強化補氣技術應用于空氣源熱泵的研究進展

齊亞茹　劉妮　張亞楠　閆凱（上海理工大學制冷與低溫工程研究所　上海　200093）

強化補氣技術應用于空氣源熱泵的研究進展

齊亞茹劉妮張亞楠閆凱
（上海理工大學制冷與低溫工程研究所上海200093）

在研究空氣源熱泵產品的低溫制熱性能時，發(fā)現(xiàn)引入基于準二級壓縮循環(huán)的強化補氣（EVI）技術可使熱泵應用于低溫工況的性能得到明顯改善。本文論述了準二級壓縮循環(huán)的壓縮模型和不同強化補氣系統(tǒng)的工作原理，比較了強化補氣系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的差異。從數(shù)學模型、實驗研究和創(chuàng)新優(yōu)化三個方面分析了強化補氣技術在低溫空氣源熱泵領域的研究現(xiàn)狀與進展?？偨Y不同學者對強化補氣系統(tǒng)在提高低溫制熱性能、降低壓縮機排氣溫度等方面的研究結果和實際應用成果后得出，即使在-15℃的低溫環(huán)境下，強化補氣系統(tǒng)可使系統(tǒng)COP提高7.7％～25.0％，排氣溫度降低6.37～20.36℃。最后，對強化補氣系統(tǒng)今后的研究方向進行了展望。

空氣源熱泵；強化補氣；準二級壓縮；經濟器

在能源、資源日益緊張的當今世界，空氣源熱泵由于其安裝要求低、節(jié)能源效果突出、對使用地區(qū)的污染作用小等特點，在眾多型式的熱泵中具有很明顯的競爭優(yōu)勢，應用也最為廣泛。近些年來，空氣源熱泵趨于向寒冷地區(qū)擴展［1］。然而，研究發(fā)現(xiàn)在極端氣候條件下使用空氣源熱泵時會出現(xiàn)制熱量不能滿足要求、壓縮機排氣溫度過高等一系列問題，研究人員針對這些問題提出了許多解決辦法，如增設輔助加熱系統(tǒng)、利用雙級或多級壓縮循環(huán)、采用強化補氣（EVI）技術等，這些研究對拓寬空氣源熱泵的使用范圍起到了一定的促進作用。尤其是EVI技術，以良好的綜合性能成為該領域的研究熱點［2-3］，文章對其發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀做出了分析和評述。

1　空氣源熱泵存在的問題及對策

空氣源熱泵的應用受氣候條件的約束，在寒冷地區(qū)，冬季采暖期相對較長且室外氣溫低，用戶對熱量的需求很大。當室外氣溫降至很低時，制冷劑的吸氣比容增大，吸氣量急劇減少，制熱量不能滿足采暖要求。同時，系統(tǒng)制熱量和COP持續(xù)下降，排氣溫度卻大幅升高，甚至在極低的溫度下，壓縮難以維持正常工作。根據(jù)供熱空調設計規(guī)范，空氣源熱泵應確保在-15℃的溫度環(huán)境中仍長期安全可靠地運行，而傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)無法保證。如果熱泵在初始設計時僅注重極端溫度工況下的運行性能，不僅會使設備的初投資增加，而且會使熱泵長期在偏離設計工況下運行，造成資源浪費現(xiàn)象。同時，在這種情況下壓縮機會頻繁地開啟、關閉來減少制熱量，降低系統(tǒng)使用壽命。

寒冷地區(qū)使用空氣源熱泵的可行性和替代性研究是國際制冷學會提出的應優(yōu)先研究的問題［4］。針對溫度局限性，國內外專家學者紛紛提出了不同的改進方案，主要方向為：1）增設輔助加熱設備；2）優(yōu)化壓縮機結構和內部工作過程；3）選用可適應寬工況溫度范圍的制冷劑；4）增加低溫工況下制冷工質的循環(huán)量。如研制出可利用燃油、燃氣、電加熱器輔助加熱的熱泵空調；使用非共沸制冷劑；采用噴液冷卻系統(tǒng)、帶潤滑油冷卻的熱泵系統(tǒng)、多級壓縮系統(tǒng)、復疊式壓縮系統(tǒng)等。

在熱泵系統(tǒng)的設計工作中，應優(yōu)先保證系統(tǒng)在普通工況下運行的經濟性，其次盡量滿足在極端工況下仍能保持正常工作的要求。根據(jù)這一標準，基于準二級壓縮循環(huán)的EVI熱泵系統(tǒng)被認為是切實可行的有效方案。

2　EVI系統(tǒng)

1976年，A B bbIKOB第一次提出準二級壓縮循環(huán)的概念。表1總結了單級壓縮、二級壓縮和準二級壓縮循環(huán)各方面的特點，可以看出，準二級壓縮循環(huán)的綜合性能有更優(yōu)越的表現(xiàn)。

