噴氣增焓技術(shù)在低溫多聯(lián)機中的應(yīng)用探討

李立民 滕天鳳

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519110）

引言

我國東北、西北、華北等地區(qū)，在冬季仍然廣泛燃燒大量石油、煤炭等原始能源作為供暖形勢，這種能源轉(zhuǎn)化形式，不僅能源轉(zhuǎn)化率低而且造成了冬季空氣嚴重污染，特別是籠罩全國的“霧霾”。而低溫強熱型空氣源熱泵多聯(lián)機，以其清潔、環(huán)保、高能力、能效高、占地小、智能控制等特點，是頂替?zhèn)鹘y(tǒng)鍋爐供暖形勢的途徑之一。

與傳統(tǒng)普通的空氣源熱泵多聯(lián)機相比，處于高緯度的北方地區(qū)，在嚴寒深入而變得更加寒冷，在一些高維度地區(qū)會達到-30 ℃以下，在這種極端氣溫下，空氣源熱泵從環(huán)境中吸收熱量的能力變?nèi)?，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度變得更低，此時，壓縮機吸氣比容增大，輸氣系數(shù)減小，最終會導(dǎo)致制熱量與COP減??；同時也因壓縮比過大，造成排氣溫度異常升高，這直接威脅壓縮機的可靠性運行，這也是普通空氣源熱泵多聯(lián)機無法廣泛應(yīng)用于北方的主要原因[1]。為適用北方惡劣嚴寒氣候，本文采用噴氣增焓直流變頻渦旋壓縮機，并結(jié)合經(jīng)濟器的使用，構(gòu)建EVI（Economizer Vapor Inject）系統(tǒng)，從而實現(xiàn)低溫熱泵多聯(lián)機在北方的可靠供暖。

1 噴氣增焓系統(tǒng)的熱力學原理優(yōu)勢

如圖 1 所示，一般熱泵循環(huán)為 1 ～ 7′ ～ 8 ～ 9′ ～ 1，采用噴氣增焓技術(shù)的二次節(jié)流制熱循環(huán)與傳統(tǒng)制熱循環(huán)的主要區(qū)別在于：

圖1 噴氣增焓系統(tǒng)的壓焓圖及系統(tǒng)圖

從室內(nèi)換熱器（冷凝器）出來后的高壓制冷劑液體分為兩路：主回路和噴氣回路，1 ～ 2為主回路吸氣壓縮機過程（從吸氣壓力到中間壓力的壓縮機）；

1 ～ 2為主回路吸氣壓縮機過程（從吸氣壓力到中間壓力的壓縮機）；

2 ～ 3 ～ 4為噴氣回路與主回路的氣態(tài)制冷劑混合過程，2 ～ 3為中間冷卻過程，3點為最終冷卻點；

3 ～ 7為兩個回路氣態(tài)混合后的壓縮機過程；

7 ～ 8為主回路的室內(nèi)換熱器（做冷凝器時）冷凝放熱過程；

8 ～ 9為主回路的內(nèi)機電子膨脹閥的節(jié)流過程，假定制熱循環(huán)中，內(nèi)機電子膨脹閥未參與節(jié)流；

9 ～ 10為主回路的在過冷器中的過冷過程（注：本系統(tǒng)過冷器的流向是制熱逆流，即先過冷再分流）；

10 ～ 6為主回路的外機制熱電子膨脹閥的節(jié)流過程，認為從冷凝壓力絕熱膨脹到吸氣壓力節(jié)流降壓過程；

6 ～ 1為主回路的室外換熱器的蒸發(fā)吸熱過程；

10 ～ 5為噴氣回路的過冷器中的節(jié)流過程，認為從冷凝壓力絕熱膨脹到壓機中間壓力節(jié)流降壓過程；

5 ～ 4為噴氣回路在過冷器中的吸熱過程。

對噴氣增焓系統(tǒng)的制熱循環(huán)與普通熱泵系統(tǒng)，相比[2]：

1.1 噴氣增焓制熱循環(huán)與普通單級壓縮制熱循環(huán)

Q放熱量=A（h7′-h9）相比，室內(nèi)換熱器的放熱增加量為：

式中：

Q放熱量—制冷劑在冷凝器中的放熱量，kJ/s；

△Q放熱量—噴氣增焓制熱循環(huán)與普通單級壓縮制熱循環(huán)在冷凝器中放熱量的差值，kJ/s；

h7′—普通單級壓縮壓縮機出口制冷劑焓值，kJ/kg；

h7—噴氣增焓壓縮壓縮機出口制冷劑焓值，kJ/kg；

h9—冷凝器出口制冷劑焓值，kJ/kg；

A—主回路質(zhì)量流量，kg/s；

a—噴氣回路質(zhì)量流量，kg/s。

增加的放熱量為補氣增加的供熱量減去壓縮機排氣過熱溫度降低減少的供熱量，但參照圖的壓焓圖，降低排氣溫度而造成過熱焓差（h7′-h7），遠小于噴氣量放熱焓差量（h7-h9），雖質(zhì)量流量A大于a，但是因為數(shù)量級關(guān)系，式（1）的前式始終要大于后式，因此總的放熱量增加的。

