空氣源熱泵如何應(yīng)對(duì)超低溫環(huán)境

PART01多級(jí)壓縮技術(shù)變頻壓縮技術(shù)是提高空氣源熱泵供熱能力的有效方法之一。在低溫工況下，提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，可以顯著增加其排氣量，從而提高空氣源熱泵的供熱能力。然而，變頻技術(shù)并不能提高系統(tǒng)能效。為了同時(shí)提高供熱能力和低溫下的能效，研發(fā)了多級(jí)壓縮技術(shù)。根據(jù)壓縮級(jí)數(shù)和循環(huán)結(jié)構(gòu)的不同，多級(jí)壓縮空氣源熱泵可分為復(fù)疊循環(huán)和雙/多級(jí)壓縮等。為了提高單級(jí)壓縮系統(tǒng)在低環(huán)境溫度下的供熱能力，可以在壓縮過程中直接向壓縮腔噴入制冷劑，這就是所謂的準(zhǔn)雙級(jí)壓縮。由于準(zhǔn)雙級(jí)壓縮循環(huán)具備雙級(jí)壓縮循環(huán)的特點(diǎn)，故本文將納入雙級(jí)壓縮循環(huán)的范圍一并介紹。1.1復(fù)疊式空氣源熱泵由于環(huán)境溫度低，導(dǎo)致系統(tǒng)壓比高，壓縮功大，節(jié)流損失大，最終導(dǎo)致熱泵能效低。為了減少損失、提高效率，復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)采用兩個(gè)蒸氣壓縮循環(huán)相串聯(lián)來代替單一的循環(huán)，以減小單級(jí)循環(huán)的壓縮比。如下圖所示，復(fù)疊系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的蒸氣壓縮循環(huán)組成，其一為低溫級(jí)循環(huán)，另一個(gè)為高溫級(jí)循環(huán)。這兩個(gè)循環(huán)通過一個(gè)共用的中間換熱器相連接，該換熱器同時(shí)作為低溫循環(huán)的冷凝器和高溫循環(huán)的蒸發(fā)器運(yùn)行。冬季，低溫循環(huán)通過蒸發(fā)器從環(huán)境空氣中吸收熱量，并將熱量提升到更高的溫度，作為熱源提供給高溫循環(huán)；在高溫循環(huán)中，熱量再次被提升至室內(nèi)供暖所需的溫度。采用復(fù)疊式空氣源熱泵，循環(huán)的壓比大大降低，減少了總壓縮損失和節(jié)流損失，因而可以提高空氣源熱泵的能效；并且，根據(jù)不同的工況，復(fù)疊式循環(huán)的高、低溫級(jí)可采用不同的制冷劑。由于復(fù)疊式系統(tǒng)可采用兩個(gè)簡(jiǎn)單的單級(jí)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，故已經(jīng)有多年被用于供暖和供應(yīng)熱水的應(yīng)用。然而，復(fù)疊循環(huán)中間換熱器的換熱溫差不可避免地會(huì)導(dǎo)致一定的效率損失；并且，復(fù)疊循環(huán)需要使用兩臺(tái)壓縮機(jī)和一個(gè)額外的換熱器，這與單級(jí)循環(huán)相比成本更高。1.2雙級(jí)壓縮空氣源熱泵雙級(jí)壓縮空氣源熱泵將兩個(gè)制冷循環(huán)連接在一起，可以看作是復(fù)疊式系統(tǒng)的簡(jiǎn)化形式。如下圖所示，根據(jù)所采用經(jīng)濟(jì)器的不同，可以將雙級(jí)壓縮空氣源熱泵分為兩類：閃蒸罐（FT）系統(tǒng)[5]和中間換熱器（IHX）系統(tǒng)。對(duì)于閃蒸罐系統(tǒng)，離開室內(nèi)冷凝器的液體制冷劑被節(jié)流成兩相后進(jìn)入閃發(fā)罐，兩相制冷劑在閃發(fā)罐中被分離為飽和氣體和飽和液體；飽和氣體制冷劑與低壓級(jí)壓縮機(jī)的制冷劑排氣混合后，被高壓級(jí)壓縮機(jī)再次壓縮，飽和液體經(jīng)第二膨脹閥節(jié)流后，進(jìn)入室外蒸發(fā)器蒸發(fā)為氣體，而后進(jìn)入低壓級(jí)壓縮機(jī)，之后與閃發(fā)罐的中壓氣體混合。