地源热泵系统制冷剂充注的实验研究

1、第26卷第6期2008年12月可再生能源RenewableEnergyResources地源热泵系统制冷剂充注的实验研究唐志伟，余琳，张俊巧100022）（北京工业大学环境与能源工程学院传热与节能教育部重点实验室，北京摘要：地源热泵机组制冷剂充注量的多少对机组的能效比影响较大。在建立的地源热泵系统实验台上，对制冷剂R22不同充注量的热泵机组的运行情况进行了测试。从外部水循环侧和内部制冷剂侧对热泵机组运行性能进行测量计算；同时进行了地源热泵系统运行的热力学分析；指出了制冷剂充注量对地源热泵系统运行性能的影响；最终得出了地源热泵机组制冷剂最佳充注量。研究结果为地源热泵系统的高效运行及能源的充分利用

2、提供了理论和应用依据。关键词：地源系统；制冷剂；充注量；能效比中图分类号：TK523文献标志码：A文章编号：1671-5292（2008）06-0072-03ExperimentalstudyontherefrigerantchargingingroundsourceheatpumpsystemTANGZhi-wei，YULin，ZHANGJun-qiao（TheKeyLabofEnhancedTransferandEnergyCinservation,MinistryofEducation,CollegeofEnvironmentandEnergyEngineering,BeijingUni

3、versityofTechnology，Beijing100022，China）Keywords：heatpumpsystem;refrigerants;optimalrefrigerantcharge;energyefficiency0引言热泵系统中的制冷剂是实现热量从低温热源向高温热源转移的关键工质，系统中制冷剂的充注量是否合适将直接影响热泵的性能。地源热泵系统庞大，蒸发温度低，在实验室不易建立实验台，到目前为止，还没有这方面的实验研究。本实验建立了出力（制冷量）为9.94kW的地源热泵系统实验台，进行制冷剂充注的实验研究，得收稿日期：2008-04-09。到了不同制冷剂充注量对地源热泵系

4、统的性能影响。1实验系统介绍地源热泵系统由3个封闭的子循环系统组成：热泵机组循环系统、用户循环子系统和地下换热循环子系统。热泵机组循环系统是实验考察的对象，它由蒸发器、冷凝器、压缩机以及热力膨胀阀组成（图1）。·72·唐志伟，等地源热泵系统制冷剂充注的实验研究系统制冷量G2/kW11112354679.0补水0.81.01.8地下工质充注量W/kg图2图1地源热泵系统实验台系统制冷量与工质充注量的关系Fig.1Thestructureofbenchscaleheappumpcirculatorysystem1-风机盘管机组；2-温度探头；3-流量计；4-过

5、滤器；5-水泵；6-热泵机组；7-储水罐Fig.2Therelationshipbetweenrefrigerantchargingcapacityandrefrigerantchargequantityinthesystem系统制冷量G2先随制冷剂充注量W的增加而增加。当充注量W达到一定值（约1.5kg）时，制冷剂管路系统压力为0.22MPa，制冷量G2达到最大值；此后，当制冷剂充注量W继续增加时，系统的制冷量G2将有所下降。当充注量小于1.5kg时，制冷量下降较快，当充注量偏少20%，供冷量下降5.24%左右；当充注量大于1.5kg时，供冷量下降较慢，当充注量偏多20%，供冷量下降1.13

6、%左右。可以认为，当制冷剂充注到一定量后，再增加充注量，对系统制冷量G2影响不大。2实验与分析考察外部水循环侧和内部制冷剂侧的传热量，当它们与计算结果偏差小于3时，认为实验数据可以采纳。实验数据处理方法满足了ARIStandard320水循环侧和内部制冷剂侧最大计算偏差低于5的要求1。2.1计算公式用户供热量Q1（1）（2）（3）（4）机组性能系数COPQ1=m1Cp（t9-t8）m（h3-h4）地下换热器供热量Q2Q2=m2Cp（t10-t11）m（h7-h6）热泵机组制热性能参数关系热泵机组的性能系数（COP）定义为供冷量G2与压缩机消耗的电功率P的比值，它是评价热泵机组性能的基本参数。实

