喷气增焓涡旋低温空气源热泵制热性能的分析

董 旭，田 琦，商 永，张永贵

(1.太原理工大学,山西晋中 030600;2.长丰太和新能源有限公司,河北秦皇岛 066000;3.燕山大学,河北秦皇岛 066004)

喷气增焓涡旋低温空气源热泵制热性能的分析

董 旭1，田 琦1，商 永2，张永贵3

(1.太原理工大学,山西晋中 030600;2.长丰太和新能源有限公司,河北秦皇岛 066000;3.燕山大学,河北秦皇岛 066004)

空气源热泵制热技术已广泛应用于华北地区的减煤代煤供暖等清洁供暖工程，随着低温空气源热泵制热技术的发展，把这一清洁替代能源供暖技术推广应用于东北部分地区,已具备技术可行性。本文对喷气增焓涡旋低温空气源热泵的制热性能进行了热力学分析和试验对比检测，结果显示在模拟室外气温为-25 ℃、相对湿度为86%时，10 hp喷气增焓涡旋空气源热泵的制热性能系数为1.38，可满足东北部分地区的冬季供暖需求。通过对辽宁省绥中县工程实例的运行检测，验证了该热泵供暖技术应用于东北部分地区的技术可行性。但若要使其具备较好的经济可行性，还需搭配其他经济性节能技术参与节省运行费用，以及政府财政补贴等扶持政策，共同收回初投资。

喷气增焓;涡旋压缩机;低温空气源热泵;技术可行性;经济可行性

1 前言

空气源热泵制热技术在我国的应用，最早出现在广东省，用于制备生活热水，之后空气源热泵热水机的应用范围逐渐向北扩展[1]。由于南方地区冬季寒冷潮湿，又没有集中供热管网，空气源热泵凭借节能高效、使用便捷的技术优势，转而投入南方户用独立供暖市场，成为取代电加热供暖、燃气壁挂炉供暖的清洁高效供暖方式[2]。随着低温空气源热泵制热技术的发展和北方PM2.5等大气污染问题的加剧，空气源热泵制热作为清洁替代能源供暖技术，有机补充了区域热力管网供热，有效应用于华北地区供暖市场[3]。

全国多个省市地区已经制订了具体的关于推广空气源热泵制热技术的政策和措施[4]。

目前，空气源热泵制热供暖可广泛应用于华北地区已达成共识，但要推广应用至东北地区，改善当地冬季的大气环境质量，还缺乏有效的数据支持。低温空气源热泵制热技术主要分为喷气增焓涡旋压缩机技术和双级压缩技术，前者的工程应用较为广泛，后者与前者相比，在相同制热能力条件下的初投资较大，故工程应用相对较少。目前对于低温空气源热泵制热技术的研究，也多集中在喷气增焓低温空气源热泵的制热性能。

国内对于喷气增焓涡旋空气源热泵的研究，现阶段多集中在适应室外气温为-15～-20 ℃蒸发温度的水平[5～10]，刘畅等的研究将空气源热泵的蒸发温度降低至-30 ℃的水平[11]，胡青松等研制的喷气增焓单螺杆压缩机热泵，填补了世界空白，可在室外气温-30 ℃条件下正常工作[12]。国外对于喷气增焓涡旋空气源热泵的研究，现阶段多集中在适应室外气温为-20～-30 ℃蒸发温度的水平[13～19]，研究新型制冷剂如R410A、R32、CO2在喷气增焓涡旋空气源热泵中的应用[13～17]，着手改进喷气增焓的管路结构[17,19]，提升涡旋压缩机的制热性能，并研究将喷气增焓技术搭载于压缩机吸气段[17]。

本文针对目前空气源热泵制热的发展形势，就可应用于东北部分地区供暖的喷气增焓涡旋低温空气源热泵的制热性能，进行热力学分析和试验对比检测，并通过对辽宁省绥中县工程实例的运行检测，为推广空气源热泵这一清洁替代能源供暖技术应用于东北部分地区，提供一定的理论和数据参考。

2 涡旋压缩机

涡旋压缩机是喷气增焓涡旋空气源热泵的动力机构，与传统的螺杆压缩机、转子压缩机同属于回转式压缩机。涡旋压缩机的核心部件是初相位相差180°的2个3圈涡旋线型的涡旋盘，分别为动盘和静盘，如图1所示。工作时由1个小偏心距曲柄轴驱动动盘绕静盘平动，精确形成3对月牙形压缩腔体[20]。3对月牙形压缩腔体中，外层1对是行程腔体，中间1对是同主轴相位腔体，内层1对是中心压缩—排气腔体。

