實(shí)驗(yàn)研究?jī)杉?jí)壓縮技術(shù)在空氣源熱泵中的應(yīng)用

龍劍

（佛山市南海區(qū)獅山鎮(zhèn)南方風(fēng)機(jī)股份有限公司，廣東佛山528225）

實(shí)驗(yàn)研究?jī)杉?jí)壓縮技術(shù)在空氣源熱泵中的應(yīng)用

龍劍

（佛山市南海區(qū)獅山鎮(zhèn)南方風(fēng)機(jī)股份有限公司，廣東佛山528225）

根據(jù)低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，在風(fēng)冷熱泵機(jī)組上完成了旨在實(shí)現(xiàn)超低溫可靠、高能效的兩級(jí)壓縮熱泵技術(shù)研究。在制熱性能方面，以單級(jí)壓縮系統(tǒng)性能為基準(zhǔn)，在-7℃和-15℃環(huán)境溫度下，當(dāng)排氣壓力表壓為1 500 kPa時(shí)，兩級(jí)壓縮經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)的制熱量分別提高了20%和29%，COP分別提高了12%和22%；當(dāng)排氣壓力表壓在1 700 kPa時(shí)，性能改善幅度更大。在制冷性能方面，在35～52℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)，兩級(jí)制冷系統(tǒng)比單級(jí)系統(tǒng)在制冷量上有更大優(yōu)勢(shì)，在42℃以上環(huán)境溫度下，EER也表現(xiàn)出10%以內(nèi)的優(yōu)勢(shì)。

兩級(jí)壓縮；空氣源熱泵；閃蒸型經(jīng)濟(jì)器；過冷型經(jīng)濟(jì)器

目前，我國(guó)的主要采暖方式有以燃料為熱源的集中供暖方式、電熱供暖方式和熱泵采暖方式。燃料集中采暖是我國(guó)北方寒冷地區(qū)采用的最主要的采暖方式。這種采暖方式的普遍應(yīng)用給能源利用帶來(lái)高風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)帶來(lái)很多燃煤污染。電熱供暖的方式能源利用率較低，安全系數(shù)也較低。就長(zhǎng)期投資而言，熱泵采暖方式具備一定的優(yōu)勢(shì)。因此，如何提高熱泵應(yīng)用技術(shù)水平，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和節(jié)約國(guó)家能源，成為我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的很大課題。普通空氣源熱泵在低溫工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和可靠性都存在很大的局限性。因此，要改變我國(guó)北方寒冷地區(qū)的采暖方式，就要大力開發(fā)低溫空氣源熱泵技術(shù)。如何兼顧熱泵機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和可靠性成為本文研究的目的。本文在該領(lǐng)域開展了一些應(yīng)用研究工作。

1 兩級(jí)壓縮空氣源熱泵技術(shù)介紹

美國(guó)能源部在2002年列舉了最具潛在節(jié)能技術(shù)的15個(gè)選項(xiàng)，低溫?zé)岜煤妥兞髁肯到y(tǒng)都名列其中。兩級(jí)壓縮低溫?zé)岜眉礊檫@一應(yīng)用的特例。

Hallowell International公司把該技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品中，在加拿大和美國(guó)寒冷地區(qū)大力宣傳和推廣其兩級(jí)壓縮低溫?zé)岜?，并獲得美國(guó)能源部EnergyStar項(xiàng)目的節(jié)能補(bǔ)貼。美國(guó)普渡大學(xué)也就該課題進(jìn)行了深入的研究，并發(fā)表了專利。

兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)可以分為一般系統(tǒng)、閃蒸式經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)和過冷型經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)，并在性能和成本方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文不再贅述。

2 理論分析

過冷型或閃蒸型經(jīng)濟(jì)器兩級(jí)壓縮熱泵機(jī)組的流程圖見圖1.熱泵運(yùn)作時(shí)，從冷凝器出來(lái)的高溫高壓制冷劑液體經(jīng)過一次節(jié)流后，形成了制冷劑的氣液混合物，通過經(jīng)濟(jì)器進(jìn)入第二級(jí)節(jié)流。

圖1 閃蒸型經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)的風(fēng)冷冷水熱泵機(jī)組制冷系統(tǒng)流程

