1、第26卷第6期2008年12月可再生能源RenewableEnergyResources地源熱泵系統制冷劑充注的實驗研究唐志偉，余琳，張俊巧100022）（北京工業大學環境與能源工程學院傳熱與節能教育部重點實驗室，北京摘要：地源熱泵機組制冷劑充注量的多少對機組的能效比影響較大。在建立的地源熱泵系統實驗臺上，對制冷劑R22不同充注量的熱泵機組的運行情況進行了測試。從外部水循環側和內部制冷劑側對熱泵機組運行性能進行測量計算；同時進行了地源熱泵系統運行的熱力學分析；指出了制冷劑充注量對地源熱泵系統運行性能的影響；最終得出了地源熱泵機組制冷劑最佳充注量。研究結果為地源熱泵系統的高效運行及能源的充分利用

2、提供了理論和應用依據。關鍵詞：地源系統；制冷劑；充注量；能效比中圖分類號：TK523文獻標志碼：A文章編號：1671-5292（2008）06-0072-03ExperimentalstudyontherefrigerantchargingingroundsourceheatpumpsystemTANGZhi-wei，YULin，ZHANGJun-qiao（TheKeyLabofEnhancedTransferandEnergyCinservation,MinistryofEducation,CollegeofEnvironmentandEnergyEngineering,BeijingUni

3、versityofTechnology，Beijing100022，China）Keywords：heatpumpsystem;refrigerants;optimalrefrigerantcharge;energyefficiency0引言熱泵系統中的制冷劑是實現熱量從低溫熱源向高溫熱源轉移的關鍵工質，系統中制冷劑的充注量是否合適將直接影響熱泵的性能。地源熱泵系統龐大，蒸發溫度低，在實驗室不易建立實驗臺，到目前為止，還沒有這方面的實驗研究。本實驗建立了出力（制冷量）為9.94kW的地源熱泵系統實驗臺，進行制冷劑充注的實驗研究，得收稿日期：2008-04-09。到了不同制冷劑充注量對地源熱泵系

4、統的性能影響。1實驗系統介紹地源熱泵系統由3個封閉的子循環系統組成：熱泵機組循環系統、用戶循環子系統和地下換熱循環子系統。熱泵機組循環系統是實驗考察的對象，它由蒸發器、冷凝器、壓縮機以及熱力膨脹閥組成（圖1）。·72·唐志偉，等地源熱泵系統制冷劑充注的實驗研究系統制冷量G2/kW11112354679.0補水0.81.01.8地下工質充注量W/kg圖2圖1地源熱泵系統實驗臺系統制冷量與工質充注量的關系Fig.1Thestructureofbenchscaleheappumpcirculatorysystem1-風機盤管機組；2-溫度探頭；3-流量計；4-過

5、濾器；5-水泵；6-熱泵機組；7-儲水罐Fig.2Therelationshipbetweenrefrigerantchargingcapacityandrefrigerantchargequantityinthesystem系統制冷量G2先隨制冷劑充注量W的增加而增加。當充注量W達到一定值（約1.5kg）時，制冷劑管路系統壓力為0.22MPa，制冷量G2達到最大值；此后，當制冷劑充注量W繼續增加時，系統的制冷量G2將有所下降。當充注量小于1.5kg時，制冷量下降較快，當充注量偏少20%，供冷量下降5.24%左右；當充注量大于1.5kg時，供冷量下降較慢，當充注量偏多20%，供冷量下降1.13

6、%左右。可以認為，當制冷劑充注到一定量后，再增加充注量，對系統制冷量G2影響不大。2實驗與分析考察外部水循環側和內部制冷劑側的傳熱量，當它們與計算結果偏差小于3時，認為實驗數據可以采納。實驗數據處理方法滿足了ARIStandard320水循環側和內部制冷劑側最大計算偏差低于5的要求1。2.1計算公式用戶供熱量Q1（1）（2）（3）（4）機組性能系數COPQ1=m1Cp（t9-t8）m（h3-h4）地下換熱器供熱量Q2Q2=m2Cp（t10-t11）m（h7-h6）熱泵機組制熱性能參數關系熱泵機組的性能系數（COP）定義為供冷量G2與壓縮機消耗的電功率P的比值，它是評價熱泵機組性能的基本參數。實