涡旋压缩机的3对压缩腔体可同时进行3个压缩过程，吸气、压缩、排气工况的压力过渡平缓，有效减少了制冷剂的有害过热，降低了涡旋压缩机的排气温度，保障运行平稳。涡旋压缩机的腔体容积效率达90%～98%，压缩过程高效节能[21,22]。

3 热泵制热的热力学分析

喷气增焓涡旋空气源热泵与常规空气源热泵在结构上的最大区别是搭载了涡旋压缩机和喷气增焓支路，如图2所示。其中，喷气增焓支路中的换热器是过冷器，也可以是闪发器。闪发器适用于3675 W(5 hp)以下的小型热泵，过冷器适用于3675 W(5 hp)以上的大型热泵[11]。因技术示范工程多为大型的商业项目，故在此选用过冷器作为喷气增焓支路的换热器。

图2 热泵制热流程

复杂的结构致使热泵的换热过程和影响热泵制热性能的因素也更加复杂，如图3所示，涡旋压缩机的工作过程也不能理想地简化为单纯的多变压缩过程。对应图3中的制冷剂状态点1至2、2与9混合至3、3至4，涡旋压缩机的运行过程依次为补气前压缩W1-2、混合补气W2&9-3、补气后压缩W3-4。其中，混合补气W2&9-3是电动机驱动小偏心距曲柄轴转动，进而驱动涡旋盘平动的耗电过程，虽不属于压缩机直接压缩制冷剂耗功，但是压缩机控制高低压制冷剂混合的耗能过程，其机械动作与直接压缩制冷剂的机械动作一致，故混合补气W2&9-3被列入压缩机能耗计算项。

图3 热泵lgP-h

通过热力学分析热泵的完整制热过程，得出热泵制热量Qh、相对常规空气源热泵的制热量增加值ΔQh、热泵能耗量W、制热性能系数COPh。

Qh=qc(h4-h5)

(1)

(2)

(3)

COPh=Qh/W

(4)

式中qc——冷凝器内制冷剂质量流量qe——蒸发器内制冷剂质量流量hi——i点的制冷剂焓值，i=1，2,3,4,4′,5,6，9

Pi——i点的制冷剂压强，i=2，3

V2——图3中状态点2的行程腔体容积

V3——图3中状态点3的同主轴相位腔体容积

T9——图3中状态点9的制冷剂温度

k——等熵压缩指数

R——气体常数

α——相对补气量，α=(h5-h6)/(h9-h5)

ηi——指示效率

ηm——机械效率

ηmo——电动机效率

P1d——行程腔体排气压强

P2s——同主轴相位腔体吸气压强

V(θ*)——行程腔体与同主轴相位腔体瞬时连通时增加的容积

θ*——起始排气角

式(3)和(4)中没有涉及图3状态点9对应的涡旋压缩机补气压力，说明补气压力不是影响热泵制热量和制热性能系数的直接因素，即在保证涡旋压缩机正常运转的条件下，不需要严格控制补气压力精度。补气压力一般适当高于1230 kPa即可，方便了涡旋压缩机的设计制造。

4 检测分析

在长丰太和国家级标准焓差实验室中，试验检测喷气增焓涡旋低温空气源热泵的制热性能，包括热泵制热性能系数COPh和制热量Qh随模拟室外气温T的变化情况。试验热泵选用CFJL-10ZW-2D型号的7350 W(10 hp)喷气增焓涡旋空气源热泵，对比热泵选用VR125KS型号的7350 W(10 hp)常规空气源热泵。试验模拟室外气温T分别为7,0,-4,-7,-10,-15,-20,-25 ℃条件下，试验热泵和对比热泵的供暖工况稳定性能，供暖供水温度为45℃，回水温度为35℃，模拟地板辐射供暖系统水温。

试验检测的环境条件参数如表1所示，其中干球温度即模拟室外气温为7 ℃、湿球温度为6 ℃的环境参数，对应国标规定的热泵供暖标准/名义工况，此时空气相对湿度为86%。以86%的空气相对湿度为控制变量，以空气干球温度为自变量，空气湿球温度和含湿量为因变量，进行试验检测。

表1 环境条件参数

试验结果如图4和5所示，试验热泵和对比热泵的制热性能系数COPh和制热量Qh都随模拟室外气温T的逐渐降低而呈近似线性降低。当模拟室外气温T不低于-15 ℃时，相对于对比热泵，CFJL-10ZW-2D热泵的制热量Qh平均增加3713 W，平均增加幅度为19.6%，制热性能系数COPh平均增加0.14，平均增加幅度为5.9%。对比热泵在模拟室外气温T为-15 ℃时已经达到低温制热极限，不能在更低的模拟室外气温条件下正常运转。CFJL-10ZW-2D热泵在模拟室外气温T为-25 ℃时依然可正常运转，其制热量Qh为12298 W，制热性能系数COPh为1.38，与文献[11,14,19]的研究结论相似，适应我国东北局地冬季严寒的室外工作环境，满足东北部分地区的冬季供暖需求。

