0 引言

 

  當今世界，節能與環保問題日益提上日程。以燃煤為基礎的供暖模式所帶來的負面影響越來越不能適應社會可持續發展的要求。空氣源熱泵以其獨特優點成為熱泵諸多型式中應用最為廣泛的一種，但是它的應用受到氣候條件的約束。隨著室外氣溫的不斷下降，室內采暖熱負荷會不斷增加，同時傳統空氣源熱泵將會產生下列問題[1]：

 

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

 

  (2)由于壓縮機壓縮比的不斷增加，壓縮機的排氣溫度迅速升高。在很低的室外溫度下，壓縮機會因防止過熱而自動停機保護，這使得熱泵只能在不太低的室外氣溫下運行。

 

  (3)由于壓縮機壓力比的增大，系統的性能系數(COP)急劇下降。

 

  (4)如果熱泵只為低溫情況下設計，那么它的制熱量遠遠大于較高室外溫度下所需熱負荷。當熱泵在較高室外溫度情況下運行時，需要循環的啟閉來減少其制熱量，這樣會降低系統性能。

 

  針對傳統空氣源熱泵的以上局限性，國內外專家學者紛紛提出了不同的解決方案。其中包括：帶中間冷卻器或經濟器的二級壓縮熱泵系統，帶經濟器的準二級壓縮熱泵系統，以提高潤滑油流量來冷卻壓縮機的熱泵系統，采用變頻技術、輔助加熱器、復疊式蒸汽壓縮的熱泵系統，以及雙級耦合熱泵系統等。

 

  本文主要介紹以上提及的針對寒冷地區空氣源熱泵的解決方案，并做出分析比較，這對于更好地促進空氣源熱泵技術的發展具有積極的意義。

 

  1 低溫空氣源熱泵的現狀與發展

 

  空氣源熱泵應用于寒冷地區冬季制熱時，系統制熱量隨著室外溫度的降低而迅速下降。同時，隨著吸氣壓力的降低，壓縮機壓力比迅速升高，導致排氣溫度急劇上升。解決空氣源熱泵的低溫適應性，主要應從以下幾方面著手研究：增加低溫工況下系統工質循環量、控制機組排氣溫度、優化機組壓縮機內部的工作過程、選用適用于大工況范圍的制冷劑。通常在同一個低溫空氣源熱泵系統中綜合了多個解決途徑。

 

  1.1 單級低溫熱泵系統

 

  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計的壓縮機的單級熱泵系統仍然可以穩定運行。這種壓縮機主要采用R507、R404為工質，在大壓縮比下仍可穩定運行，不會因過熱而停機。但是相對其他低溫熱泵系統來說，它的COP 相對較低。同時，由于壓縮機專為低蒸發壓力工況設計，在較高室外氣溫下其性能降低。隨著室外溫度的升高，系統的制熱量逐漸增加，但是室內采暖熱負荷減小，這使得熱泵系統運行時間短，從而降低系統運行效率。單級低溫熱泵系統可以綜合變頻技術、并聯壓縮機或可替換壓縮機方式、蓄熱系統，但是這樣會增加單級系統的投資，從而丟掉了其最大的優點———低廉的安裝費用。

 

  1.2 帶油冷卻的單級壓縮熱泵系統

 

  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流程見圖1。

 

  冷卻過程發生在冷凝器中，換熱后的油回到壓縮機油路進口。較低的排氣溫度使得壓縮機輸入功率減小，同時系統在較低的吸氣壓力下進行。但是油的溫度高于蒸發溫度，因而增加了系統過熱度，從而增加壓縮機功耗，同時降低了系統COP。總之，如果系統設計合理，在不用過多增加安裝費用的情況下可以提高系統的運行效率，并且可以在較低室外溫度下穩定運行。

 

  1.3 帶中間冷卻器的二級壓縮熱泵系統

 

  這種系統主要是應用于蒸發溫和冷凝溫度相差較大的工況，并且在室外氣溫較高時可以單獨使用一個壓縮機，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行的溫度適應性大大提高。但是由于中間冷卻器是由循環熱水來進行冷卻，這樣冷卻器的溫度較高，低壓級壓縮機的制冷劑不能被冷卻至飽和狀態，這樣會使得系統運行不能達到最佳COP。

 

  1.4 帶經濟器的二級壓縮熱泵系統

 

