R410A直膨式太阳能热泵热水器制冷剂分布特性

第30卷第12期农业工程学报V ol.30 No.122014年6月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2014 177 R410A直膨式太阳能热泵热水器制冷剂分布特性孔祥强，杨允国，林 琳，李 瑛（山东科技大学机械电子工程学院，青岛 266590）摘 要：为了研究制冷剂在直膨式太阳能热泵系统中的分布和迁移特性，在建立太阳能集热/蒸发器和冷凝器的均相流动模型、压缩机和电子膨胀阀的集总参数模型和系统制冷剂充注量模型的基础上，编制了以R410A（二氟甲烷和五氟乙烷的混合物）为工质的直膨式太阳能热泵热水器系统性能模拟程序。

将以R22（二氟一氯甲烷）为工质的直膨式太阳能热泵热水系统理论计算值与试验数据进行了对比分析，验证了系统数学模型的可靠性。

在维持太阳能集热/蒸发器出口过热度不变的条件下，模拟分析了水箱水温、系统制冷剂充注量、压缩机转速等运行参数和太阳辐射强度、环境温度等环境参数对系统内部制冷剂分布的影响特性。

模拟结果表明：制冷剂主要存在于冷凝器和太阳能集热/蒸发器内部，占系统制冷剂充注量的70%～90%；运行参数和环境参数的变化对冷凝器和太阳能集热/蒸发器内部的制冷剂分布有很大影响，而对压缩机和管道内部的制冷剂分布影响很小。

研究结论可以为优化系统性能和减少系统制冷剂充注量提供科学依据。

关键词：制冷剂；太阳能；冷凝器；热泵；直膨式；R410A；性能模拟doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.12.022中图分类号：TK11+4 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-12-0177-07孔祥强，杨允国，林 琳，等. R410A直膨式太阳能热泵热水器制冷剂分布特性[J].农业工程学报，2014，30(12)：177－183.Kong Xiangqiang, Yang Yunguo, Lin Lin, et al. Refrigerant distribution characteristics of direct-expansion solar-assisted heat pump water heater with R410A[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(12): 177－183. (in Chinese with English abstract)0 引 言太阳能热泵有机结合了太阳能热利用技术和热泵技术，用于供暖和制取生活热水，是实现建筑节能和可再生能源利用的有效技术之一[1-4]。

当前热泵系统广泛使用R22（二氟一氯甲烷）作为工质[5-8]，它属于HCFCs（含氢氯氟烃）类制冷剂，对臭氧层有破坏性，而混合制冷剂R410A（二氟甲烷和五氟乙烷的混合物）的臭氧衰减指数为0，并且具有较小的温度滑移、较高的单位容积制冷量、良好的流动和传热特性等特点，成为R22的理想替代物[9-13]。

谌学先等对热泵系统与太阳能热水器的匹配和供热工况的能量互补、运行稳定性等方面进行了研究[14]。

黄东等模拟分析了热泵系统蒸发器采用R410A与R22时支路数对换热器性能的影响，认为蒸发器使用R410A的换热量更大[15]。

郭宪民等对结霜工况下的R410A热泵空调器工作过程进行了数值研究[16]。

翁文兵等对R410A风冷热泵冷热水收稿日期：2013-11-04 修订日期：2014-05-30基金项目：山东省高等学校科技计划资助项目（J11LD63）；山东省泰山学者建设工程专项经费资助项目作者简介：孔祥强（1976－），男，山东曲阜市人，副教授，博士，主要从事建筑节能技术等研究。

青岛山东科技大学机械电子工程学院，266590。

Email：kxqiangly@ 机组变出水温度工况的制热性能进行了试验研究，获得了各特性参数随出水温度变化的规律[17]。

Palmitera等通过试验分析了制冷剂充注量对以R410A为工质的空气源热泵机组运行性能的影响[18]。

陈剑波等对R410A水源热泵机组进行了试验研究，获得了机组变进水温度运行特性[19]。

Larry 等对工质为R410A的小型热泵空调机组进行了研究，揭示了制冷剂充注量对机组热性能的影响特性[20]。

热泵系统的制冷剂分布和迁移特性对于改善系统性能、实现系统优化和减少制冷剂充注量等具有非常重要的影响[21-22]。

利用试验方法研究制冷剂分布和迁移特性是最为有效的方法，但由于试验研究较为困难，因此通常采用分布参数法的稳态仿真进行研究[23]。

但截至目前，直膨式太阳能热泵系统制冷剂分布特性的研究较少。

鉴于此，本文建立以R410A为工质的直膨式太阳能热泵热水器系统的数学模型，模拟分析系统稳态运行时主要部件内部制冷剂分布特性，并研究运行参数和环境参数对制冷剂分布的影响特性。

1 系统组成直膨式太阳能热泵热水器结构如图1所示，主要包括太阳能集热/蒸发器（下文简称集热器）、压农业工程学报 2014年178缩机、冷凝器（蓄热水箱）和电子膨胀阀等。

图1 R410A 直膨式太阳能热泵热水器示意图Fig.1 Schematic diagram of direct-expansion solar-assisted heat pump water heater (DX-SAHPWH) using R410AR410A 作为系统工质在集热器内吸收来自太阳辐射和环境空气中的热量，以过热气体状态进入压缩机进一步提升压力和温度后，在冷凝器内将热量释放给蓄热水箱中的水，而后经电子膨胀阀节流降压后返回集热器。

