(1 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 西安 710000； 2 廣州哈思新能源科技有限公司 廣州 510080； 3 西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院 西安 710000)

熱泵可以將較低的能耗將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能，用于建筑供暖和供冷，是降低建筑空調(diào)能耗的有效手段之一[1]。其中，空氣源熱泵因設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)在工程上得到廣泛應(yīng)用。但我國(guó)氣候多樣，在冬季低溫條件下，蒸發(fā)溫度(壓力)隨室外溫度降低而下降，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣比容增大，吸氣量減少，制熱量下降；冷凝與蒸發(fā)溫差的增大還會(huì)使冷凝蒸發(fā)壓力比增大，排氣溫度上升，潤(rùn)滑油黏度下降，從而偏離其正常運(yùn)行工況，甚至使系統(tǒng)無(wú)法正常工作[2-3]。在夏季高溫條件下，又因冷凝器側(cè)散熱條件惡化，冷凝溫度升高，冷凝蒸發(fā)壓力比增大而導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度升高，制冷量下降、功耗增加，性能系數(shù)及運(yùn)行可靠性降低，導(dǎo)致制冷量不能滿(mǎn)足室內(nèi)供冷需求[4]?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)在冬季低溫與夏季高溫條件下出現(xiàn)的問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了其在全國(guó)范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，已有研究提出了多級(jí)壓縮、復(fù)疊循環(huán)、變頻變?nèi)菁夹g(shù)、制冷劑噴入技術(shù)等多種解決方法。其中，制冷劑噴入技術(shù)以其優(yōu)良的綜合性能成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 制冷劑噴入技術(shù)應(yīng)用的基本系統(tǒng)型式

制冷劑噴入技術(shù)根據(jù)噴入制冷劑的相態(tài)不同可分為噴液冷卻和噴氣增焓技術(shù)。

噴液是指冷凝器出口的制冷劑液體經(jīng)節(jié)流降壓后噴入壓縮機(jī)的吸氣側(cè)或壓縮腔，其系統(tǒng)原理及工作循環(huán)壓焓圖如圖1所示。噴液冷卻技術(shù)可顯著降低壓縮機(jī)吸氣比焓和排氣溫度[5]。但因噴液質(zhì)量流量遠(yuǎn)小于主循環(huán)回路制冷劑流量，使采用噴液技術(shù)后的系統(tǒng)性能幾乎與普通單級(jí)熱泵系統(tǒng)相同[6]。

圖1 噴液技術(shù)系統(tǒng)原理與壓焓圖Fig.1 Principle and p-h diagram of liquid injection system

噴氣增焓技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用型式主要分為兩種：帶有閃蒸器和帶有經(jīng)濟(jì)器。其原理是將冷凝器出口的一部分制冷劑經(jīng)閃蒸器閃蒸或經(jīng)濟(jì)器換熱后噴入壓縮機(jī)壓縮腔。兩種系統(tǒng)的原理和工作循環(huán)壓焓圖分別如圖2和圖3所示[7-8]。

圖2 經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)原理與壓焓圖Fig.2 Principle and p-h diagram of vapor injection system with a sub-cooler

圖3 閃蒸器系統(tǒng)原理與壓焓圖Fig.3 Principle and p-h diagram of vapor injection system with a flash tank

閃蒸器系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)均通過(guò)兩級(jí)節(jié)流、中間冷卻降低蒸發(fā)器的入口制冷劑的焓值，增大其在蒸發(fā)器中的吸熱能力。兩者的主要區(qū)別是主循環(huán)回路制冷劑的過(guò)冷和輔助回路制冷劑的兩相分離[9]。此外，經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)遵循模塊化獨(dú)立設(shè)計(jì)原則，即蒸發(fā)器中制冷劑的流量和中間噴氣流量分別由兩個(gè)節(jié)流閥單獨(dú)控制，易于調(diào)節(jié)，且噴氣壓力不會(huì)高于排氣壓力，不會(huì)產(chǎn)生回流，但系統(tǒng)COP會(huì)受經(jīng)濟(jì)器傳熱效率的影響。閃蒸器系統(tǒng)則遵循耦合控制原則，即任一節(jié)流閥的調(diào)節(jié)均會(huì)影響流入蒸發(fā)器的制冷劑流量和中間噴氣流量，需要聯(lián)合控制。閃蒸器系統(tǒng)中噴入壓縮機(jī)的是噴氣壓力下的飽和蒸氣，系統(tǒng)COP較經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)可提升2%～5%[10]。

