0 前言

 

  空氣源熱泵能夠以較低的能量消耗!實(shí)現(xiàn)把低溫位熱能輸送至高溫位的功能!能大量利用自然資源和余熱資源中的熱量!有效減少了輸入能!很好地滿足了冬季采暖的要求" 具有安裝使用方便# 能量利用效率高#減少溫室效應(yīng)#環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)!在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用" 然而! 空氣源熱泵應(yīng)用于寒冷地區(qū)冬季制熱時(shí)!隨著室外環(huán)境溫度的降低!制冷劑吸氣比容增大!

 

  使得機(jī)組吸氣量隨著外溫的降低迅速下降! 這樣機(jī)組的制熱量也就相應(yīng)按比例下降$ 而且隨著室外環(huán)境溫度的降低!吸氣壓力的降低!壓縮機(jī)的壓比增大!機(jī)組的壓力比嚴(yán)重偏離最優(yōu)值! 系統(tǒng)壓縮過(guò)程嚴(yán)重偏離正常壓縮過(guò)程! 導(dǎo)致機(jī)組排氣溫度急劇上升" 壓縮比增大造成壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)#輸氣量及效率下降!同時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高!使?jié)櫥偷恼扯燃眲∠陆?影響壓縮機(jī)的潤(rùn)滑" 壓縮比過(guò)大使得熱泵在北方最寒冷的時(shí)候無(wú)法正常運(yùn)行$ 壓縮機(jī)排氣溫度超溫! 系統(tǒng)頻繁啟停!無(wú)法正常工作" 阻礙了很節(jié)能的熱泵產(chǎn)品在北方寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用.

 

  為使熱泵能在寒冷環(huán)境中高效# 穩(wěn)定# 可靠地運(yùn)行!國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了許多技術(shù)研發(fā)和改進(jìn)" 熱泵的應(yīng)用范圍向寒冷地區(qū)擴(kuò)展的趨勢(shì)是明顯的!西安#煙臺(tái)等北方城市有成功應(yīng)用熱泵技術(shù)的報(bào)道[1~2]" 黃虎等指出[3]!在相同的風(fēng)側(cè)換熱器換熱面積及相同蒸發(fā)溫度下!換熱器回路數(shù)對(duì)換熱系數(shù)有一定影響! 對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明!回路數(shù)多的熱泵機(jī)組結(jié)霜狀況較為嚴(yán)重!翅片管表面掛霜也較回路數(shù)少的熱泵機(jī)組早$對(duì)于低溫環(huán)境下工作的風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組!建議分別針對(duì)制冷#制熱的工作方式選擇熱力膨脹閥" 沈明等把空氣源熱泵在低溫條件下制熱能力下降的原因總結(jié)成原理性因素和非原理性因素!指出改善空氣源熱泵低溫制熱能力的關(guān)鍵在于針對(duì)非原理性因素提出技術(shù)上可行!經(jīng)濟(jì)上允許的改進(jìn)措施[4]" 柴沁虎等總結(jié)了空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性問(wèn)題% 增加低溫工況下系統(tǒng)的工質(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!選用適用于大范圍工作狀況的制冷劑.

 

  空氣源熱泵的本質(zhì)是要從空氣中吸收熱量并輸送到室內(nèi)需要采暖的場(chǎng)所! 隨著室外溫度的降低!只有更低的蒸發(fā)溫度才能從空氣中吸收熱量!這必然造成壓縮機(jī)壓比的升高和制冷劑循環(huán)量的減少" 就現(xiàn)在看來(lái)!解決這些問(wèn)題的技術(shù)措施主要有%通過(guò)雙級(jí)壓縮& 包括準(zhǔn)二級(jí)壓縮’ #復(fù)疊循環(huán)來(lái)降低壓比$采用變頻壓縮機(jī)在制熱時(shí)加大制冷劑的循環(huán)量$用電加熱氣液分離器以及它到壓縮機(jī)之間的吸氣管路!提高蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力[6!8]" 本文將介紹采用雙級(jí)壓縮& 包括準(zhǔn)二級(jí)壓縮’ 和復(fù)疊循環(huán)空氣源熱泵技術(shù)的最新發(fā)展"1 準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵技術(shù)

 

  為解決低溫制冷時(shí)機(jī)組的性能與投資關(guān)系問(wèn)題!