7、驗表明，熱泵機組COP=Q1/PQ1=Q2+iPCOP受制冷劑充注量的嚴重影響（圖3）。0.81.01.8式中：m1用戶供水循環流量，L/h；m2能源井循環水流量，L/h；m系統中制冷劑的質量流率，%；h3冷凝器入口處制冷劑焓值，kJ/冷凝器出口處制冷劑焓值，kJ/mol；mol；h4蒸發器出口處制冷劑焓值，kJ/mol；h7h6蒸發器入口處制冷劑焓值，kJ/mol；t8冷凝器出口處循環水溫度，；t9冷凝器入口循環水溫度，；t10蒸發器出口循環水溫度，；蒸發器入口循環水溫度，；Cp實驗工t11況下水的定壓定比熱，kJ/（kg·壓縮機）；P輸入功率，kW；i壓縮機的指

8、示效率，%。工質充注量W/kg圖3機組性能系數與充注量的關系Fig.3Therelationshipbetweentheperformancecoefficientofheatpumpandrefrigerantchargingquantity如圖3所示，當制冷劑充注量達到1.4kg時，性能系數達到最大值，此時制冷劑管路系統壓力為0.2MPa；當充注量小于1.4kg時，隨著偏離程度的增大，COP急劇下降；當充注量大于1.4kg時，隨著偏離程度的增大，COP也下降較快。與制冷量隨充注量的變化曲線相比，·73·2.2實驗結果及分析圖2為系統制冷量G2與制冷劑充注量W的關系。可再

9、生能源COP達到最大值時制冷劑最佳充注量略小，而且充注量相對偏多時，COP曲線較制冷量變化曲線下降快，這與ChoiJM和KimYC的實驗結果一致2。2008，26（6）增大，Q2的增加量也急劇增大。這是因為充注量偏少的情況下，隨著充注量的減少，蒸發器換熱量和壓縮機輸入功率P都減少，所以Q2減少；在最佳充注量附近，蒸發器換熱量和壓縮機輸入功率P都變化得比較緩和，Q2的變化曲線也比較平坦；制冷劑充注量偏多時，雖然蒸發器換熱量有所下降，但壓縮機輸入功率P卻急劇增大，導致Q2也急劇增大。關系圖4顯示了地下換熱器出口溫度與制冷劑充注量的關系。地下換熱器出口溫度te/3結語地源熱泵系統的運行性能受制冷劑充

10、注量的影響，制冷劑充注量有一個最佳值。在制冷工況時，制冷劑系統啟動前保持壓力0.22MPa；在制熱工況時，制冷劑系統啟動前保持壓力0.20MPa。0.81.01.8當制冷劑充注量偏少時，對系統的運行性能的影響較大；當制冷劑充注量偏多時，對系統的運行性能的影響較小。參考文獻:工質充注量W/kg圖4地下換熱器出口溫度與充注量的關系Fig.4Therelationshipbetweentheexittemperatureofundergroundheat-exchangerandrefrigerantchargingquantity隨著制冷劑充注量的增加，地下換熱器循環水的出口溫度

11、基本保持不變，即使在充注量偏多、壓縮機輸入功率急劇增大的情況下，地下換熱器循環水的出口溫度也沒有明顯上升的趨勢，這說明地下換熱器配置相對于本系統來說偏大。這樣雖然能保證系統的正常運行，但地下換熱部分的造價較高，系統的初始費用增加，整體經濟性差。1ARIStandard320.Standardforwater-sourceheatpumpS.2CHOIJM,KIMYC.TheeffectsofimproperrefrigerantchargeontheperformanceofaheatpumpwithanelectronicexpansionvaleandcapillarytubeJ.Ener

12、gy,2002,27：391-404.34黃勇超.系統各要素對房間空調器匹配的影響分析J.制冷與空調，2003，3（5）：66-69.DAMASCENOGS,DOMANSKIPA.RefrigerantchargeeffectsonheatpumpperformanceJ.ASHRAETrans圖5所示為地下換熱器換熱量Q2與制冷劑充注量W的關系。11.0地下換熱器換熱量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.