两级压缩和单级补气式滚动转子压缩机应用于热泵系统的理论与实验研究

郭宏（广东美芝制冷设备有限公司 研发中心，广东 佛山 528300）

科技与应用

两级压缩和单级补气式滚动转子压缩机应用于热泵系统的理论与实验研究

郭宏
（广东美芝制冷设备有限公司 研发中心，广东 佛山 528300）

热泵是一种重要的节能装置，但是理论与实践证明传统热泵系统在-15℃以下低温环境无法正常工作。两级压缩和单级补气技术是目前针对空气源热泵低温制热改善方案中实际应用相对较成熟技术。对两种技术方案进行了理论分析及实验对比，分析结果表明，单级补气及两级压缩均能较好地改善低温制热效果，单级补气结构相对简单，在较大温度范围具有能力及能效优势。

热泵；两级压缩；补气；制热量；COP

热泵是一种重要的节能装置，它能在投入一个单位的高品质能量的条件下产出多于一个单位的热量，较电加热等传统供热方式具有明显的节能优势，所以在资源短缺及环境污染问题严重的今天，对热泵的研究越来越引起人们的重视。长期以来，空气源热泵空调机组在我国长江中下游、西南、华南地区得到广泛的应用，无需辅助热源，能够以较低的初投资、较低的能耗较好地满足该地区的采暖、空调要求，使用方便、高效节能，对使用地区没有什么污染，能实现一机两用。但是对于黄河流域及华北地区，其采暖期较长并且气温较低，在这些地区使用的空气源热泵必须能在-15℃的大气环境中高效、可靠地长期运转，才能满足冬季采暖的要求。理论与实践证明，在长江中下游等相对温暖地区使用的传统热泵系统无法在这样的低温环境中正常工作，主要表现在：1）制热量很小，无法满足寒冷地区冬季的采暖要求；2）不能可靠地工作，随着室外环境温度的降低，机组COP急剧下降、压缩机的压比会越来越大，导致排气温度不断升高，长时间运行会严重损坏或烧毁压缩机。因此传统的空气源热泵不能不做任何改进就推广到寒冷地区。

近年来，国内外关于解决空气源热泵在低温环境下制热性能不足的问题有不少研究方向及成果，其中相关技术在商用空调中有较成熟应用，家用空调器领域相关课题研究开展相对较晚，其中基于滚动转子压缩机相关技术基础上的两级压缩和单级补气循环系统因具有结构简单和适应性强的特点成为研究的热点，本文的主要内容则是综合考虑系统循环性能特点及压缩机工作特征对上述两种技术方案做相应理论与实验分析，为后续相关领域工作开展提供参考。

1　两级压缩与单级补气循环对比

两级压缩和单级补气技术是目前针对空气源热泵低温制热改善方案中实际应用相对较成熟技术，其主要原理均是通过中间补气的方式提升冷凝器侧制冷剂流量并以此提升制热量，同时可以降低排气温度，对改善低温制热量衰减有较明显效果。其中，两级压缩系统循环p-h如图1所示，单级补气系统循环p-h如图2所示。

图1　两级压缩系统循环图

图2　单级压缩喷气系统循环图

由图1可知，应用于空气源热泵的两级压缩循环为一种不完全冷却两级压缩方式，其中，系统所用两级压缩式滚动转子压缩机设置高、低压级两个气缸以实现两级压缩功能，循环流程为：吸气状态点1经压缩机低压级一次压缩后至状态点2，与一级节流后中间压力对应饱和气体状态点8混合至状态点3，进入压缩机高压缩进行二次压缩至排气最终状态点4，进入冷凝器冷凝放热至状态点5，经单级节流机构节流至状态点6，其中对应饱和液相点7经二级节流机构节流至状态点9，并进入蒸发器蒸发吸热至状态点1，最终完成整个循环。