圖2(a)所示的噴氣增焓系統(tǒng)，輔助回路的制冷劑對(duì)主回路制冷劑的過(guò)冷可增大制冷劑在蒸發(fā)器中的吸熱能力，且噴氣可提高流經(jīng)冷凝器的制冷劑流量，從而提升熱泵系統(tǒng)低溫工況下的制熱量和高溫工況下的制冷量。此外，流經(jīng)壓縮機(jī)的制冷劑流量的增加可降低其排氣溫度。雖然熱泵系統(tǒng)的功耗也會(huì)有所增加，但制熱量與制冷量的增加速度大于電功率的增加速度。因此，通過(guò)噴氣增焓技術(shù)可有效提高熱泵系統(tǒng)COP與EER[11-16]。

2 采用制冷劑噴入技術(shù)的性能與參數(shù)優(yōu)化研究進(jìn)展

針對(duì)采用制冷劑噴入技術(shù)的熱泵系統(tǒng)，主要就其性能優(yōu)化、制冷劑噴入?yún)?shù)優(yōu)化與控制，以及工質(zhì)替代等方面采用理論建模仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試[6]的方法開(kāi)展研究。

2.1 熱泵的性能優(yōu)化研究

采用制冷劑噴入技術(shù)的機(jī)組性能優(yōu)化研究主要從低溫制熱工況及高溫制冷工況兩個(gè)方面開(kāi)展。

2.1.1 低溫工況下的制熱性能優(yōu)化

改善低溫工況下空氣源熱泵的制熱性能是采用噴氣增焓技術(shù)的初衷，相關(guān)研究成果較為豐碩。針對(duì)空氣源熱泵在低溫條件下運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的壓比增大、排氣溫度升高、性能下降等問(wèn)題，J. Heo等[17]實(shí)驗(yàn)研究了采用閃蒸器的變頻熱泵系統(tǒng)的制熱性能，結(jié)果表明：在-15 ℃的環(huán)境下，其總制冷劑流量比普通單級(jí)熱泵系統(tǒng)高30%～38%，COP和制熱量分別提升10%和25%。C. W. Roh等[18]對(duì)比了復(fù)疊式系統(tǒng)在低壓級(jí)與高壓級(jí)分別單獨(dú)或同時(shí)采用噴氣增焓技術(shù)對(duì)系統(tǒng)總體性能的影響，研究表明：在低壓級(jí)應(yīng)用該技術(shù)比在高壓級(jí)應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)制熱與制冷量的提升更顯著；雖然低壓級(jí)與高壓級(jí)循環(huán)的性能均有所提升，但系統(tǒng)的總體性能并未得到明顯提升。古宗敏等[1,19]的實(shí)驗(yàn)研究表明，噴氣增焓技術(shù)對(duì)熱泵系統(tǒng)的制熱量和制熱性能的提升效果隨環(huán)境溫度降低而更加顯著；與同工況下普通單級(jí)熱泵系統(tǒng)相比，當(dāng)環(huán)境溫度處于-10～2 ℃時(shí)，噴氣增焓熱泵系統(tǒng)平均制熱量提高了16.7%，系統(tǒng)平均COP提高了15.7%。F. M. Tello-Oquendo等[20]實(shí)驗(yàn)對(duì)比了采用噴氣渦旋式壓縮機(jī)的熱泵系統(tǒng)(a scroll compressor with vapor-injection，SCVI)和雙級(jí)壓縮中間噴氣熱泵統(tǒng)(a two-stage reciprocating compressor，TSRC)在高壓力比、高冷凝與蒸發(fā)溫差工況下的性能，結(jié)果表明，TSRC系統(tǒng)最大工作壓力比高達(dá)29，能適應(yīng)蒸發(fā)溫度<-25 ℃、冷凝溫度>60 ℃的工況；SCVI系統(tǒng)最大工作壓力比為12，可適用于蒸發(fā)溫度>-25 ℃、冷凝溫度在40～50 ℃的工況；而壓力比<7.5的工況，SCVI系統(tǒng)的壓縮機(jī)效率高于TSRC系統(tǒng)，更適用于空氣源熱泵空調(diào)或熱水器。J. Heo等[21]實(shí)驗(yàn)測(cè)試了雙膨脹閥經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)(a double expansion sub-cooler system，簡(jiǎn)稱(chēng)DESC)和閃蒸器經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)(a combined flash tank and sub-cooler，F(xiàn)TSC)的性能(如圖4和圖5所示)，并與傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)(a sub-cooler system，SC)和閃蒸器系統(tǒng)(a flash tank system，F(xiàn)T)的性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，各系統(tǒng)形式獲得最大制熱量的最優(yōu)噴氣比為0.2～0.3；最優(yōu)噴氣比下，F(xiàn)T、FTSC和DESC系統(tǒng)的制熱量分別比SC系統(tǒng)高14.4%、6.0%和3.8%，各系統(tǒng)平均COP相近，但FTSC系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，控制的精確性更優(yōu)。