7、验表明，热泵机组COP=Q1/PQ1=Q2+iPCOP受制冷剂充注量的严重影响（图3）。0.81.01.8式中：m1用户供水循环流量，L/h；m2能源井循环水流量，L/h；m系统中制冷剂的质量流率，%；h3冷凝器入口处制冷剂焓值，kJ/冷凝器出口处制冷剂焓值，kJ/mol；mol；h4蒸发器出口处制冷剂焓值，kJ/mol；h7h6蒸发器入口处制冷剂焓值，kJ/mol；t8冷凝器出口处循环水温度，；t9冷凝器入口循环水温度，；t10蒸发器出口循环水温度，；蒸发器入口循环水温度，；Cp实验工t11况下水的定压定比热，kJ/（kg·压缩机）；P输入功率，kW；i压缩机的指

8、示效率，%。工质充注量W/kg图3机组性能系数与充注量的关系Fig.3Therelationshipbetweentheperformancecoefficientofheatpumpandrefrigerantchargingquantity如图3所示，当制冷剂充注量达到1.4kg时，性能系数达到最大值，此时制冷剂管路系统压力为0.2MPa；当充注量小于1.4kg时，随着偏离程度的增大，COP急剧下降；当充注量大于1.4kg时，随着偏离程度的增大，COP也下降较快。与制冷量随充注量的变化曲线相比，·73·2.2实验结果及分析图2为系统制冷量G2与制冷剂充注量W的关系。可再

9、生能源COP达到最大值时制冷剂最佳充注量略小，而且充注量相对偏多时，COP曲线较制冷量变化曲线下降快，这与ChoiJM和KimYC的实验结果一致2。2008，26（6）增大，Q2的增加量也急剧增大。这是因为充注量偏少的情况下，随着充注量的减少，蒸发器换热量和压缩机输入功率P都减少，所以Q2减少；在最佳充注量附近，蒸发器换热量和压缩机输入功率P都变化得比较缓和，Q2的变化曲线也比较平坦；制冷剂充注量偏多时，虽然蒸发器换热量有所下降，但压缩机输入功率P却急剧增大，导致Q2也急剧增大。关系图4显示了地下换热器出口温度与制冷剂充注量的关系。地下换热器出口温度te/3结语地源热泵系统的运行性能受制冷剂充

10、注量的影响，制冷剂充注量有一个最佳值。在制冷工况时，制冷剂系统启动前保持压力0.22MPa；在制热工况时，制冷剂系统启动前保持压力0.20MPa。0.81.01.8当制冷剂充注量偏少时，对系统的运行性能的影响较大；当制冷剂充注量偏多时，对系统的运行性能的影响较小。参考文献:工质充注量W/kg图4地下换热器出口温度与充注量的关系Fig.4Therelationshipbetweentheexittemperatureofundergroundheat-exchangerandrefrigerantchargingquantity随着制冷剂充注量的增加，地下换热器循环水的出口温度

11、基本保持不变，即使在充注量偏多、压缩机输入功率急剧增大的情况下，地下换热器循环水的出口温度也没有明显上升的趋势，这说明地下换热器配置相对于本系统来说偏大。这样虽然能保证系统的正常运行，但地下换热部分的造价较高，系统的初始费用增加，整体经济性差。1ARIStandard320.Standardforwater-sourceheatpumpS.2CHOIJM,KIMYC.TheeffectsofimproperrefrigerantchargeontheperformanceofaheatpumpwithanelectronicexpansionvaleandcapillarytubeJ.Ener

12、gy,2002,27：391-404.34黄勇超.系统各要素对房间空调器匹配的影响分析J.制冷与空调，2003，3（5）：66-69.DAMASCENOGS,DOMANSKIPA.RefrigerantchargeeffectsonheatpumpperformanceJ.ASHRAETrans图5所示为地下换热器换热量Q2与制冷剂充注量W的关系。11.0地下换热器换热量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.