上述系统所用两级压缩式滚动转子压缩机相比单级压缩压缩机多出一个压缩缸，不可避免地会产生一部分附加摩擦损失，压缩机机械效率有所降低，且压缩机成本相对较高。

单级补气循环采用带中间补气功能的单级压缩滚动转子压缩机，由图2可知，该系统循环流程为：吸气状态点1经压缩机低压级一次压缩，在设定初始压缩范围内，一级节流后中间压力对应饱和气体（状态点8）由喷气孔喷入压缩腔，经过连续的“混合——压缩——再混合”过程，最终到达混合状态点3，此时停止喷气，压缩至排气最终状态点4，进入冷凝器冷凝放热至状态点5，经单级节流机构节流至状态点6，其中对应饱和液相点7经二级节流机构节流至状态点9，并进入蒸发器蒸发吸热至状态点1，最终完成整个循环。

上述系统所用单级补气式滚动转子压缩机在单级压缩机压缩腔中开设补气孔，结构相对较简单，且无附加摩擦损失产生。

2　理论计算与分析

2.1计算条件

上述两级压缩和单级补气系统均采用经济器获取中间压力下饱和气体，常用经济器有两种：闪蒸器和过冷器。闪蒸器主要利用其气液分离作用将单级节流后气相部分分离出来并与单级压缩排气混合；过冷器则是通过吸热蒸发获取中间压力饱和气体并与单级压缩排气混合。不考虑闪蒸器分离效率及分离过程中不可逆损失与过冷器不可逆换热损失的差异，二者理论循环性能基本相同，本文则选择闪蒸器模型进行理论分析。

理论计算工况为：冷凝温度50℃；蒸发温度-30～0℃；过冷温度10℃；过热温度10℃。计算中考虑系统不同压缩机工作特征下摩擦效率及容积效率差异。

2.2计算结果及分析

通过调用NIST 8.0物性程序，在固定冷凝温度条件下计算对比了不同蒸发温度下两级压缩系统和单级补气系统的理论循环性能，着重对二种系统的单位容积制热量Qv、低温制热量提升幅度以及COP等关键点进行理论比较，同时，选择单级压缩（无喷气）系统作为对比基准，计算结果如图3～图5所示。

图3　单位容积制热量随蒸发温度变化规律

图4　单位容积制热量提升幅度随蒸发温度变化规律

图5　系统COP随蒸发温度变化规律

图3给出了不同循环系统单位容积制热量Qv随蒸发温度变化规律，由图可知：随着蒸发温度降低，基准系统、两级压缩系统和单级补气系统的容积制热量均有明显降低趋势；两级压缩系统和一级补气系统因存在中间压力补气过程，故容积制热量相比基准系统有明显提升；相同余隙容积条件下，压缩机两级压缩过程容积效率相当较高，计算获得两级压缩系统相比单级补气系统容积制热量较高。

图4对比了两级压缩系统和单级补气系统相比基准系统容积制热量提升幅度随蒸发温度变化规律，由图可知：随着蒸发温度降低，两级压缩系统和单级补气系统相比基准系统容积制热量提升幅度均有明显提升，两种技术方案均具有低温制热性能的理论改善效果；两级压缩系统对基准系统容积制热量提升幅度相比单级补气系统有一定优势，且蒸发温度越低优势越明显，当蒸发温度为-30℃时，两级压缩系统和单级补气系统相比基准系统单位容积制热量分别提升34%和28%，分析主要原因为两级压缩方式能够有效改善压缩过程容积效率，且蒸发温度越低压比越大优势越明显。

图5给出了不同系统循环COP随蒸发温度变化规律，由图可知：随着蒸发温度降低，基准系统、两级压缩系统和单级补气系统的COP均有明显降低趋势；两级压缩系统因压缩过程中存在附加摩擦损失，在较高蒸发温度条件下性能明显差于基准系统和单级补气系统，随着蒸发温度降低，二级压缩方式容积效率优势显现，对改善COP有利，当蒸发温度低于-15℃后，两级压缩系统循环COP优于基准系统，当蒸发温度低于-25℃后，两级压缩系统循环COP稍优于单级补气系统；单级补气系统因无附加摩擦损失，系统COP随蒸发温度降低一直保持相对较优水平，且始终高于基准系统循环COP值。