圖4 雙膨脹閥經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)原理[21]Fig.4 Principle of vapor injection system with double expansion valves and subcooler[21]

圖5 閃蒸器經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)原理[21]Fig.5 Principle of vapor injection system with a flash tank and a subcooler[21]

圖6 雙噴氣管熱泵系統(tǒng)(DESC)原理[22]Fig.6 Principle of two-line vapor injection system(DESC)[22]

I. H. Bell等[22]編制了多噴氣管渦旋式壓縮機(jī)的開(kāi)源程序，模擬分析表明雙噴氣管熱泵系統(tǒng)(圖6)的制熱性能優(yōu)于普通系統(tǒng)；蒸發(fā)溫度較低時(shí)，雙噴氣管熱泵系統(tǒng)的COP通常比常規(guī)熱泵系統(tǒng)高20%以上；但使用多噴氣管對(duì)渦旋式壓縮機(jī)時(shí)，需仔細(xì)選擇噴氣口直徑，以獲得最大的系統(tǒng)循環(huán)效率。楊文軍等[23]分別針對(duì)采用噴氣或噴液技術(shù)的空氣源熱泵熱水器提出了低溫工況下排氣溫度的控制策略。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，兩種熱泵熱水系統(tǒng)均可滿(mǎn)足北方冬季供暖需求；噴氣系統(tǒng)需設(shè)定排氣過(guò)熱度來(lái)進(jìn)行控制，過(guò)程較復(fù)雜，但在提高系統(tǒng)制熱量和COP方面更有優(yōu)勢(shì)。

由于經(jīng)濟(jì)器及閃蒸器系統(tǒng)均存在較大節(jié)流損失，Wang Xiao等[24-26]通過(guò)在經(jīng)濟(jì)器與閃蒸器系統(tǒng)上增加額外的噴射器和閃蒸器，優(yōu)化系統(tǒng)性能。基于噴射器機(jī)理建模分析指出，增加噴射器可有效降低不可逆節(jié)流損失。與普通經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)和閃蒸器系統(tǒng)相比，改進(jìn)后的系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的單位容積制熱量和系統(tǒng)COP均有所提升。Xu Shuxue等[27]結(jié)合噴射器提出一種新型閃蒸器系統(tǒng)(圖7)，制熱性能測(cè)試結(jié)果表明，噴射器可有效降低節(jié)流損失，在蒸發(fā)和冷凝溫度分別為-20 ℃和45 ℃的工況下，制熱量、COP分別比普通閃蒸器系統(tǒng)高10%、4%；且噴射器的最佳誘導(dǎo)比為0.1～0.2，圓形噴氣口的最佳直徑為渦旋厚度的50%～70%。

圖7 結(jié)合噴射器的閃蒸器系統(tǒng)(FTSC)原理[27]Fig.7 Principle of the flash tank system combined with ejectors(FTSC)[27]

針對(duì)熱泵系統(tǒng)冬季除霜問(wèn)題，M. J. Huang等[28]實(shí)驗(yàn)研究了采用熱氣旁通除霜的噴氣增焓熱泵系統(tǒng)的性能，表明采用噴氣增焓技術(shù)后可顯著提升系統(tǒng)在低溫工況下的制熱量；若考慮除霜能耗，則外界環(huán)境溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)的性能影響更顯著，而空氣相對(duì)濕度和風(fēng)速等參數(shù)也具有一定的影響。若以30 min為除霜間隔進(jìn)行2 min/次的熱氣旁通除霜，則噴氣增焓熱泵系統(tǒng)完全可以替代愛(ài)爾蘭冬季燃油采暖系統(tǒng)。趙鵬[29]的研究表明除霜能耗約占噴氣增焓熱泵系統(tǒng)總能耗的10%，考慮除霜能耗時(shí)的系統(tǒng)性能系數(shù)比不考慮除霜時(shí)低約15%。因此，除霜能耗對(duì)系統(tǒng)性能的影響不容忽視。