 

  在20 世紀(jì)80 年代中期有學(xué)者提出了帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)!并在螺桿機(jī)組中得到成功應(yīng)用" 研究指出這種系統(tǒng)在低溫工況下的節(jié)能效果顯著!對(duì)于蒸發(fā)溫度在-15"-40!范圍內(nèi)的低溫工況! 采用這種經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)可以使得制冷量增大19%#44%! 制冷系數(shù)提高7%$30%!研究表明在-30!的工況下!該系統(tǒng)完全可以取代雙級(jí)壓縮系統(tǒng)[5]" 最近!尚振國(guó)等對(duì)單機(jī)雙級(jí)丙烷螺桿壓縮機(jī)組進(jìn)行了研究[9]$周剛等對(duì)用于空調(diào)工況的雙級(jí)壓縮循環(huán)進(jìn)行了分析計(jì)算[10]" 但是由于螺桿機(jī)組容量一般較大!很少有應(yīng)用于小型戶式空氣源熱泵的情形!同時(shí)這種系統(tǒng)相對(duì)于二級(jí)壓縮系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)隨著蒸發(fā)溫度的上升將逐漸趨于下降!因而這種準(zhǔn)二級(jí)壓縮的研究長(zhǎng)期以來(lái)一直局限于低溫制冷的情況!其普冷工況的可行性一直未能得到足夠的關(guān)注"周啟瑾介紹了一種適合于寒冷地區(qū)使用的熱泵

 

  型柜式空調(diào)機(jī)[11]!其循環(huán)系統(tǒng)如圖1 所示" 該熱泵為了解決當(dāng)外界氣溫降低時(shí)熱泵制熱量降低的缺陷!采用了以下方法%%采用制冷劑噴射循環(huán)!以增加壓縮機(jī)排氣量$& 將壓縮機(jī)壓比提高到26!以提高制熱的排氣量$’采用液體制冷劑的過(guò)冷!以增加制熱循環(huán)的排熱量" 它的制冷循環(huán)與一般的熱泵空調(diào)機(jī)相同! 只制熱循環(huán)時(shí)& 圖1 中實(shí)線’ 將室內(nèi)換熱器中冷凝的一部分液體制冷劑旁通!經(jīng)過(guò)電磁閥#膨脹閥后!進(jìn)入渦旋式壓縮機(jī)的中間室進(jìn)行噴液" 這種噴液循環(huán)已在高壓縮比的條件下為降低排氣溫度成功地使用過(guò)" 當(dāng)熱泵空調(diào)機(jī)在外界氣溫很低的情況下! 為了室內(nèi)舒適性要求必須提高室內(nèi)機(jī)吹出的空氣溫度! 這就要求提高壓縮機(jī)的壓力!采用噴液后不僅提高壓力比#增加了制熱循環(huán)的制熱量!還可以適當(dāng)?shù)亟档蛪嚎s機(jī)的排氣溫度" 在噴液循環(huán)中制熱量決定于制冷劑的循環(huán)量! 而制冷劑循環(huán)量是低側(cè)吸入的制冷劑量!"

 

  和壓縮機(jī)在中間室內(nèi)

 

  吸入的噴液量!#

 

  之和!由于噴液制冷劑的比容有低壓

 

  側(cè)吸入制冷劑氣體比容的1/3! 因而可有效地增加渦旋式壓縮機(jī)中的循環(huán)量!與不噴的循環(huán)相比!噴液后可增加制熱循環(huán)的制熱量" 該熱泵已經(jīng)由日本日立制作所開(kāi)發(fā)!當(dāng)室外氣溫低于-20!時(shí)仍能正常供熱" 小國(guó)研作等提出了一種用于寒冷地區(qū)的熱泵空調(diào)機(jī)[12]!其構(gòu)成如圖2 所示" 在儲(chǔ)蓄罐和渦旋壓縮機(jī)之間設(shè)置了向渦旋壓縮機(jī)噴射液態(tài)制冷劑的旁通流路和噴射液態(tài)制冷劑控制閥" 在向房間加熱時(shí)! 向壓縮機(jī)中噴射一部分液態(tài)制冷劑$另外!對(duì)應(yīng)于室內(nèi)空氣溫度的狀況控制渦旋壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速" 在室外氣溫低時(shí)!

