基于噴液冷卻式空氣源熱泵實驗性能分析*

蔡志敏，李建國，李春來，李韶峰，伍懿美

（1.河源職業(yè)技術學院，廣東 河源 517000；2.龍川紐恩泰新能源科技有限公司，廣東 河源 517300）

近幾十年來，我國經濟發(fā)展快速，人民的生活水平也有了很大提高，然而，大氣污染卻比較嚴重，特別是我國北方冬季燃煤采暖等，造成了很多城市出現大面積霧霾天氣，嚴重影響了人民的健康和生活。煤改清潔能源是國家制定的大氣污染防治計劃的重要方向，在國家提出的“26+2”城市煤改清潔能源行動方案中，空氣源熱泵由于不污染、效率高等特點，成為替代燃煤供暖等措施的重要發(fā)展方向。

1 空氣源熱泵技術簡述

在我國，北方大部分寒冷地區(qū)，空氣源熱泵在工作過程中出現了較多問題：在冬季，空氣源熱泵機組室外環(huán)境溫度比較低時，機組蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力過低，從而造成空氣源熱泵機組啟動困難；隨著室外環(huán)境溫度的下降，機組制熱量嚴重不足；并且室外機的蒸發(fā)器結霜嚴重，不僅影響換熱器與室外空氣之間的熱量傳遞，而且蒸發(fā)溫度也會因此降低，制熱量嚴重衰減。

空氣源熱泵最早起源于南方城市，比如華南、華中地區(qū)。隨著熱泵低溫技術的不斷改進，空氣源熱泵的適用范圍和地區(qū)也更加廣泛、廣闊，近年來，在我國北方很多地區(qū)也得到了快速發(fā)展。

對空氣源熱泵在低溫環(huán)境下存在的限制和問題，國內外許多學者展開了大量的工作和研究，冉小鵬等人設計并制作了一臺空氣源熱泵，并且測試了該熱泵在低溫環(huán)境下運行的穩(wěn)定性和可行性及增加中間補氣后對空氣源熱泵系統(tǒng)整體性能的影響。結論如下：在室外零下20℃的環(huán)境溫度下系統(tǒng)運行穩(wěn)定；并且還總結出了補氣量的最優(yōu)情況，能使系統(tǒng)的能效比保持最高，從而提高了熱泵機組的性能。趙曉丹等人針對空氣源熱泵機組在北方冬季低環(huán)境溫度下制熱量衰減的問題，利用中間補氣的方法，試驗研究了空氣源熱泵在不同室外環(huán)境溫度下的機組性能，得出如下結論：通過補氣，熱泵機組的壓縮機排氣溫度可以控制在90℃以下范圍，當室外環(huán)境溫度降至零下15℃時，中間補氣式熱泵的制熱量與普通熱泵相比提高了27.1%，能效比提高了4.8%。馬一太等人對空氣熱泵系統(tǒng)中的壓縮機進行了研究，主要對比了轉子式壓縮機和渦旋式壓縮機并分析總結得出：兩款機組都可以通過噴氣增焓的方式在室外低溫環(huán)境下增大制熱量以及能效比；而轉子式壓縮機相比更具有優(yōu)勢，適用于更低的室外環(huán)境溫度工況，通過噴氣增焓的形式可以實現準二級壓縮。劉娜等人設計開發(fā)了一套雙級壓縮式空氣源熱泵機組，并對該機組在不同工況下進行了性能測試研究，得出結論如下：在相同的室外低溫環(huán)境溫度下，雙級壓縮式空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱量衰減幅度相對普通熱泵系統(tǒng)減少，在室外環(huán)境溫度為零下15℃的工況下能效比比普通熱泵提高22%左右。

2 噴液冷卻式空氣源熱泵的工作原理

系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、噴射管路等組成。工作過程為：將中溫氣液混合的制冷劑噴入壓縮機的渦旋盤內，與主路被壓縮后的高溫高壓制冷劑混合，以此來降低壓縮機在高壓比時的排氣溫度?？諝庠礋岜玫墓ぷ髟砣鐖D1 所示。

由圖1 分析可知：制冷劑被冷凝器冷卻后，流出分兩路，一路為主路，一路為次路，主路經節(jié)流閥節(jié)流（6），到蒸發(fā)器相變吸熱后由壓縮機吸入（1）。次路經節(jié)流閥節(jié)流降壓后直接到壓縮機噴液口噴入（7），與壓縮機內原有制冷劑進行混合后（3）經壓縮機壓縮排出（4）。

圖1 噴液冷卻熱泵工作原理圖

由圖2 分析可知：如果沒有次路噴液系統(tǒng)，壓縮機排氣溫度會升高。所以噴液系統(tǒng)可有效降低壓縮機排氣溫度。

圖2 噴液冷卻系統(tǒng)壓焓圖

因為噴射冷媒溫度較低且為氣液混合態(tài)，所以有效降低壓縮機的排氣溫度，從而使熱泵在室外低環(huán)境溫度下可以得到更高的冷凝壓力和更大的運行范圍區(qū)間。由于系統(tǒng)只增加了噴液閥，不需要另外加閃發(fā)器或經濟器，簡化了系統(tǒng)設計，降低了成本。

3 實驗數據分析

在低溫空氣源熱泵冷水機組性能實驗室中，試驗檢測噴液冷卻空氣源熱泵的制熱性能，包括熱泵制熱性能系數COP 和制熱量Q 隨模擬室外氣溫T 的變化情況。試驗熱泵選用某型號額定制熱量為55kW 的噴液冷卻式渦旋空氣源熱泵，試驗模擬室外氣溫T 分別為10，0，-5，-10，－15 時空氣源熱能的工作性能。具體參數如表1 所示。

表1 噴液冷卻式熱泵在不同環(huán)境條件參數變化一覽表

由表1、圖3 及圖4 分析可知，在室外溫度為10℃時，熱泵的COP 為3.60，和普通熱泵相比無明顯優(yōu)勢，而隨著室外溫度的降低，COP 的下降有明顯的延緩趨勢，室外溫度為-10℃時，熱泵的COP 還可以達到2.45 以上，在-15℃時COP 還可以達到2.13，比電熱或其他形式的熱源有明顯的節(jié)能效果。

圖3 噴液冷卻式熱泵隨環(huán)境溫度變化的制熱量變化趨勢圖

圖4 噴液冷卻式熱泵隨環(huán)境溫度變化的COP 變化對比圖

4 結束語

由于系統(tǒng)只增加了噴液閥，不需要另外加閃發(fā)器或經濟器，簡化了系統(tǒng)設計，降低了成本。

通過對一臺噴液冷卻的空氣源熱泵在不同環(huán)境溫度下的相關參數進行檢測并對數據進行對比分析，發(fā)現隨著外界環(huán)境溫度的下降，噴液冷卻空氣源熱泵機組COP的下降較普通熱泵有明顯的延緩趨勢，室外溫度為-10℃時，熱泵的COP 可以達到2.45 以上，在-15℃時COP 還可以達到2.13，噴液冷卻空氣源熱泵機組在低溫環(huán)境下效率較高；比電熱或其他形式的熱源有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。