0 引言

 

  當(dāng)今世界，節(jié)能與環(huán)保問題日益提上日程。以燃煤為基礎(chǔ)的供暖模式所帶來的負(fù)面影響越來越不能適應(yīng)社會可持續(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)荷會不斷增加，同時(shí)傳統(tǒng)空氣源熱泵將會產(chǎn)生下列問題[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)會因防止過熱而自動停機(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)的啟閉來減少其制熱量，這樣會降低系統(tǒng)性能。

 

  針對傳統(tǒng)空氣源熱泵的以上局限性，國內(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)器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)，帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)，以提高潤滑油流量來冷卻壓縮機(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)，以及雙級耦合熱泵系統(tǒng)等。

 

  本文主要介紹以上提及的針對寒冷地區(qū)空氣源熱泵的解決方案，并做出分析比較，這對于更好地促進(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，不會因過熱而停機(jī)。但是相對其他低溫?zé)岜?/a>系統(tǒng)來說，它的COP 相對較低。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)，但是這樣會增加單級系統(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 帶油冷卻的單級壓縮熱泵系統(tǒng)

 

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

 

  冷卻過程發(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)過熱度，從而增加壓縮機(jī)功耗，同時(shí)降低了系統(tǒng)COP。總之，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，在不用過多增加安裝費(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。通過兩級壓縮之間對制冷劑的冷卻，第二級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)熱水來進(jìn)行冷卻，這樣冷卻器的溫度較高，低壓級壓縮機(jī)的制冷劑不能被冷卻至飽和狀態(tài)，這樣會使得系統(tǒng)運(yùn)行不能達(dá)到最佳COP。

 

  1.4 帶經(jīng)濟(jì)器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)

 

  帶經(jīng)濟(jì)器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)流程見圖3。在帶經(jīng)濟(jì)器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)高壓級壓縮機(jī)吸氣處，一定量的兩相制冷劑與低壓級壓縮機(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，使得從冷凝器出來的制冷劑在進(jìn)入膨脹閥之前過冷，從而提高系統(tǒng)的COP。但是該系統(tǒng)要準(zhǔn)確控制好進(jìn)入高壓級壓縮機(jī)制冷劑狀態(tài)。帶經(jīng)濟(jì)器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)相對于其他低溫?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)二級壓縮熱泵系統(tǒng)

 

  在80 年代中期國內(nèi)學(xué)者提出了帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(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)完全可以取代雙級壓縮系統(tǒng)。但是螺桿機(jī)組容量一般較大，同時(shí)其相對于雙級壓縮系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)隨蒸發(fā)溫度的上升而不明顯，長期以來它的研究僅僅局限于低溫制熱情況。

 

  圖4 帶過冷器的渦旋壓縮機(jī)準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(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)二級壓縮空氣源熱泵于2000 年被提出，用來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)分為過冷器系統(tǒng)和閃發(fā)器系統(tǒng)。帶過冷器的渦旋壓縮機(jī)準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)流程見圖4[3]。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需對常規(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。通過啟閉補(bǔ)氣回路的截止閥來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)二級壓縮模式與單級壓縮模式之間的轉(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)二級壓縮熱泵系統(tǒng)流程見圖5。通過理論與實(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 雙級耦合熱泵系統(tǒng)

 

  雙級耦合熱泵系統(tǒng)由一級側(cè)循環(huán)(空氣—水熱泵機(jī)組)和二級側(cè)循環(huán)(水—水熱泵機(jī)組)通過中間水環(huán)路耦合在一起，其流程見圖6。該系統(tǒng)可根據(jù)室外氣溫進(jìn)行單、雙級交替運(yùn)行，使其可以很好地適應(yīng)室內(nèi)負(fù)荷波動。在雙級工況下，一級側(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)行回油問題、電磁兼容問題及變頻器價(jià)格問題成為該方案推廣的障礙。

 

  1.7.2 采用輔助加熱器系統(tǒng)

 

  通過采用輔助加熱器來提高機(jī)組的蒸發(fā)溫度，解決由于蒸發(fā)溫度過低和壓縮比過高而造成的制冷劑循環(huán)量不足和欠壓縮問題，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)，相對其他二級壓縮系統(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)性問題，列出了國內(nèi)外一些典型解決方案。其形式及特點(diǎn)比較見表1。

 

  2 結(jié)論

 

  針對空氣源熱泵低溫適應(yīng)性問題，本文列出了國內(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，通過對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，這對于空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。