2 数学模型的建立采用分布参数法建立集热器和冷凝器（蓄热水箱）的均相流动数学模型，采用集总参数法建立压缩机和电子膨胀阀数学模型，将各部件模型与制冷剂充注量模型有机结合，形成整个系统数学模型。

2.1 集热器模型对集热器的2相区和过热区分别建立分布参数数学模型，沿制冷剂流动方向按等焓差将集热器管段划分若干微元，并以集热管长为迭代判据进行求解。

制冷剂侧流动换热方程：,,()()r r r o r i i i p rm Q m h h A T T α=−=− （1） 式中：Q r 为制冷剂吸热量，W ；m r 为制冷剂质量流量，kg/s ；h r ,o 、h r ,i 分别为制冷剂出、进口比焓值，J/kg ；αi 为制冷剂侧表面传热系数，W/(m 2·K)；A i 为集热管内表面积，m 2；T p 为集热管内壁温度，K ；T rm 为制冷剂进口温度和出口温度的平均值，K 。

集热器有效得热量可由下式计算：[()]s s L rm a Q A F S U T T ′=−− （2）集热管内外平衡方程：s r Q Q = （3） 式中：Q s 为集热器有效得热量，W ；A s 为集热器有效集热面积，m 2；F'为集热器集热效率因子；S 为集热器吸收与发射辐射量之差，S =αI −εq 0，W/m 2，其中α为集热器吸收率，I 为太阳辐射强度，W/m 2，ε为集热器发射率，q 0为环境温度下单位面积黑体辐射与天空辐射之差[24]，W/m 2，U L 为集热器的总热损失系数，U L =h w +4εσT 3a ，W/(m 2·K)，其中h w 为集热板与环境之间的对流换热系数，W/(m 2·K)，σ为斯忒蕃－波尔兹曼常数[24-26]；T a 为环境温度，K 。

2.2 冷凝器（蓄热水箱）模型冷凝器内制冷剂一般存在3种状态：过热、2相和过冷。

与集热器相似，沿制冷剂流动方向等焓划分冷凝管为若干微元进行求解。

制冷剂侧流动换热方程同式（1）。

水侧换热方程可由下式计算：d d w w w pw TQ M c τ= （4）换热盘管内外热平衡方程为：w r Q Q ζ= （5）式中：Q w 为热水加热功率，W ；M w 为水箱蓄水总质量，kg ；c pw 为水的定压比热，取值4.18 kJ/(kg·K)；T w 为水温，K ；τ为加热时间，s ；ζ为水箱漏热系数，取值0.95。

2.3 压缩机模型模型采用R410A 小型滚动转子式压缩机。

压缩机制冷剂质量流量为：suc60dr N V m v ϕ= （6）压缩机输入电功率为：suc com com 11e c r e p v p W m p κκηκ⎡⎤⎛⎞⎢⎥=−⎜⎟⎢⎥−⎝⎠⎢⎥⎣⎦-1（7） 式中：N 为压缩机转速，r/min ；v suc 为压缩机吸气比容，m 3/kg ；φ为压缩机输气系数，依据厂家提供数据取值0.91；V d 为压缩机理论排气量，m 3/r ；W com 为压缩机输入电功率，W ；p e 、p c 分别为蒸发压力和冷凝压力，Pa ；ηcom 为压缩机的总效率，依据厂家提供数据取值0.75；κ为压缩过程多变指数，取值1.23[27]。

2.4 电子膨胀阀模型制冷剂在电子膨胀阀的进、出口焓值相等，这也是系统模型收敛的重要判据之一，即：,,e i e o h h = （8）式中：h e ,i 、h e ,o 分别为电子膨胀阀进、出口焓值，J/kg 。

2.5 制冷剂充注量模型制冷剂在系统各部件中呈单相或2相状态，分别计算各部件中单相和2相区的制冷剂质量，相加即为系统总充注量[28]。

计算2相区制冷剂质量的关键在于如何计算2相区空泡系数，对于制冷剂为R410A 的空调器热泵工况，空泡系数宜采用Premoli修正模型计算[29]。

第12期 孔祥强等： R410A 直膨式太阳能热泵热水器制冷剂分布特性 179空泡系数与干度都是衡量2相区制冷剂混合状态的参数，两者存在如下关系：111(1)g l sx γρρ=+− （9）式中：γ为2相区制冷剂空泡系数；ρl 、ρg 为饱和液相和气相制冷剂密度；m 3/kg ；x 为2相制冷剂干度；s 为气相与液相之间的滑动比[29]。

2相区充注量计算公式如下：TP 0,,1[(1)]d [(1)]Vg l nj g j j l j jj M V V γργργργρ==+−=+−∫∑ （10）式中：M TP 为2相区充注量，kg ；V 为制冷剂体积，m 3 ；j 为第j 个微元；n 为微元数目。

单相区充注量计算公式如下：SP SP SP,01d nVj j j M V V ρρ===∑∫ （11）式中：M SP 为单相区充注量，kg ；ρSP 为单相制冷剂密度，kg/m 3。

系统制冷剂充注量可由下式计算：com con col pip M M M M M =+++ （12） 式中：M 为系统制冷剂充注量，kg ；M com 、M con 、M col 、M pip 分别为压缩机、冷凝器、集热器与管道内部的制冷剂质量，kg [30]。