 

  邊通過(guò)液態(tài)噴射進(jìn)行壓縮機(jī)冷卻!邊使渦旋壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)!可以提高房間加熱能力!得到針對(duì)寒冷地區(qū)的熱泵空調(diào)機(jī)! 由于在此低室外溫度時(shí)渦旋壓縮機(jī)可以在高壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)"因而通過(guò)增加渦旋的圈數(shù)"或在渦旋壓縮機(jī)的排泄口設(shè)置閥" 就可以實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)!

 

  另外"伴隨渦旋壓縮機(jī)的高壓力比化的高溫化通過(guò)將從液態(tài)噴射回路供給的液態(tài)制冷劑提供給壓縮機(jī)內(nèi)"就可以適宜地保持壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的線圈溫度#制冷劑排泄溫度!

 

  通過(guò)如此構(gòu)成室外空氣源熱泵空調(diào)機(jī)"即使室外空氣溫度不足-15!"也能通過(guò)高壓力比運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮機(jī)進(jìn)行高效率運(yùn)轉(zhuǎn)! 另外"由于壓縮機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)可以發(fā)揮高的房間加熱能力"得到針對(duì)室外溫度不足-15!的寒冷地區(qū)的熱泵空調(diào)機(jī)! 另外"因?yàn)椴皇箟嚎s機(jī)溫度過(guò)高"所以可以得到高的可靠性! 同時(shí)"由于設(shè)計(jì)了適合寒冷地區(qū)的熱泵系統(tǒng)"通過(guò)增加室外換熱器的傳熱面積"可以得到房間加熱能力提高了的熱泵空調(diào)機(jī)!

 

  馬國(guó)遠(yuǎn)等提出了一種適用于寒冷地區(qū)的熱泵空

 

  調(diào)機(jī)組[13]"系統(tǒng)循環(huán)如圖3 所示! 通過(guò)在壓縮機(jī)的進(jìn)氣口端開(kāi)設(shè)輔助進(jìn)氣口"在過(guò)冷氣和壓縮機(jī)間形成補(bǔ)氣回路! 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單#加工安裝方便#能量利用率高#成本低#在低溫環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)!

 

  馬國(guó)遠(yuǎn)等人經(jīng)過(guò)研究" 成功利用帶輔助進(jìn)汽口的渦旋壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)來(lái)提高空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能[14!15]!該研究可以有效提高熱泵在低溫工況下的性能"系統(tǒng)的基本型式如圖4 所示!機(jī)組具有以下優(yōu)點(diǎn)$"樣機(jī)可以在-15!的低溫環(huán)境中穩(wěn)定#可靠地運(yùn)行"具有足夠的制熱量" 能夠滿足低溫環(huán)境的采暖需求! #中間補(bǔ)氣可以增加機(jī)組的制熱量和功率消耗"但制熱量增加的速度大于功耗增加的速度"因此通過(guò)補(bǔ)氣可以提高系統(tǒng)的!"#h 隨著蒸發(fā)溫度的升高"補(bǔ)氣改善!"#h 的效果越來(lái)越小"當(dāng)蒸發(fā)溫度高于-10!時(shí)"補(bǔ)氣所帶來(lái)的效果可以忽略!$ 中間補(bǔ)氣可以明顯降低壓縮機(jī)的排氣溫度! 機(jī)組在各低溫工況下運(yùn)行時(shí)" 排氣溫度是穩(wěn)定的"且始終未超過(guò)130!的限制.

 

  2 雙級(jí)壓縮空氣源熱泵技術(shù)

 

  針對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)冬季使

 

  用時(shí)結(jié)霜#熱效率低等問(wèn)題"馬最良提出采用空氣源熱泵與水%水熱泵或者水%空氣熱泵組成耦合的雙級(jí)熱泵供暖系統(tǒng)來(lái)解決在寒冷地區(qū)低溫制熱時(shí)熱泵性能惡化問(wèn)題[16]! 在冬季"用放置在室外的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組制備10%20!的溫水"通過(guò)水環(huán)路送至室內(nèi)的水%空氣熱泵或者水%水熱泵系統(tǒng)從水中提取熱量" 以達(dá)到供暖目的! 整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)水回路將空氣源熱泵和水源熱泵組成耦合的雙級(jí)熱泵供暖系統(tǒng)!

