【摘 要】
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随着清洁供暖政策的推广,空气源热泵应用于北方地区供暖过程中的低温适应性问题,因压缩机补气和变频技术的进步而逐渐缓解,使得空气源热泵在严寒地区应用成为可能,由此出现了低环境温度变频空气源热泵机组。低环境温度变频空气源热泵机组常用压缩机补气和变频技术,来满足宽温区运行工况。如何融合建筑负荷特性和压缩机变频性能,设计低环境温度变频空气源热泵机组尚需深入研究。同时补气技术提升热泵低温适应性也一直是研究热点
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“基于可再生能源热泵利用的复合型区域供热供冷系统关键技术研究与示范”（2021YFE0116100）；
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随着清洁供暖政策的推广,空气源热泵应用于北方地区供暖过程中的低温适应性问题,因压缩机补气和变频技术的进步而逐渐缓解,使得空气源热泵在严寒地区应用成为可能,由此出现了低环境温度变频空气源热泵机组。低环境温度变频空气源热泵机组常用压缩机补气和变频技术,来满足宽温区运行工况。如何融合建筑负荷特性和压缩机变频性能,设计低环境温度变频空气源热泵机组尚需深入研究。同时补气技术提升热泵低温适应性也一直是研究热点,然而闪蒸器和中间换热器两种补气技术引起机组制热性能差异性原因并不明晰。基于上述问题,本文采用理论和实验相结合的方法开展了低环境温度变频空气源热泵设计工况点及补气机制的研究,为低环境温度变频空气源热泵机组的研发和应用提供参考。本文以空气源热泵供暖存在最佳供暖能量平衡点的逆向思维方式,通过建立供需平衡关系,提出了一种变频空气源热泵热负荷分区设计方法。将建筑物供暖热负荷划分成负荷辅热区、负荷跟随区和负荷卸载区,结合压缩机变频性能,拓展机组高效运行的温度范围,寻找带电辅热的低环境温度变频空气源热泵机组最佳供暖能量平衡点。由此确定了低环境温度变频空气源热泵的5个设计工况点。并且基于一款直流调速卧式双级涡旋压缩机,结合闪蒸器补气技术和中间换热器补气技术,分别试制了变容量双级压缩闪蒸器补气空气源热泵（A two-stage compressed inverter air-source heat pump with vapor-injection by a flash tank,TCIAHP-IF）样机和变容量双级压缩中间换热器补气空气源热泵（A two-stage compressed inverter air-source heat pump with vapor-injection by a intemediate heat exchanger,TCIAHP-IHX）样机。实验测试了TCIAHP-IF机组以压缩机频率60.0 Hz～90.0 Hz运行在室外环境温度-20.0～7.0℃下制取41.0℃供暖热水时的运行参数和制热性能。结果表明TCIAHP-IF机组可以在宽温区实现稳定制热,在室外环境温度-20.0°C运行时,TCIAHP-IF机组制热量最大可以达到11.3 k W,为机组名义工况最大制热能力的77.2%,且制热COP不低于2.0。TCIAHP-IF机组的名义工况和低温工况的制热COP均比标准规定限值至少提高了9.0%,证实了热负荷分区设计方法的可靠性。另外,涡旋压缩机可变容积比设计和双级压缩设计有效地改善了空气源热泵的低温制热性能。以实验和理论相结合的方式分析了两种补气机制的差异性,发现在改善制热性能方面,闪蒸器补气技术优于中间换热器补气技术,这源于补气机制的差异产生不同的节流阀前过冷度。因同一工况下TCIAHP-IF机组比TCIAHP-IHX机组的节流阀前过冷度更大,获得了更高的制冷剂相对补气比,从而使TCIAHP-IF机组制热性能更优。补气过程的熵分析表明补气有效性是指补气降低了压缩过程的熵增,减小了压缩过程的不可逆性,并且其与补气或回气口设置位置有关。基于技术可行性和经济实惠的角度,提出了一种电磁阀和毛细管耦合节流装置控制补气方式。通过实验比较了其与热力膨胀阀控制补气对TCIHAP-IHX机组制热性能的影响,结果表明电磁阀应位于毛细管之后,且电磁阀的启停动作周期越小,启停动作时间的开启时间越长,越有利于TCIHAP-IHX机组稳定运行。在机组低温工况稳定运行时,毛细管+电磁阀耦合节流控制补气与热力膨胀阀控制补气时的制热性能非常接近。本文研究成果为低环境温度变频空气源热泵的设计和优化提供了理论依据,并且提高了对补气机制的认识。
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