2.1.2 高溫工況制冷性能優(yōu)化

提升空氣源熱泵高溫工況下的制冷性能也是性能優(yōu)化研究的重要方面。I. Y. Cho等[30]的實(shí)驗(yàn)表明：采用經(jīng)濟(jì)器的R410A和R32熱泵系統(tǒng)，在環(huán)境溫度為21～35 ℃時(shí)，在最優(yōu)噴氣比(制冷量最大且EER較高)下的制冷量比同等條件下的常規(guī)熱泵系統(tǒng)高2.1%～6.3%；環(huán)境溫度為-15～7 ℃時(shí)，在最優(yōu)噴氣比(制熱量最大且COP較高)下的制熱量比同等條件下的常規(guī)熱泵系統(tǒng)高7.5%～13.9%。H. Cho等[31]實(shí)驗(yàn)研究并評(píng)價(jià)了以CO2為制冷劑的噴氣增焓雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的制冷性能，探索了各級(jí)膨脹閥開(kāi)度的最優(yōu)控制方法。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的EER比相同條件下的普通雙級(jí)熱泵系統(tǒng)提升了16.5%；高壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度降低了5～7 ℃。但文中未詳細(xì)說(shuō)明兩級(jí)膨脹閥的控制策略，僅以部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)呈現(xiàn)膨脹閥開(kāi)度變化對(duì)系統(tǒng)總體性能影響。王楓等[32]實(shí)驗(yàn)研究了高溫工況下噴液過(guò)程對(duì)半封閉活塞式壓縮機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，噴液可有效降低壓縮機(jī)排氣溫度；雖然制冷量和EER也有所降低，但在低蒸發(fā)溫度、高冷凝溫度時(shí)綜合效果良好。樊斌等[33]研究表明空調(diào)高溫工況下噴液技術(shù)的應(yīng)用可降低壓縮機(jī)的排氣溫度，且隨噴液量的增加排氣溫度幾乎呈線性下降；為保證排氣溫度處于安全范圍內(nèi)，且兼顧整體系統(tǒng)性能，需要合理設(shè)計(jì)和確定噴射毛細(xì)管的長(zhǎng)度與直徑。

2.2 制冷劑噴入技術(shù)中的參數(shù)優(yōu)化研究

制冷劑的噴入?yún)?shù)可影響熱泵系統(tǒng)的總體性能，對(duì)其優(yōu)化控制可使熱泵系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。相關(guān)研究主要涉及運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律探究和優(yōu)化。

2.2.1 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化研究

為了對(duì)噴氣增焓熱泵系統(tǒng)進(jìn)行多工況性能分析，Zhang Dong等[34]提出了計(jì)算經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)COP的經(jīng)驗(yàn)公式，預(yù)測(cè)其在北京、蘭州、烏魯木齊和哈爾濱應(yīng)用的制熱性能。在蘭州地區(qū)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，熱泵系統(tǒng)COP與環(huán)境干球溫度、系統(tǒng)進(jìn)水溫度的差值呈線性關(guān)系，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)偏差在2.5%以?xún)?nèi)，準(zhǔn)確性較高。C. W. Roh等[35-37]研究表明噴氣中間壓力對(duì)最大噴氣比和制熱量有較大影響，但對(duì)系統(tǒng)COP影響較小；隨著中間壓力升高，噴氣量增大，制熱能力也增大。E. Navarro等[38]實(shí)驗(yàn)研究表明采用噴氣渦旋式壓縮機(jī)比采用相同容量的普通渦旋式壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)的制熱量和COP分別高20%和10%，但噴氣渦旋式壓縮機(jī)的容積效率和壓縮機(jī)效率在中、低壓時(shí)略低于普通渦旋式壓縮機(jī)；中間過(guò)熱度對(duì)噴氣渦旋式壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)COP的影響不明顯，系統(tǒng)COP和制熱量卻隨中間壓力的升高而增大。D. Lee等[39]的分析表明高壓力比工況下噴氣及噴液熱泵系統(tǒng)隨著噴氣比(噴氣量與流經(jīng)冷凝器的制冷劑量的比值)的升高，排氣溫度均有所降低，噴液系統(tǒng)的排氣溫度降幅大于噴氣系統(tǒng)。噴氣熱泵系統(tǒng)COP隨噴氣比的升高而降低；噴液熱泵系統(tǒng)的COP在噴氣比為10%時(shí)達(dá)到最高。