 

  石文星等提出了一種雙級(jí)壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及

 

  其裝置[17]"其原理見(jiàn)圖5! 在嚴(yán)寒冬季制熱工況下"該雙級(jí)壓縮低溫?zé)岜?/a>裝置中的高壓級(jí)單元投入運(yùn)行! 一方面"低溫低壓的氣態(tài)制冷劑由低壓級(jí)壓縮機(jī)壓縮成為溫度較高的中壓氣態(tài)制冷劑"經(jīng)高壓級(jí)四通閥流向高壓級(jí)壓縮機(jī)吸氣管&另一方面"由高壓貯液器流出并進(jìn)入中間冷卻器的高溫高壓制冷劑分為兩路"一小部分經(jīng)電磁閥進(jìn)入中間節(jié)流熱力膨脹閥"在此節(jié)流成中溫中壓的氣液混合制冷劑后進(jìn)入中間冷卻氣的中溫中壓制冷劑通道!吸收流經(jīng)中間冷卻器高溫高壓制冷劑通道內(nèi)液態(tài)制冷劑的熱量而蒸發(fā)!同時(shí)高溫高壓液態(tài)制冷劑得到充分的過(guò)冷!蒸發(fā)出的中溫中壓制冷劑與由四通閥流出的溫度較高的中壓制冷劑蒸汽混合!

 

  混合后的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)!壓縮成高溫高壓氣態(tài)制冷劑! 再經(jīng)高壓級(jí)四通閥流入制冷劑/ 水換熱器!將所攜帶的熱量釋放給水路中循環(huán)水以加熱循環(huán)水!實(shí)現(xiàn)制取熱水的目的"高溫高壓的制冷劑蒸氣在此冷卻#冷凝成為高溫液體!在通過(guò)單向閥進(jìn)入高壓貯液器中"由高壓貯液器流出的高壓液態(tài)制冷劑一小部分經(jīng)電磁閥#中間節(jié)流熱力膨脹閥進(jìn)入中間冷卻器的中溫中壓制冷劑通道!大部分高壓液態(tài)制冷劑流經(jīng)中間冷卻器高溫高壓制冷劑通道!吸收中溫中壓制冷劑通道內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)潛熱而實(shí)現(xiàn)大幅度的過(guò)冷"得到充分過(guò)冷的高壓液態(tài)制冷劑!經(jīng)制熱用熱力膨脹閥節(jié)流降壓成為低溫低壓的液態(tài)與氣態(tài)混合制冷劑!再進(jìn)入制冷劑/ 空氣換熱器!吸收室外空氣的熱量蒸發(fā)成低溫低壓的氣態(tài)制冷劑! 再流經(jīng)四通閥#氣液分離器返回壓縮機(jī)!完成制熱循環(huán)$ 采用該系統(tǒng)的熱泵裝置不僅具有普通熱泵裝置在夏季和一般冬季工況下的性能和功用!而且能在-18!的低溫環(huán)境中穩(wěn)定%可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行!且具有足夠的制熱量和較高的性能系數(shù)!壓縮機(jī)排氣溫度始終低于130!!能夠在沒(méi)有輔助熱源的條件下滿足寒冷地區(qū)冬季的采暖要求&3 復(fù)疊循環(huán)空氣源熱泵技術(shù)

 

  Hasegawa 等介紹了日本研究二級(jí)壓縮’’’復(fù)疊熱水熱泵( TCCH) 的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)情況[18]!如圖6 所示$ 其供熱水溫度可達(dá)70!!比單級(jí)壓縮熱泵供水溫度高得多$ 因?yàn)闇p小了壓比!提高了!"#( 可達(dá)3.7) !復(fù)疊方式減少了耗電量!樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明!中間熱交換器面積大小對(duì)性能影響很大!它除了預(yù)熱水和進(jìn)行冷劑氣液分離外!還影響制冷劑流動(dòng)%制冷劑液體過(guò)冷!需要進(jìn)行優(yōu)化.

 

  陳光明等提出了一種采用復(fù)疊循環(huán)的辦法來(lái)提

 

  高空氣源熱泵在低溫下的制熱能力[19]!其原理如圖7所示$ 該系統(tǒng)包括低溫部分和高溫部分! 兩部分由中間換熱器連接起來(lái)$ 在冬季室外環(huán)境溫度低時(shí)! 熱泵通過(guò)中間換熱器自動(dòng)轉(zhuǎn)換為復(fù)疊循環(huán)運(yùn)行!來(lái)減小壓縮機(jī)的壓比!增強(qiáng)低溫環(huán)境下的加熱能力!擴(kuò)大熱泵的應(yīng)用地區(qū)和室外環(huán)境溫度適應(yīng)范圍.

