0 引言

 

  當(dāng)今世界，節(jié)能與環(huán)保問(wèn)題日益提上日程。以燃煤為基礎(chǔ)的供暖模式所帶來(lái)的負(fù)面影響越來(lái)越不能適應(yīng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求。空氣源熱泵以其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)成為熱泵諸多型式中應(yīng)用最為廣泛的一種，但是它的應(yīng)用受到氣候條件的約束。隨著室外氣溫的不斷下降，室內(nèi)采暖熱負(fù)荷會(huì)不斷增加，同時(shí)傳統(tǒng)空氣源熱泵將會(huì)產(chǎn)生下列問(wèn)題[1]：

 

  (1)隨著室外氣溫的降低，制冷劑吸氣比容增大，機(jī)組吸氣量迅速下降，從而減少熱泵系統(tǒng)的制熱量，不能滿足室內(nèi)最大采暖熱負(fù)荷。

 

  (2)由于壓縮機(jī)壓縮比的不斷增加，壓縮機(jī)的排氣溫度迅速升高。在很低的室外溫度下，壓縮機(jī)會(huì)因防止過(guò)熱而自動(dòng)停機(jī)保護(hù)，這使得熱泵只能在不太低的室外氣溫下運(yùn)行。

 

  (3)由于壓縮機(jī)壓力比的增大，系統(tǒng)的性能系數(shù)(COP)急劇下降。

 

  (4)如果熱泵只為低溫情況下設(shè)計(jì)，那么它的制熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于較高室外溫度下所需熱負(fù)荷。當(dāng)熱泵在較高室外溫度情況下運(yùn)行時(shí)，需要循環(huán)的啟閉來(lái)減少其制熱量，這樣會(huì)降低系統(tǒng)性能。

 

  針對(duì)傳統(tǒng)空氣源熱泵的以上局限性，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者紛紛提出了不同的解決方案。其中包括：帶中間冷卻器或經(jīng)濟(jì)器的二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)，帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)，以提高潤(rùn)滑油流量來(lái)冷卻壓縮機(jī)的熱泵系統(tǒng)，采用變頻技術(shù)、輔助加熱器、復(fù)疊式蒸汽壓縮的熱泵系統(tǒng)，以及雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)等。

 

  本文主要介紹以上提及的針對(duì)寒冷地區(qū)空氣源熱泵的解決方案，并做出分析比較，這對(duì)于更好地促進(jìn)空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展具有積極的意義。

 

  1 低溫空氣源熱泵的現(xiàn)狀與發(fā)展

 

  空氣源熱泵應(yīng)用于寒冷地區(qū)冬季制熱時(shí)，系統(tǒng)制熱量隨著室外溫度的降低而迅速下降。同時(shí)，隨著吸氣壓力的降低，壓縮機(jī)壓力比迅速升高，導(dǎo)致排氣溫度急劇上升。解決空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性，主要應(yīng)從以下幾方面著手研究：增加低溫工況下系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)量、控制機(jī)組排氣溫度、優(yōu)化機(jī)組壓縮機(jī)內(nèi)部的工作過(guò)程、選用適用于大工況范圍的制冷劑。通常在同一個(gè)低溫空氣源熱泵系統(tǒng)中綜合了多個(gè)解決途徑。

 

  1.1 單級(jí)低溫?zé)岜?/a>系統(tǒng)

  在室外溫度為-30 ℃，冷凝溫度為60 ℃的工況下，采用專為低溫制冷設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)的單級(jí)熱泵系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定運(yùn)行。這種壓縮機(jī)主要采用R507、R404為工質(zhì)，在大壓縮比下仍可穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)因過(guò)熱而停機(jī)。但是相對(duì)其他低溫?zé)岜?/a>系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的COP 相對(duì)較低。同時(shí)，由于壓縮機(jī)專為低蒸發(fā)壓力工況設(shè)計(jì)，在較高室外氣溫下其性能降低。隨著室外溫度的升高，系統(tǒng)的制熱量逐漸增加，但是室內(nèi)采暖熱負(fù)荷減小，這使得熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間短，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行效率。單級(jí)低溫?zé)岜?/a>系統(tǒng)可以綜合變頻技術(shù)、并聯(lián)壓縮機(jī)或可替換壓縮機(jī)方式、蓄熱系統(tǒng)，但是這樣會(huì)增加單級(jí)系統(tǒng)的投資，從而丟掉了其最大的優(yōu)點(diǎn)———低廉的安裝費(fèi)用。

