R410A水源热泵空调机组变进水温度运行特性分析

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FLUID MACHINERY
Vol. 39，No. 3，2011
图 1 试验样机性能测系统
化较缓慢，输入功率随进水温度的升高而升高变 化较快，当进水温度为 36℃ 时，制冷量为名义工 况的 83% ，输入功率为名义工况的 121% 。
图 2 R410a 水源热泵空调机组原理
4 试验结果及分析
摘 要: 对以 R410A 为制冷剂的水源热泵空调机组进行了变进水温度运行的试验研究。制冷工况进水温度为 21 ～
36℃ 的范围内，制热工况在进水温度在 6 － 21℃ 的范围内，进行了机组制冷量、制热量、输入功率、EER / COP、吸气和排气
压力、压比、吸气和排气温度等特性随进水温度变化的测试，分析了 R410A 机组在变进水温度下制冷和制热运行的特
陈九法 等 分 析 了 R22 的 替 代 物 R410A 和 R407C 的特性，较两者在传热性能、性能系数和蒸 汽压力等方面的特征差异，为替代制冷剂的选择 提供了依据［5］。
郭宪明等运用准稳态假设建立了 R410A 热 泵空调器结霜工况下工作过程的动态数学模型， 编制了计算程序进行数值计算，并分析了各种因 素对结霜工况下热泵空调器性能的影响［6］。
年以前淘汰 HCFCs。随着各国禁用期的提前，届 时我国也会提前 R22 的禁用期。
环 保 制 冷 剂 R410a 是 由 R32、R125 ( 50 / 50Wt% ) 组成的二元近共沸混合工质，其 ODP = 0，GWP = 0． 29，均优于 R22 ( ODP = 0． 04 ～ 0． 06， GWP = 0． 32 ～ 0． 37) ，而且比 R22 有着更好的传 热特性和流动特性，R410A 已成为 R22 的主要替 代工质之一。国内外对 R410a 的研究应用已经
图 2 示出试验样机系统流程，样机系统主要 由旋转式 压 缩 机、四 通 换 向 阀、水 侧 换 热 器、节 流 机 构 、风 侧 换 热 器 、气 液 分 离 器 等 制 冷 元 件 组 成。样机的基本参数: 额定制热功率 2300W，额 定制热量 7000W; 额定制冷功率 1800W，额定制 冷量 7000W。为 全 面 掌 握 被 试 机 组 的 运 行 特 征，沿系统流程布置了 8 个温度测点和 2 个压力 测点，不仅 可 以 反 映 制 热 量、输 入 功 率、COP 等 机组运行 的 宏 观 特 征 参 数，还 可 以 反 映 吸 排 气 压力、吸排 气 温 度 等 机 组 运 行 的 内 部 微 观 特 征 参数。
文献标识码: A
doi: 10． 3969 / j． issn． 1005 － 0329． 2011． 03． 012
Performance Analysis of Water-source Heat Pump Air Conditioning Unites with Refrigerant R410A at Varied Inlet-water Temperature
式( 1) 、( 2) 、( 3) 和( 4) 分别是根据试验数据 合的制热量，制热输入功率，制冷量，制冷输入功 率值随进水温度变化的表达式为:
Q热 / Q名义热 = － 0． 0006t2 + 0． 0291t + 0． 7085 ( 1)
P热 / P名义热 = － 0． 0001t2 + 0． 0075t + 0． 9116 ( 2)
1 引言
根据《蒙特利尔议定书》规定，发达国家 2020 年后禁止使用 HCHC 制冷剂，发展中国家于其后 的十年禁用［1］。在德国，任何空调器已不允许使 用 R22。美日等发达国家也纷纷将禁用期提前至 2005 ～ 2010 年。1993 年中国国务院批准的《中国 消耗臭氧层物质的逐步淘汰国家方案》规定 2040
但是很少有人在 R410A 在水源热泵空调机 组中变进水温度对机组性能的影响进行分析，而 掌握变进水温度对水源热泵机组的工作性能影响 是进行水源热泵机组设计与应用的重要基础。为 全面地掌握 R410A 机组在变进水温度下运行的 特性，本文通过 R410A 为工质的结构紧凑的水源 热泵空调机组的实验样机，对制热 21 ～ 36℃ ，制 冷 6 ～ 21℃ 的变进水温度下机组运行状态的全面 的试验研究，得到了以实验样机的制热量 / 制冷 量、输入功率、COP / EER、压比、吸气和排气温度、 吸气和排气压力随进水温度变化的特性，并在此 基础上进行了相应的分析，为以 R410A 为工质的 机组设计及工程应用提供有实用价值的参考数据 与建议。
出约 40% 。以往的试验数据表明 R410A 在光滑 管内蒸发流动压降比 R22 小 30% ，R410A 的等熵 压 缩 压 缩 效 率 和 输 气 效 率 比 R22 高 5% 左 右［7 ～ 9］。因此，R410A 系统的压缩机排气量小，工 质的循环流量小，换热器、管道、控制元件的尺寸 等则要比 R22 系统的小，而显然 R410A 比 R22 更 适用于冷凝温度较低( 如水冷) 、设备结构紧凑的 小型机组。
国内刘建、丁国良通过建立分布参数模型，研 究了以 R410A 为工质的空调换热器在不同运行 工况下的换热性能． 得出 R410A 在采用小管径强 化管后，其换热器性能提高 8． 05% ～ 16． 3%［3］。
张萍、陈光明通过建立实际循环的稳态模型 和实验验证对以 R410A 和 R22 为制冷剂的系统 作出了 20 种不同工况的比较，得出了 R410A 系 统及 R22 系统性能的差异［4］。
CHEN Jian-bo，MIN Kuang-wei，PAN Ji-miao，XI Ling
( University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)
