15 1.30 1.15气管尺寸mm12.712.712.715.8812.715.88液管尺寸mm 6.35 6.35 6.359.53 6.359.53节流方式
W：外机节流
小奶牛N：内机节流
—
春草香N N W W W W 实测能力比率%97.8395.1797.00103.6799.8099.63实测能效比率%98.8982.5088.3393.8990.8296.73 2.2 理论循环建立
该理论循环为基本的制冷循环，p-h图如下。其中，根据可达到目标能力能效的测试数据，设定如下理论循环的基本参数，以保证理论循环的能力能效更接近实际运行
。
图1 p-h循环图
根据实验数据确定制热设定参数如下，循环图中各点参数如表2所示：
（1）控制吸气过热度为0 K；
（2）由于排气后会有较长管路才可进入板换，因热量损失而造成的温度降低设定为8 K，排气温度设定为68℃；
（3）由于逆流换热，板换出口制冷剂温度会尽可能接近进水温度，且高于进水温度，故设定过冷度为5 K；
（4）根据实验运行的经验数据，取冷凝温度为36.5℃，蒸发温度为0.5℃。
表2 制热各点参数
点描述压力/MPa温度/℃密度/kg•m-3焓/kJ•kg-1 1压机吸气0.830.522.448515.39艰苦造句
2压机排气 2.276851.472560.97
3板换入口 2.276054.126550.41
4高压饱和液 2.2736.5910.01268.36
5板换出口 2.2731.5935.09258.12
6蒸发器入口0.830.5112.56258.12制冷设定参数如下，循环图中各点参数如表3所示：
（1）由于板换内为顺流换热，保证板换内的温度恒定，控制板换出口为饱和气态，可让机组达到更高的性能，故设定吸气过热度为0 K；
（2）排气温度设定为80℃，设定过冷度为5 K；
（3）根据实验运行的经验数据，取冷凝温度为43.5℃，蒸发温度为4.5℃。
表3 制冷各点参数
点描述压力/MPa温度/℃密度/kg•m-3焓/kJ•kg-1 a压机吸气0.94 4.525.488516.04
七下英语单词
b压机排气 2.708059.599568.55
c高压饱和液 2.7043.5875.21283.05
d冷凝器出口 2.7038.5903.39272.19
员工活动方案e板换入口0.94 4.5111.78272.19
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3 最佳制冷剂充注量计算
理论循环已经确定，可认为系统运行时在室内机和室外机中所存制冷剂的质量基本固定不变，但节流方式的不同，会导致联机配管中存储的制冷剂量有所差异，导致系统内制冷和制热所需制冷剂充注量有一些差别。下面针对标准制冷工况下室内机节流和室外机节流的制冷剂充注量进行详细计算，与标准制热工况采用室外机节流的方式进行对比，确定最优的联机配管管径、长度、最优的制冷剂充注量。制冷剂充注量的计算方式参考文献[8]。
3.1 制冷-室内机节流
在标准制冷工况下，根据已有数据，室内机节流制冷剂充注量
为1300 g 下系统能效可以达到目标值。此情况下联机配管为气/液管φ12.7/φ6.35 mm ，壁厚为1.0/0.7 mm ，长度为5 m ，联机配管中的制冷剂质量S Cw 可由下式确定。
其中：d 1/d 2为气/液管尺寸；δ1/δ2为气/液管壁厚，
L 为联机配管长度，ρ为理论循环图中确定的密度。由此得出制冷时室内机和室外机中最优制冷剂总和S Copt 为1202 g 。
3.2 制热-室外机节流
在标准制热工况下，根据已有数据，室外机节流制冷剂充注量
为1150 g 下系统能效可以达到目标值。此情况下联机配管为气/液管φ15.88/φ9.53 mm ，壁厚为1.0/0.8 mm ，长度为5 m ，联机配管中的制冷剂质量S H 可由下式确定。
其中：d 1/d 2为气/液管尺寸；δ1/δ2为气/液管壁厚，
L 为联机配管长度，ρ为理论循环图中确定的密度。由此得出制热时室内机和室外机中最优制冷剂总和S Hopt 为879g 。
3.3 最优联机配管长度计算
根据理论循环，对于制冷-室内机节流、制冷-室外机节流、制