3　实验结果与分析

为满足客户需求和适应行业技术发展趋势，近几年GMCC在热泵系统低温制热量提升技术研究方面做了大量工作，其中在单级补气和两级压缩式滚动转子压缩机的产品开发上均有研究结果，本文则在单体性能台位和搭载热泵系统条件下，实验对比了单级补气和两级压缩式滚动转子压缩机实际工作性能差异。

3.1压缩机单体性能实验结果与分析

实验所用两级压缩式滚动转子压缩机低压腔容积为9.8×10-6m3，高压腔容积为7.5×10-6m3，与之对应的基准压缩机（单级无补气）压缩腔容积为9.8×10-6m3；所用单级补气式滚动转子压缩机压缩腔容积为10.8×10-6m3，与之对应的基准压缩机（单级无补气）压缩腔容积为10.8×10-6m3。单体性能测试条件如表1所示。其中，因性能测试台位无补气功能，故两级压缩及单级补气式滚动转子压缩机进行单体性能测试时均未启动各自补气功能。

压缩机单体性能测试结果如表2所示，由表中数据可知：相同工况条件下，两级压缩式滚动转子压缩机相比对应基准压缩机制热量有2%～4%的提升，但由于有附加摩擦损失存在，其单体COP相比基准压缩机却有6%～12%下降；相同工况条件下，因单级补气式滚动转子压缩机补气处会产生稍许附加余隙容积，故其单体制热量相比基准压缩机有1%～2%的小幅下降，因该种压缩机无附加摩擦损失，故单体COP与制热量下降幅度相当，为2%左右。

表1　压缩机单体测试工况

表2　压缩机单体性能测试结果（所有工况基准机型为100%）

3.2压缩机搭载系统实验结果与分析

采用某带补气功能的品牌空调系统作为本回实验系统，系统流程如图6所示。由压缩机单体测试结果可知，两级压缩式（9.8×10-6m3/7.5×10-6m3）和单级补气式（10.8×10-6m3）滚动转子压缩机虽排量有较大差异，但实测能力相当，具有一定对比意义。基于上述带补气功能空调系统，开启补气功能分别搭载上述两级压缩式和单级喷气式滚动转子压缩机进行相关系统性能比较，关闭补气功能并搭载单级无补气式（9.8×10-6m3）滚动转子压缩机获得对应性能数据作为对比基准，实验着重考察了不同室外温度条件下系统制热量Q、低温制热量提升幅度和COP变化规律，在相同压缩机运转频率调节下进行实验数据对比，结果如图7-图9所示。

图6　某补气品牌空调系统工作流程图

图7　系统相对制热量随室外温度变化规律

图7给出了系统相对制热量随室外温度变化规律，其中对比基准为基准机型标热工况制热能力。由图可知：随着室外温度降低各种系统制热量明显降低；两级压缩式和单级补气式系统相比无补气单级压缩系统制热量均有较大幅度提升；因排量差异，两级压缩式系统在较高室外温度条件下相比单级补气系统稍低，随着室外温度降低，压比增加，两级压缩式滚动转子压缩机容积效率优势凸现，室外温度低于-20℃后两级压缩系统制热量稍高。

图8　系统制热量提升幅度随室外温度变化规律

图9　系统COP随室外温度变化规律

图8则对比了两级压缩系统和单级补气系统相比基准系统制热量提升幅度随室外温度变化规律，由图可知：随着室外温度降低，两级压缩系统和单级补气系统相比基准系统制热量提升幅度均有明显增加，当室外温度为-30℃时，两级压缩系统和单级补气系统相比基准系统制热量分别提升27%和20%，两种技术方案均具有低温制热性能的实际改善效果，且与前文理论分析结果相符；随室外温度降低，两级压缩系统相对基准系统容积制热量提升幅度增加趋势更加明显。

