双级热泵的应用与技术难点

钱轶珺，陈聪慧，王泽宇，陶　瑾，陆裔晨

（上海电力绿色能源有限公司，上海200120）

双级热泵的应用与技术难点

钱轶珺，陈聪慧，王泽宇，陶瑾，陆裔晨

（上海电力绿色能源有限公司，上海200120）

在分布式能源项目中，用能用户常要求热水供应温度达到60℃。常规的离心式热泵由于蒸发器输入温度过低，无法满足如此高的出水温度要求。采用离心式热泵+空气源热泵的双级热泵设计，空气源热泵可以将离心式热泵蒸发器侧输入温度提高至30～40℃，从而使离心式热泵热水满足供热要求。同时，空气源热泵和离心式热泵单独运行时还需满足制冷工况下的负荷需求。因此，为确保双级热泵系统安全高效运行，空气源热泵与离心式热泵工作特性的匹配是设计中的难点问题，特别是热量、流量的匹配和中间温度的确定等。

分布式能源；双级热泵

0　引言

随着能源短缺与环境问题日益加剧，热泵技术越来越受到大家的重视。目前，对于热水温度小于55℃的热泵技术，国、内外已很成熟。对于制热量大于1000kW、水温大于60℃的大型高温热泵技术还处于研究和开发阶段[1]。但在分布式能源项目中，用能用户常要求制热工况下热水供应温度达到60℃。若单独采用离心式热泵机组作为分布式供能系统的冷热源，则热水温度无法满足用户需求。为满足分布式能源项目节能环保的要求，同时满足热水温度，我们采用了离心式热泵+空气源热泵的双级热泵设计，将空气源热泵的热水出水作为离心式热泵的热源，充分利用低品位能量，并实现离心式热泵热水温度的提高。

1　双级热泵工作原理

图1　双级热泵运行原理示意图

双级热泵由空气源热泵做一级制热，由离心式热泵做二级制热，通过将空气源热泵冷凝器侧制取的低温热水循环至离心式热泵的蒸发器作为低温热源的中间环路将其耦合。通过空气源热泵提供30～40℃的热水，提高离心式热泵蒸发器侧的工作温度，使离心式热泵冷凝器侧产生的高温热水温度达到60℃，满足用户供暖需求。而且通过空气源热泵与离心式热泵工作特性的匹配，双级热泵可在较高的制热能效比下运行。

2　双级热泵系统在设计和应用中的难点

一般地，在分布式能源项目中，空气源热泵和离心式热泵作为分布式供能系统的冷热源，各自单独运行时需满足制冷工况下的负荷需求，联合构成双级热泵系统运行时需满足制热工况下的负荷需求。且在大部分南方地区，冷负荷需求常大于热负荷需求。双级热泵设备选型时，在确保各机组单独运行能满足冷负荷需求的前提下，需特别对制热工况下空气源热泵与离心式热泵运行特性进行匹配。

2.1热量匹配

当热泵制冷（或制热）量参数确定时，其制热（制冷）量参数也就基本确定，调整余量很小。这是由于制冷（或制热）量主要是由压缩机决定的，单纯调整蒸发器或冷凝器容量对整机制冷（或制热）量影响不大[2]。另外，同一台热泵机组满负荷制热量必定大于满负荷制冷量。但是在南方地区制热需求较低，在热负荷需求接近甚至小于冷负荷的情况下，用户的供能需求与设备的运行工况很难完美匹配，极易出现供冷量不足或者供热量过剩的情况[3，4]。

为了满足供能需求用户，只能选择供热量过剩的搭配方式，这就导致了在制热工况下，离心式热泵无法满负荷运转，甚至长期低于最佳负荷运转。这种情况会带来两方面的问题：一是造成了设备性能的浪费，二是一旦负荷过低可能引起离心机发生喘振故障。

2.2流量匹配

离心式热泵与空气源热泵会存在流量不匹配的情况，并且在变工况的情况下可能会出现空气源热泵流量较大或者离心式热泵流量较大两种情况。因此解决流量不匹配的问题一定要结合两种工况综合考虑。一般有两种解决办法，一是增加旁路混水，二是加设水罐储水。

图2　双级热泵流量混水示意图

图3　双级热泵增设储水罐示意图

2.3中间温度的选择

中间温度，指的是离心式热泵蒸发器侧的进出水温度，在选择中间温度时需要考虑如下几个因素

（1）能耗角度

提高中间温度会增加风冷热泵能耗，但会降低离心机的能耗，在考虑中间温度时需要综合考虑风冷热泵与离心机的总能耗。不同的厂商设备特点不同，一般情况下离心式热泵提升温度的能力强于空气源热泵，但是也有个别厂商空气源热泵技术优势较为突出，倾向于提高中间温度的设计。