 

  在研究空氣源熱泵的低溫制熱問(wèn)題時(shí)!本文提出了圖8 所示的技術(shù)方案$系統(tǒng)采用復(fù)疊循環(huán)技術(shù)!夏季制冷工況和普通冬季制熱工況工作時(shí)!只開(kāi)啟高壓側(cè)壓縮機(jī)"低溫制熱工況時(shí)!開(kāi)啟低壓側(cè)和高壓側(cè)壓縮機(jī)!低壓側(cè)壓縮機(jī)的高溫排氣在冷凝蒸發(fā)器冷凝!高壓側(cè)壓縮機(jī)的排氣通過(guò)制冷劑/ 水換熱器和制熱膨脹閥后進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)$ 把制冷劑/ 水換熱器和水泵分別換成制冷劑/ 空氣換熱器和分機(jī)! 可以直接向房間送風(fēng)$ 本系統(tǒng)可以充分利用室外側(cè)換熱器$

 

  4 國(guó)外空調(diào)公司的熱泵技術(shù)

 

  考慮到歐美國(guó)家的住房結(jié)構(gòu)和對(duì)采暖要求與亞

 

  洲國(guó)家的差異!空氣源熱泵技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在以日本和韓國(guó)為代表的亞洲國(guó)家的技術(shù)進(jìn)步上! 為提高空氣源熱泵的制熱性能"國(guó)外公司采用的主要技術(shù)有開(kāi)發(fā)高性能的壓縮機(jī)#應(yīng)用優(yōu)質(zhì)內(nèi)螺紋管#采用高效換熱翅片#采用雙壓縮機(jī)等! 比如"三菱重工#松下#三菱電機(jī)等日本公司多采用高效壓縮機(jī)和高效換熱器技術(shù)來(lái)提高熱泵制熱性能$LG 公司則采用了雙壓縮機(jī)技術(shù)"當(dāng)需求的熱量少時(shí)開(kāi)一個(gè)壓縮機(jī)"需求的熱量大時(shí)"兩個(gè)壓縮機(jī)同時(shí)開(kāi)!

 

  航空航天領(lǐng)域的渦輪增壓技術(shù)的原理是利用廢

 

  氣驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)"將更多的空氣壓入引擎"因此可以比相同排量的普通引擎燃燒更多的燃油"產(chǎn)生更多的動(dòng)力!三星創(chuàng)造性地將% 渦輪引擎增壓技術(shù)&"即Turbo 技術(shù)用于空調(diào)領(lǐng)域!壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)打開(kāi)Turbo 功能"輸出功率立即增加20%"實(shí)現(xiàn)快速升溫降溫! 與變頻技術(shù)的原理’ 在達(dá)到設(shè)定溫度后改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能( 不同"Turbo 技術(shù)是通過(guò)大大縮短耗能嚴(yán)重的啟動(dòng)階段"迅速達(dá)到設(shè)定溫度并進(jìn)入保溫狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能! 圖9 為采用Turbo 技術(shù)的熱泵和普通熱泵機(jī)組性能的對(duì)比! 根據(jù)測(cè)試"啟用Turbo 技術(shù)以后"達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間縮短了40%"而電能節(jié)省了30%!

 

  三星公司為提高空調(diào)室外換熱器的換熱效果以提高熱泵低溫制熱性能"把其在普通空調(diào)機(jī)組上用的沖縫翅片更換成鉆石翅片"該翅片的特點(diǎn)是傳熱管#熱傳導(dǎo)和熱場(chǎng)的方向一致"導(dǎo)熱性能優(yōu)異"其技術(shù)已經(jīng)獲得了美國(guó)#日本#意大利和韓國(guó)的專利!

 

  5 結(jié)論

 

  空氣源熱泵技術(shù)是一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保的技術(shù)"但是空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用時(shí)受到壓比#排氣溫度過(guò)高等問(wèn)題! 文中綜述了寒冷地區(qū)用空氣源熱泵技術(shù)的新進(jìn)展"包括采用準(zhǔn)二級(jí)壓縮循環(huán)#二級(jí)壓縮循環(huán)#復(fù)疊循環(huán)#輔助電加熱等! 通過(guò)介紹"可以發(fā)現(xiàn)空氣源熱泵技術(shù)用于寒冷地區(qū)的采暖是可行的"但是需要付出代價(jià)! 在此基礎(chǔ)上提出了一種可以充分利用室外側(cè)換熱器的復(fù)疊循環(huán)系統(tǒng)!