喷气增焓复叠式空气源热泵实验研究

徐瑞成 刘泽华 张景松 周家祥

南华大学土木工程学院

0 引言

1979年，房间空调领域第一次应用喷气增焓技术［1］，喷气增焓空气源热泵是采用带辅助喷口的涡旋压缩机，将辅路中经过冷凝器换热的工质经过节流换热后直接喷入压缩机内部，增加了工质的流量，使得压缩机的制热量增加。因其节能高效、运行稳定，产品逐渐走向市场。1983年，美国人首先对复叠式热泵进行研究。复叠式空气源热泵低温空气中的能量一级一级传递到最高级，一般而言级数不超过三级，否则热泵能效急剧降低，通过冷凝蒸发器耦合两套单级热泵循环，增加两台热泵之间的工作温差。

因此，研发新型空气源热泵供暖取代传统煤炭取暖，解决传统空气源热泵在北方冬季低温环境中运行效率低、稳定性差的问题，使得空气源热泵能在北方地区推广具有重要的节能减排和绿色环保意义。

魏文哲［2］对准二级变频空气源热泵供暖性能进行研究，搭建了准二级变频空气源水源耦合热泵，提出分段调节吸气的方法，并应用到实验中，发现在环境温度-27.5℃，供水温度50℃情况下，热泵排期温度也仅为112.0℃。董彬等人［3］对准二级压缩热泵干燥系统进行分析，与传统热泵相比，准二级系统可以降低压缩机排气温度，在蒸发温度和冷凝温度分别为-25~0℃和50℃时，系统性能提高5.0%~7.1%。杨兴林等人［4］对适定工质准二级循环系统进行特性研究，发现在蒸发温度和冷凝温度分别为45℃、110℃的高温工况下，准二级压缩循环的制热COP优于单级压缩循环。由此可见，准二级技术可以改善系统性能，提高系统稳定性。王彦龙等［5］对空气源相变蓄能复叠式热泵进行研究，研究表明，在较高蒸发温度和较低冷凝温度情况下，系统具有较高COP。杜启含等［6］对R410A/R410A复叠式热泵系统进行研究，发现增加低温级压缩机频率对系统COP的影响高于改变高温级压缩机频率。罗威等人［7］对R134a/CO2复叠式热泵系统热力学性能研究，发现系统COP随着中间换热温差减小而升高，且存在最佳中间温度。杨永安等［8］对高温压缩机变转速复叠系统进行研究，发现在冷凝温度46℃，蒸发温度-35℃~-10℃时，系统仍然可以安全可靠运行。复叠式热泵可以提升较大温度跨度，但是系统在低温环境运行效果相对较差。综合喷气增焓系统和复叠式系统，本文创新性提出喷气增焓复叠式空气源热泵系统。

1 循环原理

喷气增焓复叠式空气源热泵包括普通高温级和喷气增焓低温级两部分，低温级可以独立运行，也可通过蒸发冷凝器连接两级复叠运行，结构较常规空气源热泵复杂。

1.1 喷气增焓系统

喷气增焓压缩循环与普通单级热泵相比增加了喷气回路，其系统内工质循环也发生了改变。循环工质流冷凝器的流量增加，增加系统循环流量使得系统制热量增加。其循环原理如图1所示。

图1 喷气增焓空气源热泵系统原理图

循环压焓如图1（b）所示，系统主要由主回路（点1-2-3-4-5-6-7-1）和补液回路（点3-4-5-8-9-3）组成。低温级喷气增焓系统是在蒸发冷凝器出口位置设置补气节流阀将冷凝器中高温高压工质节流，节流后的低温工质与主路工质混合输送至压缩机压腔，从而降低压缩机排气温度，有利于压缩机在低温环境运行。

1.2 复叠式系统

复叠式空气源热泵系统原理（见图2），两个单级空气源热泵系统通过蒸发冷凝器耦合而成复叠式空气源热泵，低温级蒸发器吸热（点4-1）通过低温级压缩机压缩（点1-2），将热量传递到蒸发冷凝器，工质释放热量后通过低温级节流阀（点3-4）继续循环往复，高温级压缩机将蒸发冷凝器吸收的热量进一步压缩（点5-6）后经过高温级冷凝器与水换热后释放量（点6-7），再经过高温级节流阀继续循环。

图2 复叠式空气源热泵系统原理图

1.3 喷气增焓复叠式热泵系统

喷气增焓复叠式空气源热泵（见图3）由普通高温级和喷气增焓低温级组成。低温级系统由主回路（点1-2-3-4-5-6-7-1）和补液回路（点3-4-5-8-9-3）组成，高温级系统由一条循环回路组成（点10-11-12-13）。低温级工质经喷气增焓吸收的总热量通过蒸发冷凝器换热传递给高温级，高温级制冷剂通过循环再将热量通过高温级冷凝器与被加热物质换热从而完成整个热量传递。

图3 喷气增焓复叠式空气源热泵系统原理图

空气源热泵的系统通过截止阀的开关控制系统单级运行和复叠式两种运行模式。当系统单级运行时，系统低温级开启，高温级关闭；当系统复叠运行时，两级同时开启并运行。这两种模式可以实现系统单级制冷和供生活热水，也可以实现系统复叠供暖。

2 空气源热泵实验研究

根据选型部件搭建完成喷气增焓复叠式空气源热泵系统，在中央空调实验室进行设备测试，实验系统主要包括热泵系统和测试系统。实验检测在不同工况和不同运行模式下设备高低温级压缩机排气温度，输入功率，机组蒸发温度和压力，冷凝温度和压力，压缩机频率，进回水温度和流量。