  帶經濟器的二級壓縮熱泵系統流程見圖3。在帶經濟器的二級壓縮熱泵系統高壓級壓縮機吸氣處，一定量的兩相制冷劑與低壓級壓縮機排出的高溫氣態制冷劑相混合。這樣壓縮機排氣溫度過高現象得以解決，同時，由于經濟器中的換熱，使得從冷凝器出來的制冷劑在進入膨脹閥之前過冷，從而提高系統的COP。但是該系統要準確控制好進入高壓級壓縮機制冷劑狀態。帶經濟器的二級壓縮熱泵系統相對于其他低溫熱泵系統有較高的運行效率。但是它的安裝費用較高，在逆運行除霜及空調用方面有一定的局限性。

 

  1.5 帶經濟器的準二級壓縮熱泵系統

 

  在80 年代中期國內學者提出了帶經濟器的準二級壓縮熱泵系統，并在螺桿機組中得到成功應用。經研究，在-30 ℃工況下，該系統完全可以取代雙級壓縮系統。但是螺桿機組容量一般較大，同時其相對于雙級壓縮系統的優點隨蒸發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準二級壓縮熱泵系統流程圖帶輔助進氣口的渦旋壓縮機實現帶經濟器的準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。經濟器系統分為過冷器系統和閃發器系統。帶過冷器的渦旋壓縮機準二級壓縮熱泵系統流程見圖4[3]。該系統結構簡單，無需對常規系統進行很大改造。在較低環境溫度時能夠穩定運行，且制熱量能夠滿足冬季采暖熱負荷。通過啟閉補氣回路的截止閥來實現準二級壓縮模式與單級壓縮模式之間的轉換，使系統在正常制熱/ 制冷及低溫制熱工況下的經濟性得到較好兼顧。

 

  帶閃發器的渦旋壓縮機準二級壓縮熱泵系統流程見圖5。通過理論與實驗數據的分析比較得出：在低溫工況下，閃發器前節流系統比過冷器系統更能有效地提高空氣源熱泵的低溫制熱性能，同時由于其結構簡單，成為寒冷地區用小型空氣源熱泵的較佳選擇。

 

  1.6 雙級耦合熱泵系統

 

  雙級耦合熱泵系統由一級側循環(空氣—水熱泵機組)和二級側循環(水—水熱泵機組)通過中間水環路耦合在一起，其流程見圖6。該系統可根據室外氣溫進行單、雙級交替運行，使其可以很好地適應室內負荷波動。在雙級工況下，一級側循環運行條件和供暖特性均得以有效改善，且中間水環路不存在回灌等技術難題。因此，雙級耦合熱泵系統也是一種適用于寒冷地區的新型供暖系統。

 

  1.7 其他解決方案

 

  1.7.1 采用變頻技術

 

  溫工況可靠性問題而不能保證其經濟性，此時系統COP 下降幅度非常大。同時，噪聲的增加、高頻運行回油問題、電磁兼容問題及變頻器價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

 

  通過采用輔助加熱器來提高機組的蒸發溫度，解決由于蒸發溫度過低和壓縮比過高而造成的制冷劑循環量不足和欠壓縮問題，從而改善機組運行環境。

 

  但是該系統形式較為復雜，燃料釋放的熱量不能充分利用，阻礙了該系統的發展前景。

 

  1.7.3 復疊式蒸汽壓縮系統

 

  復疊式蒸汽壓縮系統早已應用到制冷行業，相對其他二級壓縮系統，該系統可以采用兩種不同的制冷劑作為工質，使得每種制冷劑可在其最佳設計工況范圍內工作。但是隨著室外溫度的升高，其在高壓比下運行的較高COP 值將會減小。當壓縮機運行壓縮比低于設計壓縮比時，壓縮機運行效率迅速下降。同時，由于復疊式蒸汽壓縮系統不能單獨運行一個壓縮機，使得系統很難在部分負荷下運行。

 

  1.8 各方案的分析比較

 

  本文就空氣源熱泵的低溫適應性問題，列出了國內外一些典型解決方案。其形式及特點比較見表1。

 

  2 結論

 

  針對空氣源熱泵低溫適應性問題，本文列出了國內外的一些解決方案，分析了其優缺點并進行相互比較。由于在一個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展與完善，這對于空氣源熱泵技術的發展具有重要意義。