徐瑞成 劉澤華 張景松 周家祥

南華大學土木工程學院

0 引言

1979年，房間空調領域第一次應用噴氣增焓技術［1］，噴氣增焓空氣源熱泵是采用帶輔助噴口的渦旋壓縮機，將輔路中經過冷凝器換熱的工質經過節(jié)流換熱后直接噴入壓縮機內部，增加了工質的流量，使得壓縮機的制熱量增加。因其節(jié)能高效、運行穩(wěn)定，產品逐漸走向市場。1983年，美國人首先對復疊式熱泵進行研究。復疊式空氣源熱泵低溫空氣中的能量一級一級傳遞到最高級，一般而言級數不超過三級，否則熱泵能效急劇降低，通過冷凝蒸發(fā)器耦合兩套單級熱泵循環(huán)，增加兩臺熱泵之間的工作溫差。

因此，研發(fā)新型空氣源熱泵供暖取代傳統(tǒng)煤炭取暖，解決傳統(tǒng)空氣源熱泵在北方冬季低溫環(huán)境中運行效率低、穩(wěn)定性差的問題，使得空氣源熱泵能在北方地區(qū)推廣具有重要的節(jié)能減排和綠色環(huán)保意義。

魏文哲［2］對準二級變頻空氣源熱泵供暖性能進行研究，搭建了準二級變頻空氣源水源耦合熱泵，提出分段調節(jié)吸氣的方法，并應用到實驗中，發(fā)現在環(huán)境溫度-27.5℃，供水溫度50℃情況下，熱泵排期溫度也僅為112.0℃。董彬等人［3］對準二級壓縮熱泵干燥系統(tǒng)進行分析，與傳統(tǒng)熱泵相比，準二級系統(tǒng)可以降低壓縮機排氣溫度，在蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分別為-25~0℃和50℃時，系統(tǒng)性能提高5.0%~7.1%。楊興林等人［4］對適定工質準二級循環(huán)系統(tǒng)進行特性研究，發(fā)現在蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分別為45℃、110℃的高溫工況下，準二級壓縮循環(huán)的制熱COP優(yōu)于單級壓縮循環(huán)。由此可見，準二級技術可以改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。王彥龍等［5］對空氣源相變蓄能復疊式熱泵進行研究，研究表明，在較高蒸發(fā)溫度和較低冷凝溫度情況下，系統(tǒng)具有較高COP。杜啟含等［6］對R410A/R410A復疊式熱泵系統(tǒng)進行研究，發(fā)現增加低溫級壓縮機頻率對系統(tǒng)COP的影響高于改變高溫級壓縮機頻率。羅威等人［7］對R134a/CO2復疊式熱泵系統(tǒng)熱力學性能研究，發(fā)現系統(tǒng)COP隨著中間換熱溫差減小而升高，且存在最佳中間溫度。楊永安等［8］對高溫壓縮機變轉速復疊系統(tǒng)進行研究，發(fā)現在冷凝溫度46℃，蒸發(fā)溫度-35℃~-10℃時，系統(tǒng)仍然可以安全可靠運行。復疊式熱泵可以提升較大溫度跨度，但是系統(tǒng)在低溫環(huán)境運行效果相對較差。綜合噴氣增焓系統(tǒng)和復疊式系統(tǒng)，本文創(chuàng)新性提出噴氣增焓復疊式空氣源熱泵系統(tǒng)。

1 循環(huán)原理

噴氣增焓復疊式空氣源熱泵包括普通高溫級和噴氣增焓低溫級兩部分，低溫級可以獨立運行，也可通過蒸發(fā)冷凝器連接兩級復疊運行，結構較常規(guī)空氣源熱泵復雜。

1.1 噴氣增焓系統(tǒng)

噴氣增焓壓縮循環(huán)與普通單級熱泵相比增加了噴氣回路，其系統(tǒng)內工質循環(huán)也發(fā)生了改變。循環(huán)工質流冷凝器的流量增加，增加系統(tǒng)循環(huán)流量使得系統(tǒng)制熱量增加。其循環(huán)原理如圖1所示。

圖1 噴氣增焓空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖

循環(huán)壓焓如圖1（b）所示，系統(tǒng)主要由主回路（點1-2-3-4-5-6-7-1）和補液回路（點3-4-5-8-9-3）組成。低溫級噴氣增焓系統(tǒng)是在蒸發(fā)冷凝器出口位置設置補氣節(jié)流閥將冷凝器中高溫高壓工質節(jié)流，節(jié)流后的低溫工質與主路工質混合輸送至壓縮機壓腔，從而降低壓縮機排氣溫度，有利于壓縮機在低溫環(huán)境運行。

1.2 復疊式系統(tǒng)