Abstract: The performance of a R410A water-source heat-pump was studied experimentally with varied inlet-water temperature． Heating capacity，cooling capacity，power input，EER / COP，discharge pressure，suction pressure，pressure ratio，discharge temperature，suction temperature，condensing temperature and evaporating temperature were measured in the heating conditions inlet-water temperature of 21℃ ～ 36℃ and cooling conditions inlet-water temperature of 6℃ ～ 21℃ ． The performance of watersource heat pump at varied inlet-water temperature was analyzed，which provides an important experimental reference to the design and application of units with refrigerant R410A． Key words: R410A; water-source heat pump; varied inlet-water temperature
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文章编号: 1005 － 0329( 2011) 03 － 0052 － 06
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制冷空调
Vol. 39，No. 3，2011
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R410A 水源热泵空调机组变进水温度 运行特性分析
陈剑波，闵矿伟，潘际淼，席 令
( 上海理工大学，上海 200093)
2 R410A 与 R22 的热力特性对比
R410A 与 R22 相比有着显著优势热传递与 流动特性，其热物性对比如表 1 所示。
从热力学工程图来进行分析比较，在蒸发温 度 － 40℃ ～ 10℃ 的范围内，R410A 的蒸气密度比 R22 高 43% ，汽化潜热比 R22 高 11% ，运行压力 比 R22 高出约 60% ，单位容积制冷量则比 R22 高
表 1 R410A 与 R22 的热物性
物性参数
R22
R410A
相对分子质量
86． 5
72． 6
沸点( ℃ )
－ 40． 8
－ 52． 7
25℃ 蒸气压力( MPa)
1． 04
1． 65
25℃ 饱和液体密度( kg / m3 ) 1194 25℃ 饱和蒸气密度( kg / m3 ) 44． 4
1064 64． 5
图ห้องสมุดไป่ตู้3 示出制热量、制冷量和输入功率相对于 名义工 况 ( 制 冷 工 况 进 水 24℃ ，制 热 工 况 进 水 15℃ ) 下的百分比随进水温度的变化。由图可知 在制热工况下，制热量随进水温度的升高而升高 且变化较快，输入功率随进水温度的升高而增大 变化较为缓慢，当进水温度为 6℃ 时，制热量为名 义工况的 86% ，输入功率为名义工况的 95% ; 制 冷工况下，制冷量随进水温度的升高而降低且变
性，实验研究结果表明在目前极力推广使用的地源热泵空调机组( 水源热泵空调机组的一种) 中，如果地源埋管系统设
计不合理，不仅不节能而且更耗能，且在制冷运行时更为明显。本文为 R410A 水源热泵空调机组的设计与工程应用提
供了试验参考依据。
关键词: R410A; 水源热泵; 变进水温度
中图分类号: TQ051． 5
临界温度( ℃ )
96． 1
72． 5
临界压力( MPa)
4． 98
4． 95
温度滑移( ℃ )
0
0． 1
毒性
低
低
可燃性
无
无
3 试验系统及样机
图 1 示出试验样机的测试系统，恒温水箱以 及相应的流量控制系统保证系统的恒温进水和定 流量控制。环境间模拟夏季室内 27 /19． 5℃ ，冬 季 20 /15℃ 的环境工况，测试系统的温湿度及水 温控制 精 度 达 到 GB / T 19409 － 2003 规 定 的 要 求［10］。
Q冷 / Q名义冷 = － 0． 0002t2 + 0． 0003t + 1． 1477 ( 3)
P冷 / P名义冷 = 0． 00009t2 + 0． 0127t + 0． 6485 ( 4)
4． 2 COP 和 EER 随进水温度的变化 图 4 示出该机组能效比 COP / EER 值相对名
( 1) 制热工况
( 2) 制冷工况 图 3 制热量、制冷量和输入功率相对值随进水温度
的变化
这充分说明目前极力推广使用的环保节能地
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流体机械
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源热泵空调机组( 水源热泵空调机组的一种) 对 于埋管技术的重要性，如果地源埋管系统设计不 合理，在制冷时放出的热量得不到有效储存，进水 温度不断升高，制冷量迅速下降，功耗急剧增加。 在制热时不能有效地吸收热量，进水温度下降，功 耗降低不多，而制热量明显下降。
试验制冷工况为室内环境 ( 27℃ /19． 5℃ ) ， 进水温度 ( 21℃ 、24℃ 、27℃ 、30℃ 、33℃ 、36℃ ) 6 个 工 况 进 行。 制 热 工 况 为 室 内 环 境 ( 20℃ / 15℃ ) ，进 水 温 度 ( 6℃ 、9℃ 、12℃ 、15℃ 、18℃ 、 21℃ ) 6 个工况进行。当进水温度达到设定要求 且机组运行稳定后，开始记录测试数据，对于每一 个测试工况，共记录 7 组数据，并取其平均值为测 试结果。 4． 1 制热量、制冷量和输入功率随进水温度的变 化
收稿日期: 2010 － 09 － 14 修稿日期: 2010 － 10 － 26
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很多，Payne 等测试了当室外温度在 27． 8 ～ 54． 4 范围内变化时 R22 和 R410A 空调系统的性能，结 果表明，两种不同制冷剂系统的制冷量和效率均 随环境温度的增加而呈现降低趋势，而 R410A 系 统性能的影响更大［2］。