提高中间温度温差，可节省中间水泵能耗，但会增加热泵机组能耗，故需要综合考虑热泵机组与中间水泵的总能耗来定中间温差。

（2）系统安全性角度

由于离心式热泵提升温度的能力强于空气源热泵，所以在系统设计中倾向于降低中间温度，降低空气源热泵的负担，充分发挥离心式热泵的优势。这种思路总体来看是无误的，但是经过研究发现，在空气源热泵可以负担的温度范围内，中间温度也不宜设置过低，具体有以下两个原因：

一是如果中间温度过低，导致导叶开度迅速降低以致于压缩机的出口压力和冷凝压力接近，离心机会有喘震的问题，故不太希望中间温度过低。

二是虽然风冷热泵为螺杆压缩机，没有喘震问题，但是有压缩机与电机的冷却问题，冷媒依靠压差流过电机表面冷却电机，机组内冷媒的压差主要靠环境温度与热水温度之间的差值来维持，如果热水出口温度太低，不利于维持机组内的冷媒压差，会影响电机散热。另外压缩机还会面临异常磨损的问题。

（3）使用情况及系统控制角度

在系统设计时，一般以满足最极端供能需求为前提来决定设备工况。天气情况以上海为例，以上海近几年冬季气温来计算，设计工况室外干球温度至少低至-2℃，但是实际运行中环境温度为4℃的情况更多，有的时候高达10℃的环境温度也经常会出现。由于干球温度的巨大变化，空气源热泵的制热工况也会跟随变化，这就直接影响了中间温度的选择、控制以及整个双级热泵系统的运行工况。

同时还需要考虑机组部分负荷特性对中间温度影响。由于双级热泵中间环路的热惯性较小，环路供回水温度对系统负荷响应较快，这种现象对双级热泵供暖的动态特性影响明显。寻求最佳中间温度，可以进一步提高系统的供暖稳定性和能源利用系数。

冬季制热时还要考虑化霜对中间温度的影响。当换热器表面温度低于0℃且空气湿度较大时将开始结霜。随着霜层的增厚，空气源热泵将出现蒸发温度下降、制热量下降、风机性能衰减和电流加大等现象，从而使双级热泵无法正常工作。当发生结霜现象时，需消耗机组一部分热量用于化霜。

2.4控制难点

双级热泵系统常需由多台空气源热泵共同提供离心热泵蒸发器侧所需要的热量。单台空气源热泵机组的能效由室外温度和负荷率决定，即在实际运行中，多台空气源热泵机组并联运行，当中间温度设定值不变时，空气源热泵的开启台数同时还受到室外环境温度的影响。通过对离心机组冷却水进出水温度及冷冻水进出水温度的分析比较，结合冷机的喘振点，分析判断双级热泵的开关顺序，防止喘振现象的发生。可用负荷限制实现空气源热泵以及离心式热泵同步加卸载。同时，可根据空气源热泵机组全工况条件下的性能数据，在不同室外温度和中间温度设定值条件下，对空气源热泵机组群的运行台数进行优化，使得空气源热泵的能效达到最优。

3　结语

双级热泵的设计初衷，就是为了满足较高出水温度的供能需求。由于传统离心式热泵在制热时蒸发器侧输入温度过低，设计方就必须考虑使用其他设备来提高离心式热泵蒸发器侧的输入温度，而空气源热泵是较为理想的搭配设备。由于近年来南方冬季气温相对较低，再加上用户对供热舒适度的要求越来越高，双级热泵系统在今后的分布式能源建设中具有很高的发展潜力。

[1]解国珍.制冷技术[M].北京：机械工业出版社.1996.

[2]吴业正.制冷压缩机[M].北京：机械工业出版社.2011.

[3]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社.2008.

[4]苏亚欣.传热学[M].武汉：华中科技大学出版社.2009.

Application and Technical Difficulties of Double Stage Coupled Heat Pump

QIAN Yi-jun，CHEN Cong-hui，WANG Ze-yu，TAO Jin，LU Yi-chen
（Shanghai power green energy Co.，Ltd，Shanghai 200120，China）

In a distributed energy project，the hot water is required to be 60℃.As conventional centrifugal heat pump cannot meet the requirements of such high water temperature，double-stage coupled heat pump is adopted.Air source heat pump provides water of 30℃-40℃to increase working temperature of centrifugal heat pump evaporator.This makes the hot water of centrifugal heat pump satisfy heating requirements.Meanwhile，air source heat pump and centrifugal heat pump work separately to meet the cooling demand.So as to ensure safe and efficient operation of double-stage coupled heat pump，air source heat pump and centrifugal pump operating characteristics matching is a difficult problem in design，especially heat，flow matching and the determination of intermediate temperature.

distributed energy resources；double stage coupled heat pump

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.018

TU83

B

2095-3429（2015）05-0081-03

钱轶珺（1969-），女，上海人，主要从事天然气分布式供能投资相关工作；陈聪慧（1988-），女，浙江兰溪人，硕士，机务员，从事天然气分布式供能机务相关工作。

2015-09-20

2015-10-20