復疊式空氣源熱泵系統(tǒng)原理（見圖2），兩個單級空氣源熱泵系統(tǒng)通過蒸發(fā)冷凝器耦合而成復疊式空氣源熱泵，低溫級蒸發(fā)器吸熱（點4-1）通過低溫級壓縮機壓縮（點1-2），將熱量傳遞到蒸發(fā)冷凝器，工質釋放熱量后通過低溫級節(jié)流閥（點3-4）繼續(xù)循環(huán)往復，高溫級壓縮機將蒸發(fā)冷凝器吸收的熱量進一步壓縮（點5-6）后經過高溫級冷凝器與水換熱后釋放量（點6-7），再經過高溫級節(jié)流閥繼續(xù)循環(huán)。

圖2 復疊式空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖

1.3 噴氣增焓復疊式熱泵系統(tǒng)

噴氣增焓復疊式空氣源熱泵（見圖3）由普通高溫級和噴氣增焓低溫級組成。低溫級系統(tǒng)由主回路（點1-2-3-4-5-6-7-1）和補液回路（點3-4-5-8-9-3）組成，高溫級系統(tǒng)由一條循環(huán)回路組成（點10-11-12-13）。低溫級工質經噴氣增焓吸收的總熱量通過蒸發(fā)冷凝器換熱傳遞給高溫級，高溫級制冷劑通過循環(huán)再將熱量通過高溫級冷凝器與被加熱物質換熱從而完成整個熱量傳遞。

圖3 噴氣增焓復疊式空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖

空氣源熱泵的系統(tǒng)通過截止閥的開關控制系統(tǒng)單級運行和復疊式兩種運行模式。當系統(tǒng)單級運行時，系統(tǒng)低溫級開啟，高溫級關閉；當系統(tǒng)復疊運行時，兩級同時開啟并運行。這兩種模式可以實現系統(tǒng)單級制冷和供生活熱水，也可以實現系統(tǒng)復疊供暖。

2 空氣源熱泵實驗研究

根據選型部件搭建完成噴氣增焓復疊式空氣源熱泵系統(tǒng)，在中央空調實驗室進行設備測試，實驗系統(tǒng)主要包括熱泵系統(tǒng)和測試系統(tǒng)。實驗檢測在不同工況和不同運行模式下設備高低溫級壓縮機排氣溫度，輸入功率，機組蒸發(fā)溫度和壓力，冷凝溫度和壓力，壓縮機頻率，進回水溫度和流量。

實驗樣機（見圖4）將所有設備零件連接在一起，該實驗樣機除具有壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流機構外，還有儲液器、干燥過濾器、氣液分離器、截止閥等實現系統(tǒng)循環(huán)的實驗裝置。

圖4 噴氣增焓復疊式空氣源熱泵實物圖

2.1 實驗目的

1）驗證實驗樣機在現實環(huán)境中的運行狀況，管段連接是否正確，密封性是否良好。

2）設置不同環(huán)境溫度、不同出水溫度的工況測試實驗樣機的運行，分析總結熱泵各性能參數變化情況。

3）從實驗測試結果中發(fā)現問題，解決問題，與傳統(tǒng)復疊式空氣源熱泵進行對比，找到實驗樣機存在的問題與不足，對熱泵在北方寒冷環(huán)境中使用的實際指導意義。

2.2 實驗內容

1）在實驗室中設置不同環(huán)境溫度對噴氣增焓復疊式熱泵系統(tǒng)進行性能測試。

2）測試單級運行、復疊式運行的系統(tǒng)性能變化。

2.3 實驗方法及步驟

1）打開水閥將電源接通后打開電源開關并啟動循環(huán)水泵，將儲水箱灌滿水。

2）使用PT100鉑電阻溫度傳感器插入熱泵進出水位置插孔內。

3）讀取原始水流量數據和環(huán)境溫度數據。

4）回水溫度每上升5℃記錄一次數據。

5）使用安捷倫數據采集儀，使測得的數據可以直接在計算機軟件中顯示。此外，壓縮機輸入功率由INSTEK交流數字電力計測得。

3 實驗假設和結果分析

3.1 實驗假設

系統(tǒng)遵從質量守恒、能量守恒和連接口工質流量相等等約束條件，輸入機組結構參數和環(huán)境參數，連接低溫級壓縮機、蒸發(fā)冷凝器、電子膨脹閥、經濟器、高溫級蒸發(fā)冷凝器、壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥，高低溫級用蒸發(fā)冷凝器耦合。

