新型低温空气源热泵系统分析研究

空气源热泵空调机组具有夏季制冷、冬季制热的双重功能,因而受到越来越多用户的青睐。然而,其应用也受到一定的限制。在某些地方冬季运行时,由于室外空气温度较低,蒸发器表面容易结霜,影响其正常供热;随着室外空气温度的降低,房间热负荷增大,但空调机组供热能力却逐渐减少,满足不了用户的使用要求。因此,提高空气源热泵在低温环境下的制热能力,已成为近年来非常重视的研究课题。

空气源热泵应用于寒冷地区冬季制热时，系统制热量随着室外温度的降低迅速下降。同时，随着吸气压力的降低，压缩机压力比迅速升高，导致排气温度急剧上升。解决空气源热泵的低温适应性，主要应从以下几方面着手研究：增加低温工况下系统工质循环量、控制机组排气温度、优化机组压缩机内部的工作过程、选用适用于大工况范围的制冷剂。通常在同一个低温空气源热泵系统中综合了多个解决途径。

1.单级低温热泵系统

在室外温度为-30℃，冷凝温度为60℃的工况下，采用专为低温制冷设计的压缩机的单级热泵系统仍然可以稳定运行。这种压缩机主要采用R507、R404为工质，在大压缩比下仍可稳定运行，不会因过热而停机。但是相对其他低温热泵系统来说，它的COP相对较低。同时，由于压缩机专为低蒸发压力工况设计，在较高室外气温下其性能降低。随着室外温度的升高，系统的制热量逐渐增加，但是室内采暖热负荷减小，这使得热泵系统运行时间短，从而降低系统运行效率。单级低温热泵系统可以综合变频技术、并联压缩机或可替换压缩机方式、蓄热系统，但是这样会增加单级系统的投资，从而丢掉了其最大的优点——低廉的安装费用。

2.带油冷却的单级压缩热泵系统

在压缩过程中使用在排气管路中分离出的大量的油来降低制冷剂温度是另一种降低排气温度的方法。冷却过程发生在冷凝器中，换热后的油回到压缩机油路进口。较低的排气温度使得压缩机输入功率减小，同时系统在较低的吸气压力下进行。但是油的温度高于蒸发温度，因而增加了系统过热度，从而增加压缩机功耗，同时降低了系统COP。总之，如果系统设计合理，在不用过多增加安装费用的情况下可以提高系统的运行效率并且可以在较低室外温度下稳定运行。

3.带中间冷却器的二级压缩热泵系统

带中间冷却器的二级压缩热泵系统主要是应用于蒸发温和冷凝温度相差较大的工况，并且在室外气温较高时可以单独使用一个压缩机，从而减少制热量。通过两级压缩之间对制冷剂的冷却，第二级压缩后的排气温度明显降低，这使得空气源热泵运行的温度适应性大大提高。但是由于中间冷却器是由循环热水来进行冷却，这样冷却器的温度较高，低压级压缩机的制冷剂不能被冷却至饱和状态，这样会使得系统运行不能达到最佳COP。

4.带经济器的二级压缩热泵系统

带经济器的二级压缩热泵系统,在带经济器的二级压缩热泵系统高压级压缩机吸气处，一定量的两相制冷剂与低压级压缩机排出的高温气态制冷剂相混合。这样压缩机排气温度过高现象得以解决，同时，由于经济器中的换热，使得从冷凝器出来的制冷剂在进入膨胀阀之前过冷，从而提高系统的COP。 但是该系统要准确控制好进入高压级压缩机制冷剂状态。带经济器的二级压缩热泵系统相对于其他低温热泵系统有较高的运行效率。但是它的安装费用较高，在逆运行除霜及空调用方面有一定的局限性。

5.带经济器的准二级压缩热泵系统

在80年代中期国内学者提出了带经济器的准二级压缩热泵系统，并在螺杆机组中得到成功应用。经研究，在-30℃工况下，该系统完全可以取代双级压缩系统。但是螺杆机组容量一般较大，同时其相对于双级压缩系统的优点随蒸发温度的上升而不明显，长期以来它的研究仅仅局限于低温制热情况。

带辅助进气口的涡旋压缩机实现带经济器的准二级压缩空气源热泵于2000年被提出，用来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能。经济器系统分为过冷器系统和闪发器系统。带过冷器的涡旋压缩机准二级压缩热泵系统结构简单，无需对常规系统进行很大改造。在较低环境温度时能够稳定运行，且制热量能够满足冬季采暖热负荷。通过启闭补气回路的截止阀来实现准二级压缩模式与单级压缩模式之间的转换，使系统在正常制热/制冷及低温制热工况下的经济性得到较好兼顾。

通过理论与实验数据的分析比较得出：在低温工况下，闪发器前节流系统比过冷器系统更能有效地提高空气源热泵的低温制热性能，同时由于其结构简单，成为寒冷地区用小型空气源热泵的较佳选择。

6.双级耦合热泵系统

双级耦合热泵系统由一级侧循环（空气—水热泵机组）和二级侧循环（水—水热泵机组）通过中间水环路耦合在一起。该系统可根据室外气温进行单、双级交替运行，使其可以很好地适应室内负荷波动。在双级工况下，一级侧循环运行条件和供暖特性均得以有效改善，且中间水环路不存在回灌等技术难题。因此双级耦合热泵系统也是一种适用于寒冷地区的新型供暖系统。

对于各种系统，其不足之处可采用变频技术、辅助加热器系统、复叠式蒸汽压缩系统、单级循环与复叠循环相结合的空气源热泵。在室外气温很低条件下,按复叠循环方式制热仍能达到压缩比小,排气温度低,制热量高要求。在低温条件下,以复叠循环方式运行比单级运行的能量利用效率更高。热泵在在最佳节能控制条件下运行可实现最大限度节能。

新型热泵不但能满足在正常工况下用户对冷热的要求,而且还能满足夏季酷热冬季严寒条件下对冷热要求,能实现在环境温度为40℃～-30℃范围内对冷热的要求,温度适用范围宽,工作性能稳定,控制调节简单方便;能够随环境温度的变化,使系统COP值总趋于较大值,系统总是朝最有利于节能的趋势工作。对解决我国北方寒冷地区的低温适用和节能等问题具有重要指导意义。