基于噴液冷卻式空氣源熱泵實驗性能分析*

蔡志敏，李建國，李春來，李韶峰，伍懿美

（1.河源職業技術學院，廣東 河源 517000；2.龍川紐恩泰新能源科技有限公司，廣東 河源 517300）

近幾十年來，我國經濟發展快速，人民的生活水平也有了很大提高，然而，大氣污染卻比較嚴重，特別是我國北方冬季燃煤采暖等，造成了很多城市出現大面積霧霾天氣，嚴重影響了人民的健康和生活。煤改清潔能源是國家制定的大氣污染防治計劃的重要方向，在國家提出的“26+2”城市煤改清潔能源行動方案中，空氣源熱泵由于不污染、效率高等特點，成為替代燃煤供暖等措施的重要發展方向。

1 空氣源熱泵技術簡述

在我國，北方大部分寒冷地區，空氣源熱泵在工作過程中出現了較多問題：在冬季，空氣源熱泵機組室外環境溫度比較低時，機組蒸發溫度和蒸發壓力過低，從而造成空氣源熱泵機組啟動困難；隨著室外環境溫度的下降，機組制熱量嚴重不足；并且室外機的蒸發器結霜嚴重，不僅影響換熱器與室外空氣之間的熱量傳遞，而且蒸發溫度也會因此降低，制熱量嚴重衰減。

空氣源熱泵最早起源于南方城市，比如華南、華中地區。隨著熱泵低溫技術的不斷改進，空氣源熱泵的適用范圍和地區也更加廣泛、廣闊，近年來，在我國北方很多地區也得到了快速發展。

對空氣源熱泵在低溫環境下存在的限制和問題，國內外許多學者展開了大量的工作和研究，冉小鵬等人設計并制作了一臺空氣源熱泵，并且測試了該熱泵在低溫環境下運行的穩定性和可行性及增加中間補氣后對空氣源熱泵系統整體性能的影響。結論如下：在室外零下20℃的環境溫度下系統運行穩定；并且還總結出了補氣量的最優情況，能使系統的能效比保持最高，從而提高了熱泵機組的性能。趙曉丹等人針對空氣源熱泵機組在北方冬季低環境溫度下制熱量衰減的問題，利用中間補氣的方法，試驗研究了空氣源熱泵在不同室外環境溫度下的機組性能，得出如下結論：通過補氣，熱泵機組的壓縮機排氣溫度可以控制在90℃以下范圍，當室外環境溫度降至零下15℃時，中間補氣式熱泵的制熱量與普通熱泵相比提高了27.1%，能效比提高了4.8%。馬一太等人對空氣熱泵系統中的壓縮機進行了研究，主要對比了轉子式壓縮機和渦旋式壓縮機并分析總結得出：兩款機組都可以通過噴氣增焓的方式在室外低溫環境下增大制熱量以及能效比；而轉子式壓縮機相比更具有優勢，適用于更低的室外環境溫度工況，通過噴氣增焓的形式可以實現準二級壓縮。劉娜等人設計開發了一套雙級壓縮式空氣源熱泵機組，并對該機組在不同工況下進行了性能測試研究，得出結論如下：在相同的室外低溫環境溫度下，雙級壓縮式空氣源熱泵系統的制熱量衰減幅度相對普通熱泵系統減少，在室外環境溫度為零下15℃的工況下能效比比普通熱泵提高22%左右。

2 噴液冷卻式空氣源熱泵的工作原理

系統由蒸發器、壓縮機、冷凝器、節流閥、噴射管路等組成。工作過程為：將中溫氣液混合的制冷劑噴入壓縮機的渦旋盤內，與主路被壓縮后的高溫高壓制冷劑混合，以此來降低壓縮機在高壓比時的排氣溫度。空氣源熱泵的工作原理如圖1 所示。

由圖1 分析可知：制冷劑被冷凝器冷卻后，流出分兩路，一路為主路，一路為次路，主路經節流閥節流（6），到蒸發器相變吸熱后由壓縮機吸入（1）。次路經節流閥節流降壓后直接到壓縮機噴液口噴入（7），與壓縮機內原有制冷劑進行混合后（3）經壓縮機壓縮排出（4）。

圖1 噴液冷卻熱泵工作原理圖

由圖2 分析可知：如果沒有次路噴液系統，壓縮機排氣溫度會升高。所以噴液系統可有效降低壓縮機排氣溫度。

圖2 噴液冷卻系統壓焓圖

因為噴射冷媒溫度較低且為氣液混合態，所以有效降低壓縮機的排氣溫度，從而使熱泵在室外低環境溫度下可以得到更高的冷凝壓力和更大的運行范圍區間。由于系統只增加了噴液閥，不需要另外加閃發器或經濟器，簡化了系統設計，降低了成本。

3 實驗數據分析

在低溫空氣源熱泵冷水機組性能實驗室中，試驗檢測噴液冷卻空氣源熱泵的制熱性能，包括熱泵制熱性能系數COP 和制熱量Q 隨模擬室外氣溫T 的變化情況。試驗熱泵選用某型號額定制熱量為55kW 的噴液冷卻式渦旋空氣源熱泵，試驗模擬室外氣溫T 分別為10，0，-5，-10，－15 時空氣源熱能的工作性能。具體參數如表1 所示。

表1 噴液冷卻式熱泵在不同環境條件參數變化一覽表

由表1、圖3 及圖4 分析可知，在室外溫度為10℃時，熱泵的COP 為3.60，和普通熱泵相比無明顯優勢，而隨著室外溫度的降低，COP 的下降有明顯的延緩趨勢，室外溫度為-10℃時，熱泵的COP 還可以達到2.45 以上，在-15℃時COP 還可以達到2.13，比電熱或其他形式的熱源有明顯的節能效果。

圖3 噴液冷卻式熱泵隨環境溫度變化的制熱量變化趨勢圖

圖4 噴液冷卻式熱泵隨環境溫度變化的COP 變化對比圖

4 結束語

由于系統只增加了噴液閥，不需要另外加閃發器或經濟器，簡化了系統設計，降低了成本。

通過對一臺噴液冷卻的空氣源熱泵在不同環境溫度下的相關參數進行檢測并對數據進行對比分析，發現隨著外界環境溫度的下降，噴液冷卻空氣源熱泵機組COP的下降較普通熱泵有明顯的延緩趨勢，室外溫度為-10℃時，熱泵的COP 可以達到2.45 以上，在-15℃時COP 還可以達到2.13，噴液冷卻空氣源熱泵機組在低溫環境下效率較高；比電熱或其他形式的熱源有明顯的節能優勢。