基于喷液冷却式空气源热泵实验性能分析*

蔡志敏，李建国，李春来，李韶峰，伍懿美

（1.河源职业技术学院，广东 河源 517000；2.龙川纽恩泰新能源科技有限公司，广东 河源 517300）

近几十年来，我国经济发展快速，人民的生活水平也有了很大提高，然而，大气污染却比较严重，特别是我国北方冬季燃煤采暖等，造成了很多城市出现大面积雾霾天气，严重影响了人民的健康和生活。煤改清洁能源是国家制定的大气污染防治计划的重要方向，在国家提出的“26+2”城市煤改清洁能源行动方案中，空气源热泵由于不污染、效率高等特点，成为替代燃煤供暖等措施的重要发展方向。

1 空气源热泵技术简述

在我国，北方大部分寒冷地区，空气源热泵在工作过程中出现了较多问题：在冬季，空气源热泵机组室外环境温度比较低时，机组蒸发温度和蒸发压力过低，从而造成空气源热泵机组启动困难；随着室外环境温度的下降，机组制热量严重不足；并且室外机的蒸发器结霜严重，不仅影响换热器与室外空气之间的热量传递，而且蒸发温度也会因此降低，制热量严重衰减。

空气源热泵最早起源于南方城市，比如华南、华中地区。随着热泵低温技术的不断改进，空气源热泵的适用范围和地区也更加广泛、广阔，近年来，在我国北方很多地区也得到了快速发展。

对空气源热泵在低温环境下存在的限制和问题，国内外许多学者展开了大量的工作和研究，冉小鹏等人设计并制作了一台空气源热泵，并且测试了该热泵在低温环境下运行的稳定性和可行性及增加中间补气后对空气源热泵系统整体性能的影响。结论如下：在室外零下20℃的环境温度下系统运行稳定；并且还总结出了补气量的最优情况，能使系统的能效比保持最高，从而提高了热泵机组的性能。赵晓丹等人针对空气源热泵机组在北方冬季低环境温度下制热量衰减的问题，利用中间补气的方法，试验研究了空气源热泵在不同室外环境温度下的机组性能，得出如下结论：通过补气，热泵机组的压缩机排气温度可以控制在90℃以下范围，当室外环境温度降至零下15℃时，中间补气式热泵的制热量与普通热泵相比提高了27.1%，能效比提高了4.8%。马一太等人对空气热泵系统中的压缩机进行了研究，主要对比了转子式压缩机和涡旋式压缩机并分析总结得出：两款机组都可以通过喷气增焓的方式在室外低温环境下增大制热量以及能效比；而转子式压缩机相比更具有优势，适用于更低的室外环境温度工况，通过喷气增焓的形式可以实现准二级压缩。刘娜等人设计开发了一套双级压缩式空气源热泵机组，并对该机组在不同工况下进行了性能测试研究，得出结论如下：在相同的室外低温环境温度下，双级压缩式空气源热泵系统的制热量衰减幅度相对普通热泵系统减少，在室外环境温度为零下15℃的工况下能效比比普通热泵提高22%左右。

2 喷液冷却式空气源热泵的工作原理

系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀、喷射管路等组成。工作过程为：将中温气液混合的制冷剂喷入压缩机的涡旋盘内，与主路被压缩后的高温高压制冷剂混合，以此来降低压缩机在高压比时的排气温度。空气源热泵的工作原理如图1 所示。

由图1 分析可知：制冷剂被冷凝器冷却后，流出分两路，一路为主路，一路为次路，主路经节流阀节流（6），到蒸发器相变吸热后由压缩机吸入（1）。次路经节流阀节流降压后直接到压缩机喷液口喷入（7），与压缩机内原有制冷剂进行混合后（3）经压缩机压缩排出（4）。

图1 喷液冷却热泵工作原理图

由图2 分析可知：如果没有次路喷液系统，压缩机排气温度会升高。所以喷液系统可有效降低压缩机排气温度。

图2 喷液冷却系统压焓图

因为喷射冷媒温度较低且为气液混合态，所以有效降低压缩机的排气温度，从而使热泵在室外低环境温度下可以得到更高的冷凝压力和更大的运行范围区间。由于系统只增加了喷液阀，不需要另外加闪发器或经济器，简化了系统设计，降低了成本。

3 实验数据分析

在低温空气源热泵冷水机组性能实验室中，试验检测喷液冷却空气源热泵的制热性能，包括热泵制热性能系数COP 和制热量Q 随模拟室外气温T 的变化情况。试验热泵选用某型号额定制热量为55kW 的喷液冷却式涡旋空气源热泵，试验模拟室外气温T 分别为10，0，-5，-10，－15 时空气源热能的工作性能。具体参数如表1 所示。

表1 喷液冷却式热泵在不同环境条件参数变化一览表

由表1、图3 及图4 分析可知，在室外温度为10℃时，热泵的COP 为3.60，和普通热泵相比无明显优势，而随着室外温度的降低，COP 的下降有明显的延缓趋势，室外温度为-10℃时，热泵的COP 还可以达到2.45 以上，在-15℃时COP 还可以达到2.13，比电热或其他形式的热源有明显的节能效果。

图3 喷液冷却式热泵随环境温度变化的制热量变化趋势图

图4 喷液冷却式热泵随环境温度变化的COP 变化对比图

4 结束语

由于系统只增加了喷液阀，不需要另外加闪发器或经济器，简化了系统设计，降低了成本。

通过对一台喷液冷却的空气源热泵在不同环境温度下的相关参数进行检测并对数据进行对比分析，发现随着外界环境温度的下降，喷液冷却空气源热泵机组COP的下降较普通热泵有明显的延缓趋势，室外温度为-10℃时，热泵的COP 可以达到2.45 以上，在-15℃时COP 还可以达到2.13，喷液冷却空气源热泵机组在低温环境下效率较高；比电热或其他形式的热源有明显的节能优势。