第１ ５卷第９期 ２ ０ １ ５年９月 剖洚 室调 ４９—５２ ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴ１０Ｎ ＡＮＤ ＡＩＲ—Ｃ０ＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ 直流变速补气增焓热泵系统 在低温制热中的试验研究 苏梅 衣永海 苗畅新 刘光华 吴剑光 （松下压缩机（大连）有限公司） 摘要为了改善空气源热泵在低温环境工作时的制热效率，强化其制热能力，提高压缩机的可靠性，以及 调整热泵系统的热冷负荷比，提出一种将直流变速技术和补气增焓技术有机结合的热泵系统，并进行试验 研究。结果表明：该热泵系统可在环境温度为一２（）℃运行时制热量不衰减，机组热冷负荷比由０．６提高到 １．２，低蒸发温度运行时效率提高１（】 ～１７ ，有效提高系统的低温适应性。 关键词 空气源热泵；直流变速；补气增焓；低温制热；热冷比 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ＤＣ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｅｎｔｈａｌｐｙ ｂｙ ｖａｐｏｒ ｉｎｊ ｅｃｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｓｕ Ｍｅｉ Ｙｉ Ｙｏｎｇｈａｉ Ｍｉａｏ Ｃｈａｎｇｘｉｎ Ｌｉｕ Ｇｕａｎｇｈｕａ Ｗｕ Ｊｉａｎｇｕａｎｇ （Ｐａｎａｓｏｎｉｃ Ａｐｐｌｉａｎｃｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ（Ｄａｌｉａｎ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｉｅｎｃｙ，ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｅｎ— ｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ’Ｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ａｄｊ ｕｓｔ ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ／ｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｉｒ—ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｏｐｅｒａｔｅｓ ａｔ ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｍｂｉｅｎｔ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ＤＣ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｅｎｔｈａｌｐｙ ｂｙ ｖａｐｏｒ ｉｎｊｅｃ— ｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｔ一２（）℃ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｄｅ— ｃｒｅａｓｅ，ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ／ｃｏｏｌｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ（）．６ ｔｏ １．２，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ｉｍ— ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ １ ０ ～１ ７ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ ｌｏｗ ｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｉｒ—ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ａｔ ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ａｉｒ—ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ；ＤＣ ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｅｎｔｈａｌｐｙ ｂｙ ｖａｐｏｒ ｉｎｊ ｅｃｔｉｏｎ； ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔｉｎｇ；ｈｅａｔｉｎｇ／ｃｏｏｌｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｒａｔｅ 随着节能与环保问题越来越受到重视，以燃煤 ２）低温环境运行时由于压比不断增加，系统 为基础的供暖模式所带来的负面影响越来越不能适 应社会可持续发展的要求。空气源热泵以其独特优 点成为热泵诸多型式中应用最为广泛的一种，但是 的效率急剧下降，压缩机的排气温度迅速升高，除 了会因防止过热而自动停机保护，还会导致润滑 油碳化进而影响压缩机使用寿命 ］。 ３）建筑物实际需求的冬季制热与夏季制冷的 热冷负荷比为１＿２，但实际上常规热泵热冷负荷比 仅有０．６，如果按照夏季冷负荷选型，冬季系统制 它的应用受到气候条件的约束。传统空气源热泵在 低温环境使用时会产生下列问题ｌ＾ ： １）随着室外气温的降低，制冷剂吸气比容增 大，机组吸气量迅速下降，从而减少热泵系统的制 热量，不能满足室内最大采暖热负荷。 收稿日期：２（）１ ５（）６一（）４ 热量远远不能满足室内采暖热负荷的需求，按照 冬季热负荷选型，又造成夏季冷量的极大浪费口］。 作者简介：苏梅，硕士，工程师，主要从事涡旋式制冷机组设计开发。 剖痔 室谰 第１５卷 针对以上问题，笔者提出一种空气源直流变 速补气增焓热泵系统，并与常规空气源热泵系统 作分析及试验比较，该技术的应用能够有效提高 空气源热泵的低温适应性。 １ 系统原理分析 直流变速补气增焓热泵系统流程见图１，该系 统采用直流变速补气压缩机，增加中间补气用换 热器及补气膨胀阀。直流变速补气增焓热泵系统 在压焓图上的循环过程为１—２—２ 一３—４—５— １，其单位制冷量ｑ ＝ｈ 一ｈ ，普通单级压缩制冷循 环单位制冷量ｑ ＝ｈ 一ｈ ，如图２所示。 图１ 直流变速补气增焓热泵系统流程图 ｌｇｐ 图２直流变速补气增焓热泵系统循环压一焓图 采用直流变速补气增焓热泵系统存在以下４个 优点： １）增大制热量 由图２看到，在对比常规空气源热泵系统循环 和直流变速补气增焓热泵系统的循环后可发现，制 热量的提高主要源于２个部分：一部分是由于流经 压缩机的制冷剂流量增加，另一部分是压缩机升频。 ２）降低排气温度、提高安全性 补气增焓系统的补气制冷剂与经过压缩的制 冷剂混合，使制冷剂状态从２点变化为２ 点，最终 的排气温度可由常规压缩系统的３ 点降低到３点 （ＡＴ＝Ｔ —Ｔ ），使系统的运行安全性得以提高， 排气温度的降低幅度可由调节补气制冷剂的状态 进行控制。 ３）提高效率 直流变速补气增焓热泵系统增加经济器后， ｅ２，制热量增加的同时，压缩机的功耗也在增加，但 其增加的幅度不及制热量增加的幅度，从而使系 统的制热效率得以提高。 ４）提高热冷负荷比 低环境温度运行时，直流变速补气增焓热泵 系统可通过提高压缩机运转频率提高系统制热量， 在一定环境温度下降范围内系统制热量不衰减，达 到符合建筑物实际需求的热冷负荷比。同时，直流 变速压缩机在提高运转频率时的效率下降缓慢，保 证了系统在低环境温度下运行时较高的效率。 从系统原理分析可以看出，直流变速补气增 焓热泵系统的优势在于将直流变速与中间补气增 焓技术有机结合，有效提高空气源热泵低温运行 的适应性。 ２试验方案及结果分析 ２．１试验方案 ２．１．１试验目的 对比补气增焓系统与常规热泵系统的制热 量、Ｃ０Ｐ和排气温度的变化；对比同时采用补气增 焓与直流变速技术时制热量、ＣＯＰ和排气温度及 热冷负荷比的变化；分析直流变速补气增焓热泵 系统对低温制热效果的改善情况。 ２．１．２试验原理 图３所示为试验系统原理图，有无补气依靠图 中的补气电子膨胀阀控制：电子膨胀阀打开时进 行补气，补气量由控制器程序控制。 ７ １．压缩机；２．四通换向阀；３．套管式换热器；４．单向阀组 ５．贮液器；６．经济器；７．补气阀；８．热力膨胀阀； ９．翅片换热器；１０．气液分离器 图３试验系统原理图 第９期 苏梅等：直流变速补气增焓热泵系统在低温制热中的试验研究 ２．