兩種低環溫空氣源熱泵系統供暖的經濟性分析

吳強

蘇州蘇凈安發環境科技有限公司

作為一種高效清潔的采暖方式，空氣源熱泵在我國南方地區得到廣泛應用[1-4]。南方地區冬季室外溫度相對較高，采暖效果良好。在室外溫度低、采暖負荷大的黃河流域、華北地區等寒冷地區，空氣源熱泵在北方地區應用受到較多限制。近年來，補氣增焓經濟器空氣源熱泵技術得到了較為廣泛的應用。

1 補氣增焓經濟器空氣源熱泵

補氣增焓技術可以降低壓縮機排氣溫度，提升低溫環境下壓縮制冷循環效率，從而達到節能的目的。

圖1為本公司開發的帶補氣增焓渦旋壓縮機熱泵系統圖：制冷工況中，壓縮機產生的高溫高壓氣體通過四通閥后進入空氣側換熱器放熱生成高壓低溫液體，通過過濾器排除污物，經過制冷單向閥后通過過冷器過冷，為進一步過冷卻，制冷劑進入經濟器，其中一部分高壓過冷液體經過經濟器熱力膨脹閥節流降壓到合適的中間補氣壓力后生成的低壓飽和蒸氣直接進入壓縮機輔助吸入口進行補氣，并產生冷量。其余過冷液體通過制冷熱力膨脹閥生成低壓低溫液體，通過過濾器后進入水側換熱器蒸發吸熱，生成的低壓高溫氣體通過四通閥進入壓縮機的吸入端，并開始新的循環。

圖1 補氣增焓渦旋壓縮機熱泵系統圖

制熱工況中，四通閥換向，壓縮機產生的高溫高壓氣體進入水側換熱器放熱，放出的熱量用于采暖或生活熱水，生成的高壓低溫液體通過過濾器排除污物，經過制熱單向閥后通過經濟器過冷，其中一部分高壓低溫液體經過經濟器熱力膨脹閥后節流降壓到合適的中間補氣壓力后生成的低壓飽和蒸氣直接進入壓縮機輔助吸入口進行補氣，產生的冷量用于經濟器高壓液體過冷，其余過冷液體通過過冷器進一步放熱過冷，防止空氣側換熱器結冰。制冷劑過冷液體經過制熱熱力膨脹閥生成低壓低溫液體，通過過濾器后進入空氣側換熱器進行蒸發吸熱，生成的低壓高溫氣體經過四通閥進入壓縮機的吸入端，并開始新的循環。

制冷、制熱循環通過外平衡式熱力膨脹閥節流。制熱膨脹閥能力在低環境溫度制熱時依據系統能夠在不低于-20 ℃的環境溫度下正常工作選定，不按標準工況下制熱量選定。制冷膨脹閥的容量由標準工況下制冷量選定。

在蘇州蘇凈安發環境科技有限公司的焓差實驗室測試得到：圖2為補氣增焓機組COP 在不同出水溫度和環境溫度下的變化情況，當出水溫度為 40 ℃時，機組在-25 ℃的環境溫度下可以正常工作。

圖2 補氣增焓機組不同環境溫度下的COP

2 電子膨脹閥控制排氣過熱度

當吸氣溫度Tsuct升高時，壓縮機排氣溫度Tdis上升，導致冷凝壓力Pcond升高，各參數間存在對應關系：

其中：Tdis——排氣溫度；Tsuct——吸氣溫度；Pcond——冷凝壓力；ΔPcond——排氣阻力損失；Pevap——蒸發壓力；Δpevap——吸氣阻力損失；k——工質的絕熱指數。

室外環境溫度較低時，壓縮比增大致使排氣溫度過高，一旦超出壓縮機承受極限，易出現頻繁啟停導致系統難以正常工作等問題，嚴重時可燒毀壓縮機。從式（1）可以看出如果采用減少吸氣過熱度的方法，可以排氣溫度，從而擴大空氣源熱泵機組使用范圍。

電子膨脹閥的控制分為粗調、精調參數，對電子膨脹閥的開度進行調節。當實際過熱度偏離目標值較多時，采用粗調參數，調節頻率高、調節幅度大，使其膨脹閥開度盡快到需求開度范圍內。當實際過熱度靠近目標值時，采用精調參數，調節頻率降低、調節幅度減小，使膨脹閥開度盡快穩定在合適值，不波動。

在蘇州蘇凈安發環境科技有限公司的焓差實驗室測試得到：圖3為過熱度控制機組 COP 在不同出水溫度和環境溫度下的變化情況，當出水溫度為 40 ℃時，機組在-15 ℃的環境溫度下可以正常工作。

圖3 過熱度控制機組不同環境溫度下的COP

3 經濟性分析

位于蘇州的某三層已竣工獨棟建筑每層約220 m2，共計建筑面積660 m2。層頂花園為上人屋頂，熱泵主機設置在上人屋面或屋頂，房間采用地板采暖方式，經計算選用制熱量為66kW 的熱泵機組。

系統計算：電費 1￥每度，平均 COP 按照 COP 變化曲線認為呈線性，同時考慮化霜的 COP 衰減2，2供暖時間取每天10 小時，機組壽命為 10 年。不同的空氣源熱泵機組的性能比較如表1 所示。

表1 不同的空氣源熱泵機組的性能比較

從表1 中可見：

當環境溫度為-15 ℃時，過熱度控制機組COP 低于補 氣增焓機組，運行增加耗電量費用為(66/1.48-66/1.53)× 10× 10× 37.7× 1=5467 元，初投資增加為1390 元。

當環境溫度為-20 ℃時，過熱度控制機組采用電加熱，耗電量費用為 (66-66/1.431)× 10× 10× 15.1×1=30016 元，初投資增加為187 元。

在環境溫度-25 ℃時，過熱度控制機組采用電加熱，耗電量費用為(66-66/1.31)× 10× 10× 6.25× 1=477 元，初投資增加為38000 元。

4 總結

低環溫空氣源熱泵通過過熱度控制或者補氣增焓可以實現低溫制熱，過熱度控制使用的環境溫度不及補氣增焓機組。但是具有初投資低的優勢，通過輔助電加熱，在一年中低溫的部分時間，可以部分取代補氣增焓機組。