吳強(qiáng)

蘇州蘇凈安發(fā)環(huán)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(qū)得到廣泛應(yīng)用[1-4]。南方地區(qū)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(fù)荷大的黃河流域、華北地區(qū)等寒冷地區(qū)，空氣源熱泵在北方地區(qū)應(yīng)用受到較多限制。近年來，補(bǔ)氣增焓經(jīng)濟(jì)器空氣源熱泵技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

1 補(bǔ)氣增焓經(jīng)濟(jì)器空氣源熱泵

補(bǔ)氣增焓技術(shù)可以降低壓縮機(jī)排氣溫度，提升低溫環(huán)境下壓縮制冷循環(huán)效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

圖1為本公司開發(fā)的帶補(bǔ)氣增焓渦旋壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)圖：制冷工況中，壓縮機(jī)產(chǎn)生的高溫高壓氣體通過四通閥后進(jìn)入空氣側(cè)換熱器放熱生成高壓低溫液體，通過過濾器排除污物，經(jīng)過制冷單向閥后通過過冷器過冷，為進(jìn)一步過冷卻，制冷劑進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器，其中一部分高壓過冷液體經(jīng)過經(jīng)濟(jì)器熱力膨脹閥節(jié)流降壓到合適的中間補(bǔ)氣壓力后生成的低壓飽和蒸氣直接進(jìn)入壓縮機(jī)輔助吸入口進(jìn)行補(bǔ)氣，并產(chǎn)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(jìn)入水側(cè)換熱器蒸發(fā)吸熱，生成的低壓高溫氣體通過四通閥進(jìn)入壓縮機(jī)的吸入端，并開始新的循環(huán)。

圖1 補(bǔ)氣增焓渦旋壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)圖

制熱工況中，四通閥換向，壓縮機(jī)產(chǎn)生的高溫高壓氣體進(jìn)入水側(cè)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(jīng)過制熱單向閥后通過經(jīng)濟(jì)器過冷，其中一部分高壓低溫液體經(jīng)過經(jīng)濟(jì)器熱力膨脹閥后節(jié)流降壓到合適的中間補(bǔ)氣壓力后生成的低壓飽和蒸氣直接進(jìn)入壓縮機(jī)輔助吸入口進(jìn)行補(bǔ)氣，產(chǎn)生的冷量用于經(jīng)濟(jì)器高壓液體過冷，其余過冷液體通過過冷器進(jìn)一步放熱過冷，防止空氣側(cè)換熱器結(jié)冰。制冷劑過冷液體經(jīng)過制熱熱力膨脹閥生成低壓低溫液體，通過過濾器后進(jìn)入空氣側(cè)換熱器進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，生成的低壓高溫氣體經(jīng)過四通閥進(jìn)入壓縮機(jī)的吸入端，并開始新的循環(huán)。

制冷、制熱循環(huán)通過外平衡式熱力膨脹閥節(jié)流。制熱膨脹閥能力在低環(huán)境溫度制熱時依據(jù)系統(tǒng)能夠在不低于-20 ℃的環(huán)境溫度下正常工作選定，不按標(biāo)準(zhǔn)工況下制熱量選定。制冷膨脹閥的容量由標(biāo)準(zhǔn)工況下制冷量選定。

在蘇州蘇凈安發(fā)環(huán)境科技有限公司的焓差實(shí)驗(yàn)室測試得到：圖2為補(bǔ)氣增焓機(jī)組COP 在不同出水溫度和環(huán)境溫度下的變化情況，當(dāng)出水溫度為 40 ℃時，機(jī)組在-25 ℃的環(huán)境溫度下可以正常工作。

圖2 補(bǔ)氣增焓機(jī)組不同環(huán)境溫度下的COP

2 電子膨脹閥控制排氣過熱度

當(dāng)吸氣溫度Tsuct升高時，壓縮機(jī)排氣溫度Tdis上升，導(dǎo)致冷凝壓力Pcond升高，各參數(shù)間存在對應(yīng)關(guān)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(fā)壓力；Δpevap——吸氣阻力損失；k——工質(zhì)的絕熱指數(shù)。

室外環(huán)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(jī)承受極限，易出現(xiàn)頻繁啟停導(dǎo)致系統(tǒng)難以正常工作等問題，嚴(yán)重時可燒毀壓縮機(jī)。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(kuò)大空氣源熱泵機(jī)組使用范圍。

電子膨脹閥的控制分為粗調(diào)、精調(diào)參數(shù)，對電子膨脹閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)實(shí)際過熱度偏離目標(biāo)值較多時，采用粗調(diào)參數(shù)，調(diào)節(jié)頻率高、調(diào)節(jié)幅度大，使其膨脹閥開度盡快到需求開度范圍內(nèi)。當(dāng)實(shí)際過熱度靠近目標(biāo)值時，采用精調(diào)參數(shù)，調(diào)節(jié)頻率降低、調(diào)節(jié)幅度減小，使膨脹閥開度盡快穩(wěn)定在合適值，不波動。

在蘇州蘇凈安發(fā)環(huán)境科技有限公司的焓差實(shí)驗(yàn)室測試得到：圖3為過熱度控制機(jī)組 COP 在不同出水溫度和環(huán)境溫度下的變化情況，當(dāng)出水溫度為 40 ℃時，機(jī)組在-15 ℃的環(huán)境溫度下可以正常工作。

圖3 過熱度控制機(jī)組不同環(huán)境溫度下的COP

3 經(jīng)濟(jì)性分析

位于蘇州的某三層已竣工獨(dú)棟建筑每層約220 m2，共計(jì)建筑面積660 m2。層頂花園為上人屋頂，熱泵主機(jī)設(shè)置在上人屋面或屋頂，房間采用地板采暖方式，經(jīng)計(jì)算選用制熱量為66kW 的熱泵機(jī)組。

系統(tǒng)計(jì)算：電費(fèi) 1￥每度，平均 COP 按照 COP 變化曲線認(rèn)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(jī)組壽命為 10 年。不同的空氣源熱泵機(jī)組的性能比較如表1 所示。

表1 不同的空氣源熱泵機(jī)組的性能比較

從表1 中可見：

當(dāng)環(huán)境溫度為-15 ℃時，過熱度控制機(jī)組COP 低于補(bǔ) 氣增焓機(jī)組，運(yùn)行增加耗電量費(fèi)用為(66/1.48-66/1.53)× 10× 10× 37.7× 1=5467 元，初投資增加為1390 元。

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

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

4 總結(jié)

低環(huán)溫空氣源熱泵通過過熱度控制或者補(bǔ)氣增焓可以實(shí)現(xiàn)低溫制熱，過熱度控制使用的環(huán)境溫度不及補(bǔ)氣增焓機(jī)組。但是具有初投資低的優(yōu)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(bǔ)氣增焓機(jī)組。