圖2 閃蒸型經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)p-h圖

就閃蒸型經(jīng)濟(jì)器而言，在經(jīng)濟(jì)器中閃發(fā)的制冷劑氣體，經(jīng)中間補(bǔ)氣管進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)的吸氣管，與低壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣一起被壓縮，形成兩級(jí)壓縮。圖2為壓縮過程的p-h圖。兩級(jí)壓縮的配比、補(bǔ)氣點(diǎn)位置和油溫的不同都會(huì)影響第二級(jí)壓縮前期和后期的等熵壓縮效率和指示效率，在一定程度上會(huì)改變制熱量、壓縮機(jī)功率和壓縮機(jī)COP的變化趨勢(shì)。

閃蒸型經(jīng)濟(jì)器中間補(bǔ)氣熱泵循環(huán)的質(zhì)量和能量平衡方程如下：

式（1）中，qmcomp為壓縮機(jī)的排氣質(zhì)量流量，kg/s；qmevap為壓縮機(jī)的蒸發(fā)器吸氣量，kg/s；qmflash為兩級(jí)壓縮中間補(bǔ)氣流量，kg/s；h5為冷凝器出口制冷劑過冷液體比焓，kJ/kg；h5′為閃蒸經(jīng)濟(jì)器內(nèi)中間壓力下的飽和制冷劑液體比焓，kJ/kg；h5"為閃蒸經(jīng)濟(jì)器內(nèi)中間壓力下的飽和制冷劑氣體比焓，kJ/kg。

中間補(bǔ)氣過程的能量方程、比容積方程和比熵方程、單位制冷劑吸氣量中間補(bǔ)氣量的計(jì)算式分別為：

式（3）（4）（5）（6）中，α為單位壓縮機(jī)吸氣量的中間補(bǔ)氣量；vf為補(bǔ)氣過程結(jié)束時(shí)的制冷劑氣體比容，m3/kg；v2為第一級(jí)壓縮終了壓力下的制冷劑氣體比容，m3/kg；sf為補(bǔ)氣過程結(jié)束時(shí)的制冷劑氣體比熵，kJ/（kg·K）；s5"為中間壓力對(duì)應(yīng)的制冷劑飽和氣體比焓，kJ/（kg·K）；s2為第一級(jí)壓縮終了壓力下的制冷劑氣體比熵，kJ/（kg·K）。

單位質(zhì)量壓縮功方程如下：

3 試驗(yàn)條件

本文在風(fēng)冷熱泵機(jī)組上進(jìn)行了一些性能仿真和對(duì)比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示。機(jī)組的測(cè)試在焓差環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。試驗(yàn)裝置包括空氣系統(tǒng)和制冷劑循環(huán)系統(tǒng)，測(cè)試儀器的技術(shù)參數(shù)和精度見表1.

表1 測(cè)試儀器和設(shè)備

兩級(jí)壓縮熱泵機(jī)組采用了過冷式和閃蒸式經(jīng)濟(jì)器復(fù)合系統(tǒng)，制熱時(shí)采用閃蒸式系統(tǒng)，制冷時(shí)采用過冷式系統(tǒng)。機(jī)組以R22作為制冷工質(zhì)，采用了渦旋式壓縮機(jī)、管翅片換熱器、閃蒸器、板翅式換熱器；采用電磁閥控制閃蒸式經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣，電子膨脹閥控制過冷經(jīng)濟(jì)器的流量。

圖3 單級(jí)壓縮和兩級(jí)壓縮的制熱量和能效對(duì)比

圖4 兩級(jí)壓縮循環(huán)的制熱性能改善和排氣溫度對(duì)比

4 性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 制熱性能改善

制熱性能對(duì)比主要體現(xiàn)在低溫工況，同時(shí)驗(yàn)證2種系統(tǒng)的制熱作用域。

圖3（a）和圖3（b）顯示，在室外溫度低于-7℃后，單級(jí)壓縮系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“SGL”）制熱量衰減了40%以上，能效比在2.0以下，已經(jīng)不能維持1 700 kPa的排氣壓力了。而兩級(jí)壓縮經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“BST-VI”）在-15℃后才達(dá)到這一狀態(tài)，并且仍然能夠保持1 700 kPa的排氣壓力。從理論分析預(yù)測(cè)，兩級(jí)壓縮系統(tǒng)可以在-25℃低溫下可靠工作。