2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

譚希[40]對(duì)經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行階段的研究表明，噴氣渦旋式壓縮機(jī)的最佳噴氣口位置與吸氣端呈474.5°。Wang Baolong等[41]采用文獻(xiàn)[65]中的模型詳細(xì)分析了制冷劑噴入?yún)?shù)對(duì)壓縮機(jī)的性能和內(nèi)部壓縮、噴氣過(guò)程的影響，結(jié)果表明噴氣口制冷劑的狀態(tài)、制冷劑噴氣的質(zhì)量流量和噴氣口參數(shù)可直接影響噴氣壓縮機(jī)的性能。各參數(shù)對(duì)噴氣壓縮機(jī)性能的影響規(guī)律如表1所示。Y. Jeon等[42]建立了帶噴氣的雙滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的熱泵系統(tǒng)模型，研究噴液孔的最佳尺寸，以有效降低排氣溫度并避免壓縮機(jī)液擊。結(jié)果表明，噴液孔應(yīng)位于距圓心23 mm，轉(zhuǎn)角30o的位置，最佳孔徑為0.6 mm。

2.3 采用制冷劑噴入技術(shù)的熱泵制冷劑替代研究

對(duì)于采用制冷劑噴入技術(shù)的熱泵，制冷劑替代已成為新的研究熱點(diǎn)。R32對(duì)臭氧層無(wú)破壞(ODP=0)，GWP=675，僅約為R410A的32%和R22的37%[43]。且R32的汽化潛熱比R410A約高40%，即為了達(dá)到相同的制冷量，所需的R32充注量更少。但標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)工況下(蒸發(fā)溫度=7.2 ℃，冷凝溫度=54.4 ℃，過(guò)熱度=11.1 ℃)，采用R32時(shí)的排氣溫度比采用R410A時(shí)高20 ℃，制約了其作為替代制冷劑的應(yīng)用[44]。

表1 制冷劑噴入?yún)?shù)對(duì)渦旋式壓縮機(jī)主要性能參數(shù)的影響[41]Tab.1 Effects of injection parameters on the main performance of scroll compressor

2.3.1 采用噴氣增焓技術(shù)的熱泵中制冷劑替代研究

噴氣增焓技術(shù)可以有效解決R32替代R22或R410A后因R32本身熱力性質(zhì)而導(dǎo)致的壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，保證系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行。汪濤等[45-46]測(cè)試對(duì)比了以R410A或R32作為制冷劑的閃蒸器系統(tǒng)的性能，指出R32系統(tǒng)最佳充注量小于R410A系統(tǒng)，且同等條件下制熱、制冷量和性能系數(shù)比R410A系統(tǒng)分別提升2%～7%和1%～6%。黃俊軍等[47]進(jìn)行的R32替代變頻壓縮機(jī)中的R410A的實(shí)驗(yàn)表明，引入噴氣增焓技術(shù)可使壓縮機(jī)運(yùn)行最低氣溫從-15 ℃降至-20 ℃，較好地解決了壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，熱泵系統(tǒng)在-20 ℃工況下的制熱量達(dá)到7 ℃工況下的額定制熱量，制熱量增加顯著。Xu Shuxue等[48]研究表明R32作為制冷劑時(shí)，噴氣增焓熱泵系統(tǒng)的排氣溫度比同工況下普通單級(jí)熱泵系統(tǒng)降低10～20 ℃，制熱量提升約9%；噴氣質(zhì)量流量的最佳范圍應(yīng)為流經(jīng)蒸發(fā)器制冷劑質(zhì)量流量的12%～16%。為進(jìn)一步提升以R32為制冷劑的噴氣增焓熱泵系統(tǒng)在低溫工況下的制熱性能，Xu Shuxue等[49]提出一種結(jié)合噴氣過(guò)冷的噴氣增焓熱泵系統(tǒng)(vapor injection with subcooling system，VIS)。結(jié)果表明，蒸發(fā)溫度為-10～-2 ℃時(shí)，VIS系統(tǒng)的排氣溫度比同工況下普通噴氣增焓熱泵系統(tǒng)低6～8 ℃，COP比同工況下的噴液系統(tǒng)提高11.2%～13.6%。藕俊彥等[50]實(shí)驗(yàn)研究了以R417A替代閃蒸器系統(tǒng)中 R22的可行性，表明在標(biāo)準(zhǔn)工況下，雖然R417A系統(tǒng)的制熱量與COP低于R22系統(tǒng)，但優(yōu)勢(shì)隨環(huán)境溫度的降低而增大，即R417A更適合替代低溫?zé)岜弥械腞22。

