转子式准二级压缩热泵系统分析

袁明征

（珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 珠海 519070）

引言

空气源热泵，其利用热泵原理，以电能驱动压缩机，通过热力循环，将空气中吸收的低品位热量输送至使用侧，是一种高效、节能的供热设备，业内简称为“空气能”。近年来，在“煤改清洁能源”政策的引导下，空气源热泵在热泵市场得到进一步广泛应用，主要有热风、热水两大类型产品。空气源热泵在长江中下游及西南、华南地区，其节能效果显著，但在黄河流域及其华北、西北等地区的寒冷冬季，由于冬季气温降低，供热性能会产生一定程度的降低。特别地，当环境温度降低，供热温度同时提升时，空气源热泵会出现制热量衰减、制热性能系数偏低、压缩比增大等亟待进一步优化的问题。

为提升空气源热泵的低温制热性能，国内外学者进行了诸多的相关研究[1],提出了变频，准二级、二级、复叠压缩等系统方案。久保田淳等[2]重点对二级压缩的排量比进行了研究，庞宗占、马国远[3]、申江[4]重点对喷气增焓进行了研究。本文对转子式准二级压缩空气源热泵系统进行研究，重点对压缩机的喷射口角度设计、系统喷焓控制进行系统分析并实验验证研究。

1 准二级压缩空气源热泵系统介绍

准二级压缩空气源热泵系统，主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、一、二级节流阀及闪蒸器组成，图1所示。

图1 准二级压缩空气源热泵系统

本文介绍的准二级压缩空气源热泵系统与其他两级或准二级压缩系统区别之处在于，系统采用转子式压缩机，压缩机仅具有一级压缩腔，压缩腔内部设有喷射孔与闪蒸器通过系统管路相连。系统具有两个循环回路，分别为主循环和喷射回路辅循环。系统运行时，主循环制冷剂经过蒸发器，吸收外部环境空气中的热量后，进入压缩机吸气口，通过压缩循环变为高温高压状态输送至冷凝器将热量释放给使用侧。制冷剂在冷凝器冷凝后通过一级节流变为中压状态进入闪蒸器闪发后气液分离，液态制冷在二级节流阀节流处节流为低温低压状态进入蒸发器继续循环；气态制冷剂经过辅路管路从喷射口进入压缩机压缩腔，同主循环制冷剂混合后，继续压缩循环。采用该系统循环，可通过喷射回路增加系统循环时的质量流量，即喷气增焓，可提升系统的制热量。因此，准二级压缩空气源热泵系统是一种简便可行的，提升热泵冬季低温制热性能的技术方案。

对比双级压缩或复叠压缩系统，该系统只需使用一个压缩机，压缩机内部也无需增设二级压缩腔，无需复杂的系统控制，关键元器件配置简单。转子式压缩机广泛地应用于家用空调市场，具有极大的规模化生产能力，性价比高。转子式准二级压缩机可通用现有压缩机设计平台，仅需在压缩腔内合理设计喷射孔即可，具备现成的产业化能力。采用转子式压缩机的准二级压缩空气源热泵系统，产品开发迅速、低温制热性能高、性价比高，越来越受行业青睐。

2 准二级压缩空气源热泵系统设计要点

2.1 转子式准二级压缩机的设计

由于压缩机滚子在气缸内周而复始地进行圆周运动，滑片将气缸划分为范围时刻变化的吸气腔区和排气腔区，如图2结构图示。位于气缸内固定位置处的喷射孔所处环境的压力也随着滚子与滑片的运动而具有周期性的压力变化。制冷剂通过一级节流后喷射进入压缩机气缸，能否顺利喷射进入以及有效喷射量的多少，取决于一级节流后压力与压缩机喷射孔处气缸压力的比较。没有恒定的中间混合腔，这是转子式准二级压缩区别于其他系统的关键。

图2 转子式准二级压缩机及其内部结构示意

转子式压缩机增加喷射口后，随着滚子的旋转，喷射口将会周期性地在气缸内处于以下三个区域：吸气腔区、封闭腔区、压缩排气腔区，具体变化过程如图3所示。位于吸气腔区时，由于喷射压力高于吸气压力，会对吸气产生影响，影响主循环的制冷剂循环流量。位于压缩排气腔区时，随着压缩腔容积减小压力增大，当压缩腔内部压力高于一级节流后的喷射压力时，将会导致反向喷射，如喷射回路上不增加止回阀，则制冷剂将从气缸反向喷射回原系统。位于封闭腔区时，滚子将喷射孔封闭，没有喷射增焓效应。因此，转子压缩机喷焓运行的难点是气缸内部压力周期性变化，缺少一个稳定压力区。当一级节流后的喷射压力越高时，其反向喷射角度越小，喷焓运行提升效果也越好。提高喷射压力可减小反向喷射角范围，但喷射压力的改变会导致整个系统运行改变。在相同喷射压力情况下，要缩小反向喷射角范围，则需要将喷射口关闭角度提前或将喷射口位置径向朝内移动。

图3 喷射口角度变化过程

喷射孔开孔面积、形状，处于气缸圆周位置上的角度，径向圆心距离均将对喷气增焓的有效性、系统性能的发挥产生至关重要的影响。提升喷气增焓效果的关键，在于上述参数的合理设置。以压缩机喷射口完全关闭角度设置为203 °作为研究案例，通过PV测试仪获取压缩机内部压力变化，由测试结果图4可知，有效的喷射角度范围会随着冷凝侧温度的变化而变化，这是因为在一级节流后压力会随冷凝压力变化而变化导致。因此，对于变工况（环境温度、冷凝环境温度）的应用场景，喷射压力随工况的适配性控制是喷气增焓效果的关键。