1.2 制熱系數(shù)COP制熱

式中：

EER制冷—制冷性能系數(shù)，W/W；

Q放熱量—蒸發(fā)器吸熱量，kW；

W壓—壓縮機的耗功量，kW；

A—主回路質(zhì)量流量，kg/s；

a—噴氣回路質(zhì)量流量，kg/s；

h1—壓縮機入口制冷劑焓值，kJ/kg；

h2—壓縮機出口制冷劑焓值，kJ/kg；

h3—噴氣回路與主回路的氣態(tài)制冷劑混合后的焓值，kJ/kg；

h6—主回路節(jié)流后制冷劑焓值，kJ/kg；

h9—噴氣增焓壓縮壓縮機出口制冷劑焓值，kJ/kg；

h9′—普通單級壓縮節(jié)流后制冷劑焓值，kJ/kg。

從式（2）可以看出：

在相同工況下若制冷系數(shù)增大，則制熱系數(shù)也一定增大。蒸發(fā)器吸熱量增加，耗功量增加，冷凝器放熱量就一定增加，但制冷系數(shù)、制熱系數(shù)的變化卻取決于吸熱量增加、耗功增加的增長幅度有關(guān)。即只要吸熱量增長幅度能大于耗功增長幅度，制熱性能系數(shù)就大。經(jīng)濟器配合這種噴氣增焓渦旋壓縮機在制熱工況時，從室內(nèi)換熱器出來的液態(tài)制冷劑經(jīng)過過冷器進一步冷卻，增加了過冷度，室外側(cè)換熱器入口和出口之間的焓差增加，從環(huán)境中多吸收了熱量。同時，壓縮機的吸氣流量增加，消耗更多的功率，導(dǎo)致冷凝溫度提高，室內(nèi)換熱器側(cè)換熱溫差增大，室內(nèi)換熱器交換更多的熱量，形成更多的制熱能力可以大幅度提高制熱能力。通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，制熱性能系數(shù)的增長，與壓機頻率輸出相關(guān)，一般接近宣稱制熱能力60 %以上，都會保證制熱性能COP的增長。

2 與傳統(tǒng)供暖設(shè)備成本優(yōu)勢

從圖2供暖設(shè)備機組成本對比圖、表1供暖設(shè)備機組成本對比表可以看出，增焓熱泵多聯(lián)機的初期投資，相比燃煤、燃油鍋爐的投資相對較小，雖然，燃料費（電費）稍貴，但因較高能源轉(zhuǎn)換率，可以使增焓熱泵多聯(lián)機的運行成本，降到最低。其上，初投資及運行成本，看出增焓熱泵多聯(lián)機，其總費用，僅次于燃煤鍋爐集中供暖，成本優(yōu)勢比較明顯[3]。

表1 供暖設(shè)備機組成本對比表

圖2 供暖設(shè)備機組成本對比圖

3 與普通熱泵相比的運行成本優(yōu)勢

因普通空氣源熱泵會受使用氣溫的限制，無法用高維度高寒地區(qū)做比較，所以，以華北石家莊為例，按照冬季（11月到次年3月）室外氣溫變化，按照不同溫度下機組制熱量輸出能力和功率變化，統(tǒng)計兩類多聯(lián)機機組在整個采暖季節(jié)的能耗值。因此可按每天滿負荷運行8 h，電價為 0.34 元 / kWh 進行計算，具體結(jié)果見表 2。

表2 石家莊采暖季增焓系統(tǒng)與普通系統(tǒng)能耗對比表

從表 2石家莊采暖季增焓系統(tǒng)與普通系統(tǒng)能耗對比表可看出，采用增焓熱泵可比普通多聯(lián)機組制熱能耗降低 21.6 %，這一點已證明增焓熱泵比普通熱泵更加節(jié)省運行成本。

4 噴氣增焓直流變頻渦旋壓縮機的優(yōu)勢

圖3是A廠家噴氣增焓直流變頻渦旋壓縮機內(nèi)部示意圖，是在直流變頻渦旋壓縮機以及噴氣增焓技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展，而來的一款新型的準二級壓縮的渦旋壓機，相比二級壓縮系統(tǒng)，其優(yōu)勢是將兩臺獨立的壓縮機合并成一臺壓縮機，且解決了傳統(tǒng)空氣源熱泵空調(diào)的三個問題：

圖3 噴氣增焓直流變頻渦旋壓縮機內(nèi)部示意圖

圖4 焓差試驗室

1）傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱量，會隨著室外環(huán)境溫度的下降而急劇下降，即當室外溫度很低時，系統(tǒng)的制熱量無法滿足這些地區(qū)的冬季采暖需求。