圖4（a）和圖4（b）顯示，當(dāng)環(huán)境溫度低于-7℃時(shí)，如果仍要求獲得較舒適的出風(fēng)狀態(tài)（飽和排氣溫度大于46℃），單級(jí)壓縮的排氣溫度已經(jīng)高達(dá)110℃的極限值，而兩級(jí)壓縮在-15℃環(huán)境溫度時(shí)才出現(xiàn)該極限。以單級(jí)壓縮系統(tǒng)性能為基準(zhǔn)，在-7℃和-15℃環(huán)境溫度時(shí)，當(dāng)排氣壓力在1 500 kPa時(shí)，兩級(jí)壓縮經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)制熱量改善幅度（簡(jiǎn)稱“ΔHEATCAP”）分別為20%和29%，COP改善幅度（簡(jiǎn)稱“ΔCOP”）分別為12%和22%.當(dāng)排氣壓力在1 700 kPa時(shí)，性能改善會(huì)更加明顯。

4.2 制冷性能改善

圖5 單級(jí)壓縮和兩級(jí)壓縮的制冷量、能效比和排氣溫度

制冷性能對(duì)比主要體現(xiàn)在高溫工況，同時(shí)驗(yàn)證2種系統(tǒng)的制冷作用域。制冷是在過冷型經(jīng)濟(jì)器兩級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)下完成的。在室外溫度高于43℃后，單級(jí)壓縮系統(tǒng)必須靠降低壓縮機(jī)吸氣過熱度來(lái)降低排氣溫度，甚至采用蒸發(fā)器回液和冷凝器出口引入噴液旁路來(lái)降低排氣溫度，并且在室外溫度高于46℃后，還存在壓縮機(jī)超出作用域的風(fēng)險(xiǎn)。而兩級(jí)壓縮系統(tǒng)，則在室外溫度52℃范圍內(nèi)，完全克服了單級(jí)系統(tǒng)的上述風(fēng)險(xiǎn)，并且不必采用回液控制。

圖5顯示了制冷性能的對(duì)比情況。在制冷量方面，兩級(jí)壓縮在環(huán)境溫度高于30℃時(shí)一直有優(yōu)勢(shì)，具體為：在環(huán)境溫度為35℃和46℃時(shí)，兩級(jí)壓縮系統(tǒng)（BST-VI）制冷量較單級(jí)系統(tǒng)（SGL）分別提高了4.2%和7.9%；在能效方面，存在一個(gè)交點(diǎn)，位置在環(huán)境溫度43℃附近。

另外，在46℃工況下，兩級(jí)壓縮系統(tǒng)的壓縮機(jī)吸氣過熱度為9.7℃，而單級(jí)壓縮系統(tǒng)則靠回液和噴液并用將吸氣過熱度控制在4.9℃，才能達(dá)到控制排氣溫度的效果。

4.3 采暖能耗對(duì)比

我們以美國(guó)能源價(jià)格來(lái)作評(píng)估對(duì)比，表2對(duì)8種常用的采暖方式進(jìn)行了能耗和成本計(jì)算。從數(shù)據(jù)看出，使用低溫空氣源熱泵、地源熱泵、天然氣加熱器和無(wú)煙煤鍋爐的采暖方式成本較低。

不考慮初投資的影響，對(duì)于兩級(jí)壓縮空氣源熱泵，在-15～7℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)具備采暖成本優(yōu)勢(shì)。

表2 若干采暖方式的能耗對(duì)比[5]

5 結(jié)論

在制熱性能方面，以單級(jí)壓縮系統(tǒng)性能為基準(zhǔn)，在-7℃和-15℃環(huán)境溫度時(shí)，當(dāng)排氣壓力在1 500 kPa時(shí)，兩級(jí)壓縮經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)的制熱量提高了20%和29%，COP分別提高了12%和22%；當(dāng)排氣壓力在1 700 kPa時(shí)，性能改善會(huì)更加明顯。在制冷性能方面，在35～52℃，兩級(jí)制冷系統(tǒng)較單級(jí)系統(tǒng)在制冷量上有較大優(yōu)勢(shì)，在42℃以上，EER也有優(yōu)勢(shì)，但優(yōu)勢(shì)均在10%以內(nèi)。兩級(jí)壓縮系統(tǒng)在低溫制熱和高溫制冷可靠性運(yùn)行范圍有很大的作用域拓展，在沒有噴液、回液等副作用控制下，分別使得制熱延伸到-25℃、制冷延伸到52℃，尤其是熱泵應(yīng)用前景頗有競(jìng)爭(zhēng)力。

兩級(jí)壓縮熱泵技術(shù)應(yīng)用尚需綜合能效和諸多可靠性設(shè)計(jì)加以輔助，需要進(jìn)一步開展在化霜、季節(jié)能效比、壓縮機(jī)油平衡技術(shù)、壓縮機(jī)可靠性等方面的工作。

〔編輯：劉曉芳〕

TU831

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.153

2095－6835（2017）16－0153－04