前言：空气源热泵主要是通过低高温热能之间的转化来实现热力供应的，制冷剂充注量在这个过程中扮演着极其重要的角色，过大的充注量将会间接提升冷凝和蒸发温度，影响蒸发器的正常运作，轻则加剧冷量损失，重则损坏压缩机性能。当充注量过小时，蒸发和冷凝环节又会面临压力不足的问题，传热差也会因此增大，导致系统工作效率下降。因此，只有通过客观、科学的实验，才能找到最佳充注量，提升空气源热泵工作性能。
1实验装置介绍
本次实验选取800kW空调运行实验室，借助温控设备可以将环境温度稳定在-10℃至45℃区间之内，中心设备与数据采集仪器相连，以固定周期对空气源热泵进行制热量、功耗等数据的采集。正式实验环节环境温度设置为22℃，误差标准为3℃，相对湿度为70%，实验用空气源热泵工质为R134a，压缩机额定转速2850r/min，功率为690W。为防止使用过程中过多吸入制冷剂造成损伤，改热泵压缩机吸气口还带有储液器，规格为70mm×220mm。蒸发器为4排管，冷凝器为铜直套管式，管长1780mm，外径测量结果为18mm。实验数据收集主要是通过压力、温度等类型的传感器完成的，实验室内还备有高精度电子天平，精度为0.1g，量程为0至30kg，用于制冷剂充注量控制。考虑到空气源热泵性能，本次试验开始前还进行了多次调试试验，能够有效规避冷凝压力过高对实验产生的不利影响。
2计算公式
压缩机吸气过热度主要指低压侧与感温包之间的蒸汽温度差值，过小时可能造成回气带液的问题，对压缩机造成损伤；该数值过大时，则可能导致排气温度急剧上升，使设备运行环境恶劣性增加，其公式表达为：
系统制热量则主要用于评价热泵运行状况，固定功率条件下，单位时间内制热量越高说明空调能效越好，该数值计算公式为：
单位时间内热泵制热系数为COP，可以用制热量与制热消耗功率表示出来，公式为：
整体制热性能用COPa来表示，计算公式如下：
其中
与 
分别表示被加热对象的初始温度与终止温度，温度传感器监测后分别为25℃与55℃。
3实验结果与分析
3.1充注量对制热量的影响
实验过程中制冷剂充注量主要通过电子膨胀阀的开度来控制，实验环节开度设定为16%，过热度设置为10℃，制热量变化可见图1。从图中可以发现，阀开度16%时，COPa与制冷剂充注量之间呈抛物线变化关系，开口向下，当制冷剂量为1.1kg时，制热量到达顶峰，具体数值为3.05。充注量低于1.1kg时，空气源热泵制热量较低，考虑可能是由于蒸发器中换热面积利用不充分导致的，会直接造成热泵加热时间延长，COPa随之缩小。当充注量逐渐增加时，制冷剂对热能的承载能力上升，系统制热性能自然随之改善，制热时间也能有效缩短。而充注量高于1.1kg的关键值时，制热量同样发生下降，这主要是因为制冷剂过量，而高压储液器容积又不足以承载如此多的剂量，造成冷凝盘管中制冷剂积压[1]，储液器失去了储存、制约的作用，最终导致传热面积和强度的下降，设备整体制热量也难以提升。
图1 空气热泵制冷剂充注量与COPa之间的关系
同时，从图中还可以看到，当过热度设置为10℃时，COPa同样呈现抛物线变化趋势，并在1.1kg是达到顶峰，具体数值为3.68，并且热泵运行过程中始终大于启动初期。
3.2充注量对膨胀阀调节范围的影响
制冷剂使用情况不仅与剂量相关，还与膨胀阀开度息息相关，当阀开度设置过小时，即使充注量足够，也无法被压缩机充分利用，COPa并不能得到显著提升；阀开度过大时，则可能导致压缩机带液运行，COPa同样无法得到保障。在实际运行时，膨胀阀调节方式应当尽可能与充注量适配，图2即为不同充注量条件下，阀开度与COPa之间的相关性关系。
图2 阀开度对COPa的影响
由图可知，阀开度18%的情况下，COPa数值要明显高于阀开度为16%的设置，不过，图中两阀开度均在制冷剂充注量为1.1kg时达到最佳COPa，当充注量在最佳值以下时，两种阀开度设定值下压缩机均存在吸气过热的情况，阀开度增加时，制冷剂流量才得以加大，因此COPa出现上升，这与前述实验结果一致。同时，从增长率变化趋势来看，当充注量大于1.2kg时，增长率明显下降，这主要是因为吸气带液现象的出现。当充注量高达1.2kg以上时，阀开度18%就明显不在膨胀阀最佳调节区间之内，造成制冷剂浪费的同时，也容易使设备处于超负荷运行状态。
3.3膨胀阀调节方式对制热性能的影响
除定阀开度外，膨胀阀调节方式实际上也会对热泵工作产生一定影响，从而制约制冷剂充注量作用的发挥，从上述实验我们可以发现，定过热度下的COPa是比较理想的，因此这里采用1.1kg的最佳充注量，设置实验1用于考察16%、18%以及19.2%阀开度条件下，热泵的性能状态；实验2则用于测试10℃、6℃以及4℃过热度条件下系统运行状况。
对阀开度进行变量调节时，水温会持续在空气源热泵的加热作用下持续上升，制冷剂流量也呈现上升趋势，阀开度与制冷量之间成正相关。当对过热度进行调节时，过热度越低，制冷剂流量越大，但二者之间关联性并不明显，变化平缓。这主要是因为过热度的调节增加了冷凝温度与压比，但阀开度的减小增加了稳定因素，制冷剂流量自然减缓。制热量与制冷剂流量变化较为一致，但当阀开度为19.2%时，系统出现了吸气带液的现象，虽然制冷剂流量并没有明显下降，但增势出现减缓，这主要是因为吸气带液使得排气温度降低，冷凝器进出口的压力差减小，因此制热量下降。将两种方式进行对比后发现，阀门开度实际上与毛细节流相似[2]。
从功耗角度考虑，其主要受制冷剂流量和吸排气压比的制约，气压比与冷凝温度的变化是一致的，制冷剂流量则会在气压比的带动下出现上升情况，实验后发现，对阀开度和过热度进行调节虽然可以影响功耗情况，但整体变化并不明显。同时，阀开度与过热度数值不一致时，COP曲线也会存在一定差异，并随着水箱温度的变化逐渐下降，差值减小。这主要是由于加热初期过热度对COP的影响较大，当加热持续进行时，其提升能力发生明显下降。从功耗实验来看，这种变化与功耗之间的关联性较小，主要是由制热量带动的。
结论：综上所述，当空气源热泵膨胀阀开度与过热度数值一定时，制冷剂充注量与总制热量之间回呈现抛物线相关，并在某一具体数值时达到最佳状态，因此应用时要注意做好充注量控制，防止浪费的同时也能使压缩机始终处于良好运行状态。此外，从膨胀阀调节方式来看，过热度调节优势明显，可以作为重点关注和优化对象。
参考文献：
[1]施永康,杨庆成,丁小江. 制冷剂充注量及毛细管长度对空气源热泵热水器性能的影响[J]. 制冷与空调,2018,18(10):77-82.
[2]袁朝阳,陶乐仁,虞中旸,等. 充注量对空气源热泵热水器性能的影响[J]. 制冷学报,2018,39(3):73-78.