混合制冷劑在噴氣增焓熱泵中的應(yīng)用研究主要從組成的優(yōu)選及配比優(yōu)化方面開(kāi)展。Xu Shuxue等[51]針對(duì)閃蒸器系統(tǒng)進(jìn)行的R32、R1234yf制冷劑配比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究表明，單獨(dú)使用R32為工質(zhì)，因排氣溫度較高而使系統(tǒng)只能在蒸發(fā)溫度大于-10 ℃時(shí)工作；單獨(dú)使用R1234yf為工質(zhì)，其運(yùn)行蒸發(fā)溫度可在-25～-5 ℃之間，且排氣溫度不高于110 ℃，但系統(tǒng)COP低于采用二元混合工質(zhì)時(shí)的情形；采用配比為 80%/20%的R1234yf/R32混合物為工質(zhì)時(shí)，噴氣增焓熱泵系統(tǒng)的制熱量比同工況下普通熱泵系統(tǒng)高16%～20%，且在-20 ℃時(shí)COP達(dá)到了2.33，系統(tǒng)性能顯著提高。J. V. H. D′Angelo等[52]采用仿真軟件HYSYS模擬分析表明，工況一定時(shí)，采用配比為40%/60%時(shí)R290/R600a混合制冷劑的閃蒸器系統(tǒng)COP最大，比同等條件下普通單級(jí)熱泵系統(tǒng)高16%～32%。

2.3.2 采用噴液技術(shù)的熱泵中制冷劑替代研究

采用噴液技術(shù)可顯著降低壓縮機(jī)排氣溫度，可用于降低以R32為替代制冷劑的壓縮機(jī)排氣溫度。王東博[53]以R32替代熱泵中R22的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用噴液冷卻技術(shù)可使熱泵的冷凝、蒸發(fā)溫差達(dá)到 50～70 ℃，總體運(yùn)行溫度范圍擴(kuò)大20%～30%，良好地解決了排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題。Yang Minghong等[44]采用理論建模法對(duì)比分析了以R32為制冷劑時(shí)采用兩相制冷劑吸入、噴入和噴液對(duì)降低壓縮機(jī)排氣溫度的作用，表明3種制冷劑注入方式均有降低R32渦旋式壓縮機(jī)排氣溫度的較大潛力；且噴入兩相制冷劑時(shí)，系統(tǒng)的制冷量和COP比噴液或吸入兩相制冷劑時(shí)分別高11.8%、4.8%。

3 噴氣增焓壓縮機(jī)的研究

對(duì)于采用噴氣技術(shù)的熱泵系統(tǒng)，在部件層面主要著眼于噴氣增焓壓縮機(jī)的研發(fā)。

3.1 噴氣壓縮機(jī)優(yōu)化原理的研究

采用變頻和變?nèi)菁夹g(shù)可優(yōu)化壓縮機(jī)在低溫及高溫工況下的性能。向衛(wèi)民[54]基于變頻滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)研發(fā)了一種變頻變?nèi)輫姎庠鲮蕢嚎s機(jī)，利用雙缸變?nèi)菁夹g(shù)提升壓縮機(jī)在低溫時(shí)的排氣量，彌補(bǔ)空氣源熱泵低溫制熱能力的衰減；再結(jié)合噴氣增焓技術(shù)提升壓縮機(jī)的能效和制熱量。對(duì)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，空調(diào)器的APF綜合能效提升了6%；在-15 ℃低溫工況下，制熱能力有大幅提升。王貽任[55]提出了一種不同于變頻技術(shù)的壓縮機(jī)變?nèi)菁夹g(shù)——數(shù)碼渦旋技術(shù)，通過(guò)負(fù)載和卸載狀態(tài)的時(shí)間組合在較大范圍內(nèi)改變壓縮機(jī)容量，與噴氣增焓技術(shù)結(jié)合后，可在壓縮機(jī)變?nèi)莸耐瑫r(shí)提高壓縮機(jī)的能效。