表1　三種壓縮循環(huán)的特點Tab.1 Characteristics of three compression cycles

準二級壓縮系統(tǒng)的壓縮機上設有中間補氣口，與系統(tǒng)中的閃發(fā)器或過冷器相配合形成補氣環(huán)節(jié)，壓縮過程可以描述為：準低壓壓縮-補氣-準二級壓縮-等容壓縮。其工作原理和帶中間冷卻器的雙級壓縮循環(huán)比較相似，都采用了中間冷卻，使壓縮機的排氣溫度降低，系統(tǒng)COP提高［5］。

2.1EVI系統(tǒng)特點

EVI系統(tǒng)的結構特點主要有：1）需采用帶補氣口的壓縮機，否則難以實現(xiàn)強化補氣技術；2）在常規(guī)系統(tǒng)上增加經濟器（過冷器或閃發(fā)器），并將氣態(tài)制冷劑噴入壓縮機中；3）增加一個節(jié)流裝置，實現(xiàn)二次節(jié)流。經濟器在此有兩個重要作用：一是在節(jié)流前對主循環(huán)回路中的制冷劑進行預冷，以此增大制冷劑焓差；二是對輔助回路中節(jié)流后的制冷劑進行適當?shù)臍庖悍蛛x，達到合適的中間壓力（高于壓縮機補氣口處的壓力），使制冷劑順利噴入壓縮機。噴入壓縮機的此部分制冷劑不再進入蒸發(fā)器吸收熱量，直接參與壓縮機的壓縮過程。

2.2EVI系統(tǒng)原理

EVI系統(tǒng)可根據(jù)所帶有的經濟器不同分為閃發(fā)器循環(huán)（FTC）系統(tǒng)和過冷器循環(huán)（SCC）系統(tǒng)，其中FTC系統(tǒng)根據(jù)節(jié)流裝置位置的不同可分為前節(jié)流系統(tǒng)和后節(jié)流系統(tǒng)。三種系統(tǒng)的原理圖分別如圖1～圖3所示。

以前節(jié)流閃發(fā)器系統(tǒng)為例，其原理為：從冷凝器流出的制冷劑（狀態(tài)4）經膨脹閥A節(jié)流為氣液兩相（狀態(tài)4′）進入閃發(fā)器后被分為兩部分，因持續(xù)閃發(fā)而處于閃發(fā)器下部的過冷液（狀態(tài)5），經膨脹閥B二次節(jié)流（狀態(tài)5′）后依次進入蒸發(fā)器和壓縮機被壓縮（狀態(tài)2），構成主回路；位于上部的閃發(fā)蒸汽通過噴氣口（狀態(tài)6）被壓縮機吸入，構成輔助回路，與原有已壓縮氣體相混合（狀態(tài)2′）經進一步壓縮后排出。

3　EVI系統(tǒng)研究進展

關于EVI系統(tǒng)的研究可歸納為數(shù)學模型分析、實驗研究和創(chuàng)新優(yōu)化三個方面，下面分別從這三個角度來綜述EVI技術的發(fā)展狀況。

3.1EVI系統(tǒng)數(shù)學模型分析

1984年，鄔志敏［6］根據(jù)最大制冷系數(shù)原則提出了SCC系統(tǒng)中壓縮機補氣孔和排氣孔的設計計算方法，并對其進行校核得到了較好的吻合度。但該算法只適用于螺桿壓縮機。

圖1　前節(jié)流閃發(fā)器系統(tǒng)Fig.1 Flash-tank at the fore system

圖2　后節(jié)流閃發(fā)器系統(tǒng)Fig.2 Flash-tank in the rear system

Zhang Jianyi等［7］使用R12和R22研究了COP和流量比隨過冷器中蒸發(fā)溫度（TIS）的變化規(guī)律，建立了TIS的相關計算方程，并指出TIS存在一個最佳值，此時對應系統(tǒng)的COP為最大，據(jù)此討論了準二級壓縮循環(huán)在不同環(huán)境下的運行特性。

鄭祖義等［8］分析了補氣-壓縮過程的能量耗散并建立了絕熱壓縮數(shù)學模型，盡可能多地獲得該過程的火用效率，降低不可逆損失，以此完善和改進系統(tǒng)的節(jié)能特性。

Park Y C等［9］設計了帶補氣口的變轉速渦旋壓縮機的模型，研究制冷劑流量、功耗、補氣量等隨壓縮機轉速的變化規(guī)律，得到模型計算誤差在10％以內。通過研究補氣口位置對系統(tǒng)性能的影響發(fā)現(xiàn)，較小的補氣量能使壓縮機的排氣溫度明顯降低，實質上也是對系統(tǒng)補氣的主要作用。而補氣口的位置和補氣量對系統(tǒng)的制熱量和COP影響不大，且補氣比存在一個最優(yōu)值，但文章并沒有給出最優(yōu)補氣比的計算方法。