3.2 實驗結果

3.2.1 單級制熱系統(tǒng)性能

關閉高溫級循環(huán)系統(tǒng)，只打開低溫級循環(huán)系統(tǒng)，由低溫級工質R410A直接與水進行換熱。

圖5是空氣源熱泵系統(tǒng)低溫級單級運行模式下，設置冷凝溫度50℃，系統(tǒng)的制熱量、功率、COP和排氣溫度隨不同環(huán)境溫度的變化情況。從圖5（a）可以看出，系統(tǒng)制熱量的模擬值和實驗值變化情況相似，隨著環(huán)境溫度提高，系統(tǒng)的制熱量降低，環(huán)境 溫度分別為-15℃、-10℃、-5℃、0℃、7.5℃和15℃，熱泵制熱量實驗值從10 523 W上升到14 542 W，升幅為38.19%；功率實驗值從4 752 W降低到3 201 W，降幅達32.64%，降幅大于制熱量的幅度；COP實驗值從2.21升高到4.54，這是由于功率的降幅遠大于制熱量的降幅造成的。排氣溫度的實驗值從83℃降低為63℃，排氣溫度均在安全運行范圍內且降幅明顯，有利于熱泵系統(tǒng)安全高效穩(wěn)定運行。

圖5 單級運行時不同環(huán)境溫度對系統(tǒng)性能影響

3.2.2 復疊制熱系統(tǒng)性能

熱泵系統(tǒng)高溫級和低溫級同時打開，低溫級工質吸收熱量后在蒸發(fā)冷凝器中與高溫級工質換熱，高溫級工質再與水進行換熱。

圖6為不同壓縮機頻率下的系統(tǒng)COP影響，從圖中可以看出，在不同蒸發(fā)溫度條件下，系統(tǒng)COP隨著壓縮機頻率先增加后減小，在蒸發(fā)溫度分別為-20℃、-15℃、-10℃情況下，壓縮機頻率為68 Hz、63 Hz、61 Hz時達到最大，分別為2.06、2.29、2.50，這是由于壓縮機頻率增加壓縮機轉速也隨之上升，從而造成壓縮機吸氣量增加，導致系統(tǒng)制熱量和系統(tǒng)總功率都隨著頻率增加而增加；但是隨著蒸發(fā)溫度提高，制熱量的上升幅度大于系統(tǒng)總功率，使得系統(tǒng)COP增加。因此，可以得出，在寒冷地區(qū)適當提高壓縮機頻率，以此不僅提高系統(tǒng)的制熱量，還可以使系統(tǒng)COP增加。在最佳壓縮機頻率下，系統(tǒng)COP比在壓縮機頻率為50 Hz情況下，提升幅度分別為19.05%、19.27%、14.44%。

圖6 系統(tǒng)頻率和總COP變化情況

圖7為壓縮機頻率對于復疊式空氣源熱泵系統(tǒng)高低溫級壓縮機排氣溫度的影響情況。從圖中可以看出，在不同蒸發(fā)溫度下，壓縮機的排氣溫度都隨著壓縮機頻率增加而增加，且蒸發(fā)溫度越高壓縮機排氣溫度越低，因為蒸發(fā)溫度越高為達到目標冷凝溫度時壓縮機的做功越小，所以壓縮機排氣溫度減小。在蒸發(fā)溫度為-20℃、-15℃、-10℃時，壓縮機頻率從50 Hz增加到75 Hz，低溫級壓縮機排氣溫度從72℃、65℃、54℃上升到94℃、101℃、83℃，高溫級壓縮機排氣溫度從79℃、73℃、62℃上升到105℃、95℃、90℃。低溫級壓縮機頻率增加，提高了低溫級制冷劑流量，使得低溫級制熱量也隨之增加，低溫級制熱量通過中間蒸發(fā)冷凝器將低溫級與高溫級進行熱量交換，增加了高溫級壓縮機負荷，也同時增加了高溫級壓縮機的排氣溫度。

圖7 壓縮機頻率對排氣溫度的影響

4 結論

1)噴氣增焓復疊式空氣源熱泵在實驗環(huán)境工況下，單級和復疊式均能良好運行。

2)系統(tǒng)單級運行時，制熱量和功率隨著環(huán)境溫度上升而上升，系統(tǒng)低溫級COP隨著環(huán)境溫度增加而增加。

3)系統(tǒng)復疊運行時，系統(tǒng)變頻壓縮機頻率與系統(tǒng)COP及排氣溫度的關系，結果顯示，隨著壓縮機頻率增加，系統(tǒng)COP先增加后減小，存在最佳頻率；復疊運行時在蒸發(fā)溫度為-20℃、-15℃、-10℃情況下，變頻壓縮機的頻率分別在68 Hz、63 Hz、61 Hz時達到最佳頻率；在最佳壓縮機頻率下，系統(tǒng)COP比在壓縮機頻率為50 Hz情況下，提升幅度分別為19.05%、19.27%、14.44%。系統(tǒng)排氣溫度增加。