图9则对比了两级压缩机系统和单机补气系统循环COP随蒸发温度变化规律，由图可知：随着蒸发温度降低，两级压缩系统和单级补气系统的COP均有明显降低趋势；因两级压缩式滚动转子压缩机存在一定附加摩擦损失，在较高蒸发温度条件下两级压缩系统性能明显差于基准系统和单级补气系统，随着蒸发温度降低，二级压缩式压缩机容积效率优势显现，对改善COP有利，当室外温度低于-20℃后，两级压缩系统循环COP优于单级补气系统。

以上实验结果与理论计算趋势基本相符，两级压缩式热泵系统因其所用压缩机容积效率优势，低温制热量提升能力相对较优，但由于两级压缩式滚动转子压缩机所产生的附加摩擦损失而导致压缩机单体及搭载系统COP在较大使用范围内较差；而单级补气热泵系统有一定低温制热量提升能力，且循环COP值相比两级压缩热泵系统在较大使用范围内较优，具有一定综合优势。在本文所设定实验条件下：在室外温度高于-20℃范围内，单级补气式滚动转子压缩机搭载同一系统所获得的制热量和COP均高于两级压缩式滚动转子压缩机，具有明显综合优势；当室外温度低于-20℃后，采用两级压缩式滚动转子压缩机能够获得相对较优制热量和COP值。

4　结论

从以上理论计算及实验结果可以得到以下结论：

1）两级压缩和单级补气热泵系统均具有明显低温制热量提升能力，且室外温度越低优势越明显；

2）两级压缩式滚动转子压缩机具有较优容积效率，其搭载系统时低温制热量提升能力优于单级补气；但该种压缩结构会产生额外附加摩擦损失，实测压缩机单体及搭载系统COP在较大使用范围内均较低；

3）单级补气式滚动转子压缩机结构相对简单，且在较大使用范围内具有制热量及COP的综合优势；

4）在本文设定实验条件下，在室外温度高于-20℃范围内，单级补气式滚动转子压缩机搭载同一热泵系统所获得的制热量和COP均高于两级压缩式滚动转子压缩机；当室外温度低于-20℃后，采用两级压缩式滚动转子压缩机能够获得相对较优制热量和COP值。

［1］陶锴，陈振华，梁双建，等.空气源热泵低温性能衰减改善方案理论分析［J］.电器，2013，增刊（S1）：291-298.

［2］马敏，黄波，等.滚动转子式补气压缩机在热泵系统中的实验研究［J］.制冷学报，2012，33（4）：52-54.

［3］贾庆磊，冯利伟，宴刚，等.中间补气的滚动转子式压缩系统的试验研究［J］.制冷与空调，2014，14（8）：128-132.

［责任编辑：吴卓］

Theoretical and Experimental Analysis of the Two-stage Rotary Compressor and Vapor-injection Rotary Compressor for Heat Pump Systems

GUO Hong
（R&D Section，Guangdong Meizhi Refrigeration Equipment Co，Ltd.，Foshan Guangdong 528333，China）

The heat pump is an important energy-saving device，but theory and practice prove that the traditional heat pump system cannot work properly when the ambient temperature is lower than-15℃.The two-stage compression or single stage compression with vapor-injection is relatively mature technology to improve the heating effect of air source heat pump.This paper compares these two kinds of technology in theory and experiment.The results show that these two kinds of technology can improve the heating effect in low-temperature.The single stage compression with vapor-injection has the ability and efficiency advantages in a wide temperature range and also its structure is relatively simple.

heat pump；two-stage compression；vapor-injection；heating effect；COP

科技与应用

TB61+4

A

1672-6138（2015）03-0015-04

10.3969/j.issn.1672-6138.2015.03.004

2015-04-24

郭宏（1964—），男，湖南常德市人，工程师，研究方向：制冷压缩机研发与制造。