3.2 噴氣渦旋式壓縮機(jī)的相關(guān)研究

渦旋式壓縮機(jī)因體積壓縮梯度較小而不易產(chǎn)生液擊，且具有幾個(gè)獨(dú)立的壓縮腔，可較容易地將噴氣過(guò)程合并至壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程中。通過(guò)對(duì)噴氣位置與噴氣孔的適當(dāng)設(shè)計(jì)可優(yōu)化噴氣渦旋式壓縮機(jī)的噴氣過(guò)程。I. Y. Cho等[56-57]采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的噴氣渦旋式壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型對(duì)噴氣孔的位置進(jìn)行優(yōu)化，表明噴氣孔最優(yōu)位置應(yīng)位于約300°處。D. Kim等[58]采用實(shí)驗(yàn)與理論建模相結(jié)合的方法，對(duì)非對(duì)稱(chēng)噴氣渦旋式壓縮機(jī)的噴氣口的幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，最佳噴氣角度和噴口面積隨室外環(huán)境溫度的降低而增大，以增加噴氣量；分散式的噴氣口可使渦旋式壓縮機(jī)的SCOP提高2%～6%，可進(jìn)一步降低壓縮機(jī)的排氣溫度。F. M. Tello-Oquendo等[59]基于壓縮機(jī)參數(shù)而不考慮系統(tǒng)形式，提出了一種具有廣泛適用性的噴氣渦旋式壓縮機(jī)性能參數(shù)的預(yù)測(cè)方法。結(jié)果表明，采用該方法對(duì)蒸發(fā)器質(zhì)量流量、噴氣質(zhì)量流量及壓縮機(jī)耗電量的預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的最大偏差在5%以?xún)?nèi)。

為便于進(jìn)行更深入的研究，有學(xué)者針對(duì)噴氣渦旋式壓縮機(jī)的建模仿真展開(kāi)研究。E. L. Winandy等[60]針對(duì)采用制冷劑噴入技術(shù)的定頻渦旋式壓縮機(jī)建立了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎糜谀M制冷劑的質(zhì)量流量、壓縮機(jī)電功率和壓縮機(jī)的排氣溫度。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，壓縮機(jī)制冷劑質(zhì)量流量偏差為-4.5%～+4%，壓縮機(jī)電功率偏差為±4.5%，排氣溫度偏差為±5 K。但該模型未涉及噴氣質(zhì)量流量的計(jì)算。L. Dardenne等[61]在文獻(xiàn)[60]模型基礎(chǔ)上考慮壓縮機(jī)內(nèi)部傳熱過(guò)程及噴氣質(zhì)量流量的計(jì)算，針對(duì)變頻噴氣渦旋式壓縮機(jī)建立了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模擬壓縮機(jī)吸氣、壓縮、噴氣及排氣過(guò)程中的質(zhì)量與能量變化。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明該模型可將制冷劑流量、壓縮機(jī)耗電和壓縮機(jī)排氣溫度的偏差控制在5%、10%和5 K的范圍內(nèi)，具有較好的準(zhǔn)確性，但該模型的計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。Ma Guoyuan 等[62]針對(duì)噴氣渦旋式壓縮機(jī)建立了理論模型，分析了經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)中相對(duì)經(jīng)濟(jì)器壓力(經(jīng)濟(jì)器壓力與吸氣壓力和排氣壓力乘積的幾何平均值的比值)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。該集總參數(shù)模型忽略了壓縮機(jī)內(nèi)部傳熱，簡(jiǎn)單易用，但缺少壓縮機(jī)吸氣量的模擬計(jì)算。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的偏差在5%以?xún)?nèi)，具有較高的準(zhǔn)確性。柴沁虎等[63]針對(duì)經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)建立了渦旋式壓縮機(jī)壓縮、噴氣過(guò)程的分析模型，詳細(xì)分析了噴氣渦旋式壓縮機(jī)不同壓縮過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。模擬結(jié)果表明，噴氣開(kāi)孔位置變化可顯著影響壓縮機(jī)的制熱量；開(kāi)孔最佳位置處于吸氣腔剛閉合的位置時(shí)可保證系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的制熱量，并較好地兼顧系統(tǒng)COP。張科等[64]從噴氣渦旋式壓縮機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程出發(fā)，對(duì)其各個(gè)工作過(guò)程建立了分析模型，以模擬壓縮機(jī)的壓縮、噴氣過(guò)程。模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明，系統(tǒng)性能參數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化的規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，各性能參數(shù)模擬值與實(shí)際值的最大誤差不超過(guò)5%，所建模型可較準(zhǔn)確地模擬壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。Wang Baolong等[65]首次從理論上將制冷劑噴入過(guò)程看作為“絕熱節(jié)流+等壓混合”的參數(shù)隨時(shí)間持續(xù)變化的過(guò)程，對(duì)采用制冷劑噴入技術(shù)的渦旋式壓縮機(jī)建立了一般模型，不同工況下制冷劑質(zhì)量流量、噴氣質(zhì)量流量、壓縮機(jī)功率和排氣溫度的模擬與實(shí)驗(yàn)的偏差在-4%～+3%之間，具有較好的準(zhǔn)確性。該模型不僅可以分析采用制冷劑噴入技術(shù)的渦旋式壓縮機(jī)的宏觀性能，也可以模擬其內(nèi)部的壓縮過(guò)程，同時(shí)具有集總參數(shù)模型的快速性和分布參數(shù)模型的精確性。A. Zendehboudi等[66]分別采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推斷法對(duì)噴氣渦旋式壓縮機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行建模，分析了其宏觀性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種模型對(duì)于壓縮機(jī)排氣流量的預(yù)測(cè)值相對(duì)于實(shí)測(cè)值的最大偏差分別在±2.54%和±2%以?xún)?nèi)，準(zhǔn)確性較好。此類(lèi)智能模型比傳統(tǒng)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透痈咝?、?jiǎn)單，魯棒性更好。