對(duì)于中間換熱器系統(tǒng)，冷凝器出口的液體制冷劑直接分成主流、支流兩路。支流制冷劑被節(jié)流到中壓后進(jìn)入中間換熱器，低溫制冷劑將主流制冷劑冷卻到過冷狀態(tài)，支流制冷劑吸熱變?yōu)轱柡蜌饣蜻^熱狀態(tài)，并與低壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣混合，之后進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮。中間換熱器主流出口處的過冷制冷劑被節(jié)流后，通過蒸發(fā)器，最終回到低壓級(jí)壓縮機(jī)，被壓縮至中壓后與支流制冷劑混合。1.3準(zhǔn)雙級(jí)壓縮空氣源熱泵如下圖所示，準(zhǔn)雙級(jí)壓縮空氣源熱泵（也稱為補(bǔ)氣系統(tǒng)）與雙級(jí)壓縮系統(tǒng)非常相似。不同點(diǎn)在于，準(zhǔn)雙級(jí)壓縮系統(tǒng)中采用一個(gè)帶有中間補(bǔ)氣口的壓縮機(jī)代替兩個(gè)串聯(lián)壓縮機(jī)。在準(zhǔn)雙級(jí)壓縮中，來自閃發(fā)罐或中間換熱器制冷劑被注入壓縮機(jī)的壓縮腔內(nèi)，而非兩臺(tái)壓縮機(jī)中間。因此，準(zhǔn)雙級(jí)熱泵可被看作雙級(jí)熱泵的簡(jiǎn)化形式，采用專門設(shè)計(jì)的補(bǔ)氣壓縮機(jī)來代替兩臺(tái)壓縮機(jī)，從而避免了兩臺(tái)壓縮機(jī)之間的均油難題，同時(shí)降低了系統(tǒng)成本。更重要的是，通過關(guān)閉補(bǔ)氣支路上的閥門，準(zhǔn)兩級(jí)系統(tǒng)可以靈活轉(zhuǎn)換為單級(jí)循環(huán)模式，從而在冬、夏季優(yōu)化準(zhǔn)雙級(jí)熱泵的性能。為此，近年來，準(zhǔn)雙級(jí)壓縮技術(shù)在低溫?zé)岜弥械玫搅藦V泛的應(yīng)用。PART02制冷劑替代目前，R22和R410A是空氣源熱泵系統(tǒng)最常用的制冷劑，其主要替代物為R290、R32、R744、R161以及一些HFC混合制冷劑。然而，除R744外，所有的中低GWP制冷劑都具有一定可燃性，考慮到充注量和其它特殊要求，其應(yīng)用必須符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定。就純工質(zhì)替代物而言，R290的運(yùn)行壓力和容量與R22相近，且能效比高于R22，但由于其易燃性，主要適用于小充注量系統(tǒng)。已有生產(chǎn)商展出了使用R290的分體式空調(diào)器、空氣源熱泵。R32的運(yùn)行壓力和容量接近R410A，且能效也與R410A相當(dāng)，甚至略高于R410A。目前，R32適用于市場(chǎng)上各類空調(diào)設(shè)備，多個(gè)國家和地區(qū)將其用于分體機(jī)，如日本、中國、韓國和歐洲，也有生產(chǎn)商將R32用于其他類型的系統(tǒng)，如多聯(lián)機(jī)。R744在供暖和供冷領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，由于其在制冷模式下能效比，尤其是在外溫較高時(shí)。然而，R744跨臨界循環(huán)在高溫?zé)崴矫婢哂酗@著優(yōu)勢(shì)。除純工質(zhì)外，也有許多空氣源熱泵專用的混合制冷劑，其主要由兩種或多種R32、R125、R134a、R152a、R161、R1234yf、R1234ze、R600a、R1270和R290等純工質(zhì)混合構(gòu)成。某些混合工質(zhì)已被命名為專有編號(hào)，如R444B、R446A和R447A等，而其他大量混合工質(zhì)仍在持續(xù)開