2）隨著室外環(huán)境溫度的降低，壓縮機的壓力比會越來越大，導(dǎo)致機組制熱COP急劇下降。

3）排氣溫度不斷升高，壓縮機功耗增大，長期運行必然會嚴重損壞壓縮機。

綜上，采用噴氣增焓渦旋變頻壓縮機，集噴氣增焓和變頻技術(shù)于一身，解決了多年來困擾整個行業(yè)的北方低溫制熱效果不佳、運行噪音大、能效不足三大技術(shù)難題，推動多聯(lián)機市場進入能效更高、舒適度更佳的時代。需要指出在 -30 ℃，適用這類壓縮機，可以通過轉(zhuǎn)速提高和噴氣增焓技術(shù)方式，實現(xiàn)使系統(tǒng)低溫制熱能力接近系統(tǒng)的額定制熱能力，從而保證用戶在享受全年舒適室內(nèi)環(huán)境的同時，顯著降低耗電量。

5 噴氣增焓多聯(lián)機的性能優(yōu)勢

5.1 噴氣增焓對名義點的性能提高

本文使用10 HP噴氣增焓直流變頻渦旋壓縮機多聯(lián)機與普通直流變頻渦旋壓縮機的壓縮機，進行對比測試實驗，并在焓差臺進行性能測試。

表3 噴氣增焓直流變頻渦旋壓縮機與普通直流變頻渦旋壓縮機主要參數(shù)對比

從表4、圖5可以看出，相同配置（內(nèi)機、室外換熱器等元器件）的兩臺10 HP（額定制冷量28 kW、額定制熱量31.5 kW）外機，通過按照國標GB T18837的測試要求進行測試，即按照宣稱能力92 %的能力允差，可以看出增焓系統(tǒng)的外機：

圖5 增焓系統(tǒng)與普通非增焓系統(tǒng)能效對比圖

表4 增焓系統(tǒng)與普通系統(tǒng)性能對比表

1）增焓系統(tǒng)與增焓系統(tǒng)，兩個相同排量的壓縮機，名義制冷及名義制熱，壓縮機的運行頻率，在滿足相同能力下，可以減少了10 Hz，降低幅度15 %；

2）滿足相同能力率的前提下，增焓系統(tǒng)的能效，制冷能效約提高0.2，制熱能效約提高0.1，提高最大幅度6 %；

3）說明增焓系統(tǒng)，在增焓開時，相當于使用了大排量的壓縮機，因此滿足相同能力的前提下，壓機功率是可以降低的。

5.2 噴氣增焓系統(tǒng)對APF(全年性能系數(shù))的提高

從圖6可以看出增焓系統(tǒng)的外機。

圖6 增焓系統(tǒng)與普通非增焓系統(tǒng)APF對比圖

1）增焓系統(tǒng)與非增焓系統(tǒng)，大部分的測試點，其增焓系統(tǒng)，都要比非增焓要高，其增焓系統(tǒng)的APF要高出0.22；

2）從能效的角度，可以提高額定點、中間點的能效，而這個角度上看，增焓系統(tǒng)對提高能效測試，有著較大的高處；另外，增焓可以提升低溫制熱能力，也是決定提高APF的一個重要因素；

3）對于APF的計算公式上，其中間點的大小占比是最大的，而增焓系統(tǒng)的使用，就是為提高APF測試提供了，一種可能；因此，用增焓系統(tǒng)對提升APF的性能，有著很高的優(yōu)勢。

5.3 噴氣增焓系統(tǒng)對低溫制熱量的提高

從圖7可以看出：

圖7 增焓系統(tǒng)與普通非增焓系統(tǒng)低溫制熱對比

1）非增焓系統(tǒng)一般只能運行到（-15～20）℃，再低就會對機組運行有很大的危害，比如排氣溫度過高，低壓過低，容易發(fā)生液擊、燒壓縮機等的危險情況。

2）增焓系統(tǒng)可以在- 15環(huán)境下，仍保持強勁的制熱量，這點與額定制熱相當（與非增焓系統(tǒng)相比，制熱量提升了近8.5 kW），這極大滿足的用戶的制熱需求，同時，使用條件也從（-15～20）℃擴寬到（-25～ -30）℃，極大地拓寬了空氣源熱泵的使用范圍，可以滿足了北方市場；

3）由于增焓系統(tǒng)，就是使用噴氣增焓渦旋壓縮機改善壓縮過程，降低了排氣溫度，并且可通過噴入濕蒸氣，控制排氣溫度在要求范圍內(nèi)，擴展運行范圍，保證熱泵系統(tǒng)可靠性。

6 結(jié)論

本文結(jié)合中國北方嚴寒地區(qū)污染現(xiàn)狀與冬季供暖的實際，引入艾默生噴氣增焓多聯(lián)機系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的原理優(yōu)勢（可實現(xiàn)制熱能力及能效的提高）、成本優(yōu)勢（投資最大節(jié)約37 %、運行成本最大節(jié)約28 %），特別是高制熱能力（低溫能力提升40 %）及節(jié)能（綜合能效提高22 %）優(yōu)勢，證明使用增氣噴焓壓縮機的空氣源熱泵多聯(lián)機，是實現(xiàn)北方清潔環(huán)保、高效制熱時一種行之有效的手段且這種技術(shù)也可大范圍在北方進行推廣使用。