3.3 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的噴氣結(jié)構(gòu)研究

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)具有獨(dú)立的混合腔和固定的氣缸容積比，適用于高壓縮比的運(yùn)行工況。與噴氣技術(shù)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)單級(jí)壓縮、無(wú)噴氣及有噴氣的準(zhǔn)二級(jí)壓縮[67]。噴氣孔的位置和孔徑直接影響系統(tǒng)最優(yōu)中間壓力和流量。Liu Xingru等[68-69]分別提出了用于滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的新型噴氣結(jié)構(gòu)，噴氣口分別位于滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的滑片和端板，如圖8和圖9所示。通過(guò)建立噴氣滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的分布參數(shù)模型，對(duì)應(yīng)用新型噴氣結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)進(jìn)行性能分析，結(jié)果表明，兩種噴氣結(jié)構(gòu)可完全克服傳統(tǒng)噴氣回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)出現(xiàn)回流的缺點(diǎn)，并可增大噴氣孔面積。與采用傳統(tǒng)噴氣回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的熱泵系統(tǒng)相比，采用滑片噴氣結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)可使熱泵系統(tǒng)的制熱量和COP分別提升23.1%～48.9%和3.2%～8.0%；采用端板噴氣結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)可使熱泵系統(tǒng)的制熱量和COP分別提升12.5%～18.2%和0.8%～3.5%。Yan Gang等[70]提出將噴氣孔開(kāi)設(shè)在雙滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)兩壓縮腔的隔板上，實(shí)驗(yàn)表明采用新型噴氣雙滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的熱泵系統(tǒng)低溫工況的制熱量比同條件下采用普通滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的熱泵系統(tǒng)提升5.6%～14.4%，COP提升3.52%，排氣溫度降低1.3～18.5 ℃。

圖8 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)滑片噴氣結(jié)構(gòu)Fig.8 The blade with gas injection structure of a rolling rotor compressor

圖9 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)端板噴氣結(jié)構(gòu)Fig.9 The end-plate with gas injection structure of a rolling rotor compressor

4 結(jié)論

總結(jié)課題組針對(duì)制冷劑噴入技術(shù)的部分研究?jī)?nèi)容及方法，如表2所示。由現(xiàn)有研究成果可知，多數(shù)課題組專(zhuān)注于制熱工況下的研究，噴氣增焓技術(shù)可明顯強(qiáng)化空氣源熱泵系統(tǒng)的低溫制熱性能。而且越來(lái)越多的研究專(zhuān)注于分析對(duì)比采用制冷劑噴入技術(shù)的新系統(tǒng)形式及其對(duì)熱泵系統(tǒng)制熱性能的提升作用。但關(guān)于制冷工況下的研究稍顯欠缺。

隨著研究的深入，理論建模的研究方法越來(lái)越受到研究者的青睞。噴氣或噴液熱泵所用制冷劑趨于多樣化，替代制冷劑成為新的研究方向。非常有必要結(jié)合噴氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、替代制冷劑種類(lèi)和充注量及系統(tǒng)主要部件的匹配優(yōu)化等進(jìn)一步深入研究。且采用制冷劑噴入技術(shù)部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)會(huì)直接影響熱泵系統(tǒng)的工作過(guò)程及運(yùn)行性能。如何確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合值及最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，也非常值得進(jìn)一步研究。

表2 部分課題組的研究?jī)?nèi)容及方法總結(jié)Tab.2 Selection of research groups and summary of their research contents and methods

續(xù)表2

寒冷地區(qū)冬季供暖時(shí)間較長(zhǎng)，但極端寒冷溫度的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短?？諝庠礋岜玫南到y(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)保證其在常規(guī)工況下運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及在極端工況下的可靠性，即在常規(guī)工況下須采用普通熱泵運(yùn)行模式。因此，噴氣增焓或噴液模式與普通模式的切換控制問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。