热-室外机节流，三种运行方式联机配管中的制冷剂状态，可简单叙述如下：
根据实验结果，联机气、液管为φ15.88/φ9.53 mm 可使机组在制冷、制热时均接近目标值，故在计算时采用此管径的联机配管。设管长为L ，可列出各种运行模式和节流方式下联机配管中制冷剂质量S 关于管长L 的方程，同样如下所示。
（1）制冷-室内机节流：气管为饱和低压气态，液管为过冷高压液态；
（2）制冷-室外机节流：气管为饱和低压气态，液管为低压两
相态；
（3）制热-室外机节流：气管为高压过热气态，液管为高压过冷液态。
以上各式中：
d 为管外径，δ为壁厚，ρ为特定点密度。根据以上各式可以看出，（1）与（3）搭配制冷与制热运行时联机配管中的制冷剂质量相差较小，（2）与（3）搭配制冷与制热运行时联机配管中的制冷剂质量相差较大。制冷时室外机换热器为冷凝器，大部分制冷剂会存在室外机换热器中；而制热时室内机换热器为冷凝器，大部分制冷剂则会存在室内机换热器中。由于室内换热器与室外换热器容积的差别，可以知道制冷时室内机和室外机中的制冷剂量会大于制热时。因此考虑使用制冷-室外机节流和制热-室外机节流的运行方式搭配，以平衡制冷和制热时室内机与室外机所
需制冷剂量的差异。
根据已经得到的S Copt 、S Hopt ，上述关系式中的S Cw 、S H ，可以列出如下方程，计算最优联机配管长度。
S Copt +S Cw =S Hopt +S H
计算后联机配管长度最优值L opt 为7.21 m ，最优总制冷剂充注量S 为1269 g 。
4 实验数据与理论计算对比
根据以上计算，配管长度四舍五入，使用计算后得出的最优联机配管（气/液管φ15.88/φ9.53 mm ，壁厚1.0 mm/0.8 mm ，长度7 m ），
制冷剂充注量1260 g （联机配管比计算舍掉0.21 m ，故制冷剂充注量同样略少9 g ），进行验证实验。在达到目标能力的前提下，采用计算的最优联机方案下制冷、制热的实验数据与摸底实验的最优数据对比如图2
所示。
图2实验数据与理论计算对比
图2可以看出，在未优化联机配管前，制热a能效达标但制冷a能效不达标，制冷b能效达标但制热b能效不达标。在联机配管和制冷剂充注量优化后，制冷c和制热c能效均可以达到目标的95%以上，故可以看出优化联机配管和制冷剂充注量后，对机组能效的改善异常明显。
5 结论
本文针对R32空气源热泵制冷、制热制冷剂充注量无法兼顾的问题，在系统中不增加其他可储存制冷剂的容器的情况下，通过调整联机配管，并且使用室外机节流的方式，解决了此问题。实验中使用了8 kW机型，研究了不同节流方式、不同联机配管、不同制冷剂充注量对系统性能的影响。通过对联机配管中的制冷剂质量进行计算，得到最优的室内机和室外机中制冷剂总和，再根据联机配管的管径得到联机配管长度与管内制冷剂质量之间的关系，最终得到了最优的联机气/液管为φ15.88/φ9.53 mm，最优联机配管长度为7.21 m，最优制冷剂充注量为1269 g。通过进一步地实验验证，此联机配管和制冷剂充注量可同时满足制冷、制热的能力、能效要求，验证了本文中通过计算与实验结合的方式确定制冷剂充注量与联机配管长度方式的可行性。
参考文献
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[5] 刘明康, 苏林, 李康, 方奕栋, 于荣, 余军. 某电动汽车热泵空调系统制冷剂充注量实验研究[J]. 流体机械, 2020,48(5): 82-88.
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表4 实验数据校核明细
运行模式联机配管尺寸制冷剂充注量节流方式制冷aφ12.7/φ6.35 mm，5 m 1.30 kg室内机制冷bφ15.88/φ9.53 mm，5 m 1.15 kg室外机制冷cφ15.88/φ9.53 mm，7 m 1.26 kg室外机制热aφ12.7/φ6.35 mm，5 m 1.30 kg室外机制热bφ15.88/φ9.53 mm，5 m 1.15 kg室外机制热cφ15.88/φ9.53 mm，7 m 1.26 kg室外机
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