图4 压力与角度关系图

有效喷射区与系统的喷射压力相关。当环境温度-7 ℃时，实测反向喷射角度随水温的变化如表1所示，由此可知，当水温越低时有效喷射范围越窄。

表1 环境温度-7 ℃时反向喷射角

2.2 系统控制方案设计

转子式准二级压缩空气源热泵，通常有采用闪蒸器或经济器（过冷器）的两种系统方案，各有优缺。带闪蒸器、经济器（过冷器）的转子式准二级压缩系统，两种系统对于制热量的提升，本质上是相同的，但是控制方法上有差别。带闪蒸器的系统类似于电路中的串联，带经济器（过冷器）的系统类似于电路中的并联，由于喷射回路与主回路分别由两个不同的节流阀控制，系统容易调节，易于达到最优，但系统相对复杂。带闪蒸器系统，两级节流装置的串联，使得系统控制“牵一发而动全身”，需要平衡喷射回路与主回路，系统难以达到最优，但系统相对简单。

本文分析的准二级压缩空气源热泵系统采用闪蒸器转子式准二级压缩系统方案，闪蒸器准二级压缩压焓图如图5，常规压缩循环流程为：6′-1-2-3′-3-4-4′-6′，带闪蒸器准二级压缩循环流程为：4′-6-2′-4-4′，4′-5-5′-6′-1-2-2′-3-4-4′。带闪蒸器准二级压缩系统循环流程解释：压缩机排气进入冷凝器冷凝，冷凝后的制冷剂液体通过一级节流进入闪蒸器，变成中间压力下的气液两相状态，经过闪发后分为两部份：主回路部分，流量为m，从闪蒸器底部出来的饱和制冷剂液体再经过二级节流后直接进入蒸发器吸热，然后进入压缩机吸气口；喷射回路部分，流量为Δm，从闪蒸器上部出来的闪发蒸汽，以一级节流后的压力即中间压力或喷射压力，通过喷射口进入压缩机压缩腔参与压缩。两部分在压缩腔内部混合后继续压缩至排气，压缩机排气后进入套管冷凝器冷凝，如此循环。系统制热量的提高得益于：从环境中额外吸收的热量ΔQ1=m（h4-h5），喷焓运行压缩机耗功增加ΔQ2=Δm（h3-h2′）。对系统制热能力、能效的贡献主要部分来源于ΔQ1。ΔQ2对系统制热能力有一定贡献，但表征着压缩机功耗的增加，是否提升系统制热能效，取决于产生的ΔQ1。

图5 闪蒸器准二级压缩压焓图

带闪蒸器的准二级压缩系统，虽然两级节流膨胀阀串联控制相互影响，但是对于系统的影响程度是有区别的。一级节流膨胀阀与喷射量直接关联，二级节流膨胀阀与主循环回路制冷剂流量直接关联。当环境温度由高到低的变化过程中，主循环回路制冷剂流量逐渐降低，同时系统的压差也逐渐增大，二级节流膨胀阀的开度逐渐减小。实验研究实测为在环境温度低于0 ℃后，二级节流膨胀阀的开度降低后保持在最低开度。因此对于环境温度幅度变化较大的系统，如果主循环回路采用毛细管固定节流，系统难以达到最优状态，应优选电子膨胀阀，按过热度进行节流控制。如对性能有较高要求，一级节流也推荐采用电子膨胀阀，依据工况变化进行调节。但也可采用毛细管，以可靠性控制为目标进行系统控制，在性能上不会有太大差异。

以采用排量为34 cm3转子式准二级压缩机系统为例，由表2 所示各工况下的测试数据可知，准二级压缩提升的制热量随水温提升而提升，即：因为水温上升、冷凝压力随之上升、中间压力上升、有效喷射角范围增大、喷气增焓量也越大，这与前文的分析相对应。当吸气压力高，排气压力低时，即环境温度高、水温低时，有效喷射角大副减少，甚至产生反向喷射导致性能降低，环境温度7/6 ℃，水温10 ℃时，开启喷射后制热量降低了0.3%。因此在系统控制时，需要注意控制喷气增焓开启的环境温度、水温，避免产生无效喷射。

表2 准二级压缩系统各工况测试数据

3 存在的不足

转子式准二级压缩可提高系统制热量，特别是低环境温度时的制热量。但是低环境温度制热时，系统面临的问题除了提升制热量外，还往往需要解决压缩机因承受较高压缩比带来的性能降低和可靠性变差问题。转子式准二级压缩，由于从结构原理上并不能像双级压缩那样将压缩拆分成两段，分段压缩来改善高压比问题，因此对压缩机的高压比承受能力要求特别高。在冬季低温供暖，使用环境对供热量、供热温度都提出了极高的要求，既要制热迅速、热量大，又要温度高，如采用散热片的热水供暖，普遍温度需求在55～60 ℃。压缩机可靠性是前提，只有在解决可靠性问题后提升制热性能才有意义。因此转子式准二级压缩系统，在选型设计时，需要强化压缩机的高压缩比承受能力。

4 总结

本文研究分析了转子式准二级压缩系统的压缩机结构设计、系统性能提升控制。根据研究与实验测试得知，该系统可有效提升热泵制热量，环境温度-15 ℃时最大可提升37.5%。但在变工况条件下，需要注意控制喷焓的进入条件，有效喷射角度范围一般在39～130 °，应避免产生逆向喷射降低性能。此外转子式准二级压缩系统，在低环境温度应用时，要强化压缩机的高压缩比承受能力。