１．３试验参数 试验参数见表１。 表１试验参数 压缩机型号 ２（Ｃ—ＳＤＰ ）５Ｈ压缩机排量／ （）２Ｑ （ｍ ／ｈ） １４．７３ 制冷剂 Ｒ２２ 制冷剂充注量／ｋｇ ３．６ 水流量／（ ／（ｋＷ・ｈ）） ｏ．１７２ 环境温度（制热）／℃７，－５，１２’ １５，２（）出水温度（制热）／℃４１ 环境温度（制冷）／℃ ３５ 出水温度（制冷）／￣Ｃ ７ ２．２试验结果及分析 ２．２．１ 补气增焓系统与常规系统的对比 表２所示为补气增焓系统与常规系统制热试 验结果的对比。 表２ 补气增焓系统与常规系统制热试验结果对比 注：ｄ＝（补气系统一常规系统）／常规系统ｘ １Ｏ０ ＝常规系统排气温度一补气系统排气温度。 １）由图４和图５可见，在中温环境中（７～ 一５℃），补气增焓系统的制热量提升在１４ ９／６～ １８ 左右，Ｃ０Ｐ提升５ ～６ 左右；低温环境中 （一１２～一２（）℃），制热量提升２０ ～２７ ，Ｃ０Ｐ 提升８ ～１（）％，即环境温度越低，补气系统的制 热能力和能效增加的幅度越大。这是由于在较低 蒸发温度时，补气量所占系统工质循环量的比例 变大，补气增焓系统在低温工况下运行时，效果尤 为明显。 ２０ —１５ —１０ －５ ０ ５ 环境温度／℃ 图４补气增焓系统与常规系统制热量的对比 釜３．１ 至２．５ １．９ １．３ ＺＵ —ｌ —１Ｕ 一 Ｕ 环境温度／℃ 图５补气增焓系统与常规系统制热ＣＯＰ的对比 ２）由图６可见，随着环境温度的降低，普通热 泵排气温度逐渐升高，在一１２℃环境温度时排气 温度接近使用极限值１２０。Ｃ。如果系统长时间在低 温环境下运转，润滑油温度升高、黏度下降，会影响 压缩机润滑与密封，从而导致可靠性下降、效率降 低，这正是普通热泵在低温下长期工作会造成压缩 机烧毁的主要原因之一 。补气增焓系统可以将排 气温度控制在合理的范围内，保证系统运行的可 靠性。 １２Ｏ ｐ ９０ 赠 ６０ ３０ ０ 环境温度／℃ 图６补气增焓系统与常规系统排气温度的对比 ２．２．２ 直流变速补气增焓系统与补气系统的对比 表３所示为直流变速补气增焓系统与补气系 统制热试验结果的对比。 表３ 直流变速补气系统与仅补气系统制热试验结果对比 注： ＝（变速补气一仅补气）／仅补气×１Ｏ０ ； ｅ＝变速补气排气温度一仅补气排气温度。 剖洚 室嘲 第１５卷 表４直流变速补气系统制冷试验结果 图７变速补气系统与仅补气系统制热量对比 至 ＼ 杰 环境温度／℃ 图８变速补气系统与仅补气系统制热∞Ｐ对比 ＼ 赠 薏 环境温度／℃ 图９ 变速补气系统与仅补气系统排气温度对比 １）由图７～图９可见，随着环境温度降低，逐 渐提高压缩机运转频率，可实现在环境温度 ～２（）℃时制热量不衰减，与仅补气系统比较制热 量提高１３８ ，与不补气的普通系统比较制热量提 高达２０３ 。直流变速补气增焓系统ＣＯＰ比仅补 气系统提升６ 左右，比不补气的普通系统提升 １７ 。排气温度略有升高，但对系统可靠性无明 显影响。直流变速技术的使用使低温制热量大幅 ％％ ∞罟８％ 跎鲫 提升的同时，效率也略有提升。 ２）普通系统的热冷负荷比为０．６４（一１２℃环 境温度制热量／３５℃环境温度制冷量＝７．７ ｋｗ／ １２．０３ ｋｗ），直流变速补气增焓系统的热冷负荷比 为１．２７（一１２℃环境温度制热量／３５℃环境温度 制冷量＝１５．３９ ｋｗ／１２．０３ ｋｗ），达到了建筑物实 际需求的冬季制热量与夏季制冷量的热冷负荷比 （１．２）的要求。 ３ 结论 １）直流变速补气增焓技术的应用，有效解决 了空气源热泵机组在低温领域使用的难题。补气 技术的应用，使系统全工况制热量及Ｃ０Ｐ得到提 升，制热量最高提升２７ ，ｃ０Ｐ最高提升１７ 。 同时在低温环境下运行时有效降低压缩机排气温 度２（）～４（）℃，提高了系统可靠性，为运行范围向 更低温度扩展提供可能性。 ２）直流变速技术的使用，使热泵系统实现在 环境温度下降至一２（）℃时制热量不衰减，解决了 建筑物负荷需求与机组实际能力的矛盾，将空气 源热泵热冷负荷比由０．６提高至１．２，满足寒冷地 区对空气源热泵使用的实际需求。 综上所述，将直流变速补气增焓技术应用于 空气源热泵，对于提高制热能力、改善系统的低温 适应性与运行可靠性均取得明显的效果，对于更 好地促进空气源热泵技术的发展具有积极的 意义 参考文献 ［１］甄炎，刘宗华，王起霄，等．提高低温空气源热泵性能 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