图4 室外气温与热泵COPh关系曲线

图5 室外气温与热泵制热量关系曲线

由图4,5的试验结果曲线，可拟合出CFJL-10ZW-2D热泵的制热性能系数COPh和制热量Qh随室外气温T(-25 ℃≤T≤7 ℃)的变化关系函数，用来评估相应室外气温范围内CFJL-10ZW-2D热泵的制热工况。

COPh=0.0638T+2.958

(5)

Qh=637T+27627

(6)

式(5)和(6)的拟合度R2因子分别为0.9972和0.9937，拟合精度高于95%，可辅助工程应用。同理可得CFJL-10ZW-2D热泵的制热性能系数COPh和制热量Qh随含湿量d(0.4 g/kg(a)≤d≤5.3 g/kg(a))的变化关系函数，用来评估热泵的制热工况。

COPh=-0.075d2+0.825d+1.161

(7)

Qh=-695d2+7967d+9888

(8)

式(7)和(8)的拟合度R2因子分别为0.9774和0.9883，拟合精度高于95%，可辅助工程应用。

5 工程应用

御海龙湾售楼处独立供暖工程地处辽宁省葫芦岛市绥中县经济技术开发区，当地冬季最冷月1月的逐年平均气温为-8.3 ℃，逐年平均最低气温为-23.3 ℃，可应用喷气增焓涡旋空气源热泵对售楼处独立供暖，无需辅助电加热。供暖工程的运行检测实施于2016年1月1日至1月31日，采集的室外环境数据包括室外干球温度处于2～-21 ℃，含湿量处于0.4～2.8 g/kg(a)，相对湿度处于20%～88%，风速处于1～4级。

御海龙湾售楼处是65%节能民用建筑，总建筑面积2900 m2，采暖面积2600 m2，地上3层总高度为15.6 m，房间功能有会客室、办公区、包厢、多功能厅等。售楼处的设计热负荷为159.6 kW，选用CFJL-10ZW-2D型号的7350 W(10 hp)喷气增焓涡旋空气源热泵5台，每台制热输入功率为9.4kW，每台额定制热量为33 kW，设计总制热量为165 kW，满足售楼处冬季供暖需求。采用地板辐射供暖系统供暖，供水温度为45 ℃，回水温度为35 ℃。

由于绥中县是旅游城市，重工业和雾霾风沙较少，室外环境较好，且在数据采集期间没有经历雨雪天气，故CFJL-10ZW-2D热泵的性能保证率较高。相对于试验室结果，其实际制热量和制热性能系数的衰减率在5%以内，故式(5)～(8)应用于评估热泵实际制热性能的累计精度衰减率在10%以内，仍然有较高的工程参考价值。

由于热泵在1月份运行，其制热性能极易受蒸发器翅片低温结霜的影响，故针对性设置了除霜周期为60 min的满负荷运行热泵除霜模式，保证在室内供暖温度波动较小的条件下的彻底性、节能性除霜。

对热泵除霜模式的运行检测实施于2016年1月1日上午10点，当时室外干球温度为2 ℃，含湿量为2.8 g/kg(a)，相对湿度为64%，风速为2级。此工况为检测期间最利于检测热泵除霜模式的工况，此时翅片极易结霜。在热泵除霜周期中，供水温度和翅片温度随时间的变化情况，如图6所示，在此期间室外平均干球温度为-1 ℃，含湿量维持在2.8 g/kg(a)，相对湿度维持在64%，风速维持在2级。

一个除霜周期分为3个阶段，第一阶段是最初20 min，为过渡阶段。继上次除霜后，供水温度仍处于稳定上升阶段，从33.5 ℃至41.2 ℃，上升了7.7 ℃。翅片温度则缓慢下降了2.2 ℃。第二阶段是第20至第50 min，为稳定供暖阶段。供水温度稳定在42 ℃左右，保证了热泵持续供暖。翅片从第20 min开始结霜，至第50 min结霜停止。第三阶段是最后10 min，为除霜阶段。从第50至第55 min，翅片彻底除霜。从第55至第60 min，热泵从除霜模式转换为供暖模式,如图6所示。

热泵供暖每30～40 min就会经历除霜周期一次。在热泵除霜期间，室内采暖温度稳定在22～24 ℃，除霜造成的室内温度下降不超过1.5 ℃。水地暖系统4200 J/(kg·℃)的比热容决定了系统供暖良好的热惰性，保证了在热泵抽热除霜期间也能维持稳定的室内采暖温度。CFJL-10ZW-2D热泵的供暖性能可靠，技术可行性较好。