 

  1.2 帶油冷卻的單級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)

 

  在壓縮過(guò)程中使用在排氣管路中分離出的大量的油來(lái)降低制冷劑溫度是另一種降低排氣溫度的方法。帶油冷卻的單級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

 

  冷卻過(guò)程發(fā)生在冷凝器中，換熱后的油回到壓縮機(jī)油路進(jìn)口。較低的排氣溫度使得壓縮機(jī)輸入功率減小，同時(shí)系統(tǒng)在較低的吸氣壓力下進(jìn)行。但是油的溫度高于蒸發(fā)溫度，因而增加了系統(tǒng)過(guò)熱度，從而增加壓縮機(jī)功耗，同時(shí)降低了系統(tǒng)COP?？傊?，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，在不用過(guò)多增加安裝費(fèi)用的情況下可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，并且可以在較低室外溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。

 

  1.3 帶中間冷卻器的二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)

 

  這種系統(tǒng)主要是應(yīng)用于蒸發(fā)溫和冷凝溫度相差較大的工況，并且在室外氣溫較高時(shí)可以單獨(dú)使用一個(gè)壓縮機(jī)，從而減少制熱量。通過(guò)兩級(jí)壓縮之間對(duì)制冷劑的冷卻，第二級(jí)壓縮后的排氣溫度明顯降低，這使得空氣源熱泵運(yùn)行的溫度適應(yīng)性大大提高。但是由于中間冷卻器是由循環(huán)熱水來(lái)進(jìn)行冷卻，這樣冷卻器的溫度較高，低壓級(jí)壓縮機(jī)的制冷劑不能被冷卻至飽和狀態(tài)，這樣會(huì)使得系統(tǒng)運(yùn)行不能達(dá)到最佳COP。

 

  1.4 帶經(jīng)濟(jì)器的二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)

 

  帶經(jīng)濟(jì)器的二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)流程見(jiàn)圖3。在帶經(jīng)濟(jì)器的二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)高壓級(jí)壓縮機(jī)吸氣處，一定量的兩相制冷劑與低壓級(jí)壓縮機(jī)排出的高溫氣態(tài)制冷劑相混合。這樣壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高現(xiàn)象得以解決，同時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)器中的換熱，使得從冷凝器出來(lái)的制冷劑在進(jìn)入膨脹閥之前過(guò)冷，從而提高系統(tǒng)的COP。但是該系統(tǒng)要準(zhǔn)確控制好進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)制冷劑狀態(tài)。帶經(jīng)濟(jì)器的二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)相對(duì)于其他低溫?zé)岜?/a>系統(tǒng)有較高的運(yùn)行效率。但是它的安裝費(fèi)用較高，在逆運(yùn)行除霜及空調(diào)用方面有一定的局限性。

 

  1.5 帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)

 

  在80 年代中期國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)，并在螺桿機(jī)組中得到成功應(yīng)用。經(jīng)研究，在-30 ℃工況下，該系統(tǒng)完全可以取代雙級(jí)壓縮系統(tǒng)。但是螺桿機(jī)組容量一般較大，同時(shí)其相對(duì)于雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)隨蒸發(fā)溫度的上升而不明顯，長(zhǎng)期以來(lái)它的研究?jī)H僅局限于低溫制熱情況。

 

  圖4 帶過(guò)冷器的渦旋壓縮機(jī)準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)流程圖帶輔助進(jìn)氣口的渦旋壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵于2000 年被提出，用來(lái)提高空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能。經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)分為過(guò)冷器系統(tǒng)和閃發(fā)器系統(tǒng)。帶過(guò)冷器的渦旋壓縮機(jī)準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)流程見(jiàn)圖4[3]。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行很大改造。在較低環(huán)境溫度時(shí)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且制熱量能夠滿足冬季采暖熱負(fù)荷。通過(guò)啟閉補(bǔ)氣回路的截止閥來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)二級(jí)壓縮模式與單級(jí)壓縮模式之間的轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)在正常制熱/ 制冷及低溫制熱工況下的經(jīng)濟(jì)性得到較好兼顧。