实验样机（见图4）将所有设备零件连接在一起，该实验样机除具有压缩机、蒸发器、冷凝器、节流机构外，还有储液器、干燥过滤器、气液分离器、截止阀等实现系统循环的实验装置。

图4 喷气增焓复叠式空气源热泵实物图

2.1 实验目的

1）验证实验样机在现实环境中的运行状况，管段连接是否正确，密封性是否良好。

2）设置不同环境温度、不同出水温度的工况测试实验样机的运行，分析总结热泵各性能参数变化情况。

3）从实验测试结果中发现问题，解决问题，与传统复叠式空气源热泵进行对比，找到实验样机存在的问题与不足，对热泵在北方寒冷环境中使用的实际指导意义。

2.2 实验内容

1）在实验室中设置不同环境温度对喷气增焓复叠式热泵系统进行性能测试。

2）测试单级运行、复叠式运行的系统性能变化。

2.3 实验方法及步骤

1）打开水阀将电源接通后打开电源开关并启动循环水泵，将储水箱灌满水。

2）使用PT100铂电阻温度传感器插入热泵进出水位置插孔内。

3）读取原始水流量数据和环境温度数据。

4）回水温度每上升5℃记录一次数据。

5）使用安捷伦数据采集仪，使测得的数据可以直接在计算机软件中显示。此外，压缩机输入功率由INSTEK交流数字电力计测得。

3 实验假设和结果分析

3.1 实验假设

系统遵从质量守恒、能量守恒和连接口工质流量相等等约束条件，输入机组结构参数和环境参数，连接低温级压缩机、蒸发冷凝器、电子膨胀阀、经济器、高温级蒸发冷凝器、压缩机、冷凝器、电子膨胀阀，高低温级用蒸发冷凝器耦合。

3.2 实验结果

3.2.1 单级制热系统性能

关闭高温级循环系统，只打开低温级循环系统，由低温级工质R410A直接与水进行换热。

图5是空气源热泵系统低温级单级运行模式下，设置冷凝温度50℃，系统的制热量、功率、COP和排气温度随不同环境温度的变化情况。从图5（a）可以看出，系统制热量的模拟值和实验值变化情况相似，随着环境温度提高，系统的制热量降低，环境 温度分别为-15℃、-10℃、-5℃、0℃、7.5℃和15℃，热泵制热量实验值从10 523 W上升到14 542 W，升幅为38.19%；功率实验值从4 752 W降低到3 201 W，降幅达32.64%，降幅大于制热量的幅度；COP实验值从2.21升高到4.54，这是由于功率的降幅远大于制热量的降幅造成的。排气温度的实验值从83℃降低为63℃，排气温度均在安全运行范围内且降幅明显，有利于热泵系统安全高效稳定运行。

图5 单级运行时不同环境温度对系统性能影响

3.2.2 复叠制热系统性能

热泵系统高温级和低温级同时打开，低温级工质吸收热量后在蒸发冷凝器中与高温级工质换热，高温级工质再与水进行换热。

图6为不同压缩机频率下的系统COP影响，从图中可以看出，在不同蒸发温度条件下，系统COP随着压缩机频率先增加后减小，在蒸发温度分别为-20℃、-15℃、-10℃情况下，压缩机频率为68 Hz、63 Hz、61 Hz时达到最大，分别为2.06、2.29、2.50，这是由于压缩机频率增加压缩机转速也随之上升，从而造成压缩机吸气量增加，导致系统制热量和系统总功率都随着频率增加而增加；但是随着蒸发温度提高，制热量的上升幅度大于系统总功率，使得系统COP增加。因此，可以得出，在寒冷地区适当提高压缩机频率，以此不仅提高系统的制热量，还可以使系统COP增加。在最佳压缩机频率下，系统COP比在压缩机频率为50 Hz情况下，提升幅度分别为19.05%、19.27%、14.44%。

图6 系统频率和总COP变化情况

图7为压缩机频率对于复叠式空气源热泵系统高低温级压缩机排气温度的影响情况。从图中可以看出，在不同蒸发温度下，压缩机的排气温度都随着压缩机频率增加而增加，且蒸发温度越高压缩机排气温度越低，因为蒸发温度越高为达到目标冷凝温度时压缩机的做功越小，所以压缩机排气温度减小。在蒸发温度为-20℃、-15℃、-10℃时，压缩机频率从50 Hz增加到75 Hz，低温级压缩机排气温度从72℃、65℃、54℃上升到94℃、101℃、83℃，高温级压缩机排气温度从79℃、73℃、62℃上升到105℃、95℃、90℃。低温级压缩机频率增加，提高了低温级制冷剂流量，使得低温级制热量也随之增加，低温级制热量通过中间蒸发冷凝器将低温级与高温级进行热量交换，增加了高温级压缩机负荷，也同时增加了高温级压缩机的排气温度。

图7 压缩机频率对排气温度的影响

4 结论

1)喷气增焓复叠式空气源热泵在实验环境工况下，单级和复叠式均能良好运行。

2)系统单级运行时，制热量和功率随着环境温度上升而上升，系统低温级COP随着环境温度增加而增加。

3)系统复叠运行时，系统变频压缩机频率与系统COP及排气温度的关系，结果显示，随着压缩机频率增加，系统COP先增加后减小，存在最佳频率；复叠运行时在蒸发温度为-20℃、-15℃、-10℃情况下，变频压缩机的频率分别在68 Hz、63 Hz、61 Hz时达到最佳频率；在最佳压缩机频率下，系统COP比在压缩机频率为50 Hz情况下，提升幅度分别为19.05%、19.27%、14.44%。系统排气温度增加。