图6 除霜模式温度—时间关系曲线

绥中县的集中供热时间为5个月，居民采暖价格为26元/m2，御海龙湾售楼处若采用集中供热，则2600 m2的采暖面积需缴纳采暖费6.76万元，平均为450.7元/d。现采用5台CFJL-10ZW-2D热泵独立供暖，每天从8∶00至21∶00供暖13 h，从21∶00至次日8∶00防冻11 h。在最冷月1月，热泵系统的日均耗电量为725 kW·h/d，其中的除霜周期耗电量约为292 kW·h/d，其第三阶段除霜阶段的耗电量约为51 kW·h/d，占热泵系统日均耗电量的1/14，即此部分除霜耗电量完全没有贡献供暖水温，反而驱动热泵从室内水系统吸热排放至室外机翅片。绥中居民电价为0.53元/kW·h，则热泵系统日均供暖费为384.3元/d，相比集中供热可节省14.7%，一个采暖季可至少节省9960元采暖费。按热泵平均使用寿命15 a计算，可至少节省采暖费共计15万元。而售楼处独立供暖系统的初投资为25万元，则还有10万元的初投资缺口，不能依靠节省采暖费来填补。因此，若要推广应用CFJL-10ZW-2D热泵独立供暖，还需搭配其他经济性节能技术参与节省运行费用，以及政府财政补贴等扶持政策，共同收回初投资，使CFJL-10ZW-2D热泵具备较好的经济可行性。

6 结论

(1)由喷气增焓涡旋低温空气源热泵制热lgP-h图，得出热泵制热量Qh、相对常规空气源热泵的制热量增加值ΔQh、热泵能耗量W、制热性能系数COPh的表达式，用以辅助热泵的设计制造和工程应用。

(2)当模拟室外空气相对湿度为86%，室外气温不低于VR125KS热泵的极限工况低温-15 ℃时，CFJL-10ZW-2D热泵的制热量平均增加3713 W，平均增加幅度为19.6%，制热性能系数平均增加0.14，平均增加幅度为5.9%。CFJL-10ZW-2D热泵在模拟室外气温-25 ℃工况时，制热量为12298 W，制热性能系数为1.38，适应东北部分地区冬季严寒的室外工作环境。

(3)拟合出CFJL-10ZW-2D热泵的制热性能系数COPh和制热量Qh随室外气温T(-25 ℃≤T≤7 ℃)和含湿量d(0.4 g/kg(a)≤d≤5.3 g/kg(a))的变化关系函数，用来评估热泵的制热工况。

(4)在工程应用中，CFJL-10ZW-2D热泵的技术可行性较好。但若要使其具备较好的经济可行性，还需搭配其他经济性节能技术参与节省运行费用，以及政府财政补贴等扶持政策，共同收回初投资。

Analysis on Low-temperature Heating Performance of Air Source Heat Pump Coupled with Scroll Compressor and Enhanced Vapor Injection

DONG Xu1,TIAN Qi1,SHANG Yong2,ZHANG Yong-gui3

(1.Taiyuan University of Technology,Jinzhong 030600,China;2.Changfengtaihe New Energy Co.,Ltd.,(Hong Kong Joint Venture),Qinhuangdao 066000,China;3.Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)

Air source heat pump heating technology has been widely used in the clean heating engineering,such as reducing and replacing coal heating in North China.With the development of low-temperature air source heat pump heating technology,it is technically feasible to apply and popularize the clean alternative energy heating technology into part of Northeast China.This article analyzes the heating performance of low-temperature air source heat pump coupled with scroll compressor and enhanced vapor injection (EVI) in terms of thermodynamic theory and experimental comparison.According to the results,under the condition that the simulated outdoor air temperature is -25 ℃ and RH is 86%,theCOPhof a 10 hp EVI is 1.38,which can meet the heating demand in part of Northeast China.Through the running test of an engineering example applying in Suizhong County,Liaoning Province,it is verified for the technical feasibility to apply the EVI in the heating engineering in part of Northeast China.But to make it have a better economic feasibility,it still needs to match other economical energy saving technology participating in saving the operation cost,and needs the supporting policies of government,such as fiscal subsidy,to recover the initial investment together.

enhanced vapor injection;scroll compressor;low-temperature air source heat pump;technical feasibility;economic feasibility

袁惠新(1957-)，男，教授,博士生导师，主要从事多相流分离技术与设备的研究，通讯地址：213016 江苏常州市武进区滆湖路1号常州大学机械工程学院，E-mail：yuanhuixin2000@126.com。

1005-0329(2017)03-0081-06

2016-04-25

2016-08-29

TH45

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.017

董旭(1988-)，男，在读博士研究生，主要从事空气源热泵供暖新技术的研究，通讯地址：030600 山西晋中市榆次区大学街209号太原理工大学环境科学与工程学院，E-mail:784786056@qq.com。