 

  帶閃發(fā)器的渦旋壓縮機(jī)準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)流程見(jiàn)圖5。通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較得出：在低溫工況下，閃發(fā)器前節(jié)流系統(tǒng)比過(guò)冷器系統(tǒng)更能有效地提高空氣源熱泵的低溫制熱性能，同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成為寒冷地區(qū)用小型空氣源熱泵的較佳選擇。

 

  1.6 雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)

 

  雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)由一級(jí)側(cè)循環(huán)(空氣—水熱泵機(jī)組)和二級(jí)側(cè)循環(huán)(水—水熱泵機(jī)組)通過(guò)中間水環(huán)路耦合在一起，其流程見(jiàn)圖6。該系統(tǒng)可根據(jù)室外氣溫進(jìn)行單、雙級(jí)交替運(yùn)行，使其可以很好地適應(yīng)室內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)。在雙級(jí)工況下，一級(jí)側(cè)循環(huán)運(yùn)行條件和供暖特性均得以有效改善，且中間水環(huán)路不存在回灌等技術(shù)難題。因此，雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)也是一種適用于寒冷地區(qū)的新型供暖系統(tǒng)。

 

  1.7 其他解決方案

 

  1.7.1 采用變頻技術(shù)

 

  溫工況可靠性問(wèn)題而不能保證其經(jīng)濟(jì)性，此時(shí)系統(tǒng)COP 下降幅度非常大。同時(shí)，噪聲的增加、高頻運(yùn)行回油問(wèn)題、電磁兼容問(wèn)題及變頻器價(jià)格問(wèn)題成為該方案推廣的障礙。

 

  1.7.2 采用輔助加熱器系統(tǒng)

 

  通過(guò)采用輔助加熱器來(lái)提高機(jī)組的蒸發(fā)溫度，解決由于蒸發(fā)溫度過(guò)低和壓縮比過(guò)高而造成的制冷劑循環(huán)量不足和欠壓縮問(wèn)題，從而改善機(jī)組運(yùn)行環(huán)境。

 

  但是該系統(tǒng)形式較為復(fù)雜，燃料釋放的熱量不能充分利用，阻礙了該系統(tǒng)的發(fā)展前景。

 

  1.7.3 復(fù)疊式蒸汽壓縮系統(tǒng)

 

  復(fù)疊式蒸汽壓縮系統(tǒng)早已應(yīng)用到制冷行業(yè)，相對(duì)其他二級(jí)壓縮系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以采用兩種不同的制冷劑作為工質(zhì)，使得每種制冷劑可在其最佳設(shè)計(jì)工況范圍內(nèi)工作。但是隨著室外溫度的升高，其在高壓比下運(yùn)行的較高COP 值將會(huì)減小。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行壓縮比低于設(shè)計(jì)壓縮比時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)行效率迅速下降。同時(shí)，由于復(fù)疊式蒸汽壓縮系統(tǒng)不能單獨(dú)運(yùn)行一個(gè)壓縮機(jī)，使得系統(tǒng)很難在部分負(fù)荷下運(yùn)行。

 

  1.8 各方案的分析比較

 

  本文就空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性問(wèn)題，列出了國(guó)內(nèi)外一些典型解決方案。其形式及特點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

 

  2 結(jié)論

 

  針對(duì)空氣源熱泵低溫適應(yīng)性問(wèn)題，本文列出了國(guó)內(nèi)外的一些解決方案，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)并進(jìn)行相互比較。由于在一個(gè)低溫空氣源中可綜合多種解決方案，通過(guò)對(duì)各種低溫空氣源熱泵的性能分析，有助于低溫空氣源熱泵的發(fā)展與完善，這對(duì)于空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。