柴沁虎等［10］建立了過冷器系統(tǒng)的數(shù)學模型，根據(jù)系統(tǒng)中熱力膨脹閥、壓縮機補氣口開孔位置和渦旋壓縮機實際工作過程，討論了不同情況下輔助回路的動態(tài)特性，得出了吸氣腔剛剛閉合處是壓縮機最合理的開孔位置。同時指出這些結論適用于渦旋壓縮機和螺桿壓縮機系統(tǒng)，不適用于使用非熱力式膨脹閥來調節(jié)輔助回路制冷劑流量的系統(tǒng)。

Singer E等［11］提出了一種實地測量EVI系統(tǒng)制熱量和COP的新方法，允許對已經安裝的系統(tǒng)進行實際分析和長期觀測。該方法采用了較為苛刻的假設前提，因此在實際應用時并不準確，還有待做進一步研究。

3.2EVI系統(tǒng)實驗研究

上世紀80年代初期，日本學者荒井信勝等［12］嘗試將閃發(fā)器與渦旋壓縮機結合，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)制熱性能提升了約15％。進入90年代，Jonsson S［13］將帶有閃發(fā)器的補氣技術應用在螺桿機上。

Wang Xudong等［14］分別測試了EVI系統(tǒng)的高溫制冷和低溫制熱性能，得出季節(jié)供暖能效系數(shù)提高7％左右。進一步分析認為與FTC系統(tǒng)相比，SCC系統(tǒng)更具有可控性。原因在于過冷器是一個換熱器，能簡單高效地控制主回路和輔助回路的膨脹閥，能更方便快捷地調節(jié)補氣過熱度，而FTC系統(tǒng)則需要在蒸發(fā)器入口配置更大的膨脹閥。

Roh C W等［15-16］采用R410A進行SCC系統(tǒng)的研究實驗，不同于常規(guī)的SCC系統(tǒng)的是在冷凝器出口處增設了一個膨脹閥，用以控制中間壓力。通過改變壓縮機頻率，研究不同補氣率下中間壓力對系統(tǒng)性能的影響，分析發(fā)現(xiàn)中間壓力對最大補氣率有很大影響，較高的中間壓力會產生較好的初始制熱能力和COP，但是它會使補氣量的變化限制在一個狹窄的范圍。由此看出，對于EVI系統(tǒng)，需要找到適當?shù)倪\行策略才能發(fā)揮最大的作用。

隨著關于尋找替代制冷工質研究工作的不斷深入，有學者嘗試在EVI系統(tǒng)中開展。Xu Xing等［17］將EVI系統(tǒng)中的制冷工質R410A替換為GWP值較小的R32，分別研究了兩種工質在同一FTC系統(tǒng)中的表現(xiàn)特性，認為R32是一種可供選擇的制冷劑替代物。但在極高溫或極低溫環(huán)境下R32并沒有表現(xiàn)出優(yōu)越性，且壓縮機排氣溫度較高。若對系統(tǒng)的組成部件做出優(yōu)化使其與R32更匹配，或許能夠有效解決這一問題。

馬國遠等［18-20］用使用補氣技術和渦旋壓縮機的試樣機組證明了補氣可以增大系統(tǒng)COP，原因在于雖然機組的制熱量和功耗同時增大，制熱量的增大速率高于功耗增大速率，但隨著環(huán)境溫度的升高，補氣對增大COP的作用效果減弱。此外，指出對于最佳補氣壓力值的選取，若主要目的是提高制冷量，相對補氣壓力值取1.2較為合適；若想最大程度降低壓縮機的排氣溫度和提高制熱量，補氣壓力應選用較大值［21-22］。

趙會霞等［23-25］將FTC系統(tǒng)和SCC系統(tǒng)進行對比，發(fā)現(xiàn)低溫時，F(xiàn)TC系統(tǒng)制熱效果更好，更適用于小型熱泵系統(tǒng)，并指出渦旋壓縮機FTC系統(tǒng)中間壓力設0.95～1 MPa為宜。

此后，許多學者對EVI系統(tǒng)的低溫制熱性能進行了實驗研究，并將其與傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)對比。由于各研究工況有所差異，為便于比較，現(xiàn)將在蒸發(fā)溫度為-15℃、各學者認為的最佳補氣工況下得到的結果對比普通熱泵系統(tǒng)列于表2中。

由表2中數(shù)據(jù)可以得出：雖然各個參數(shù)的變化量差距較大，但從任一組數(shù)據(jù)都能看出EVI系統(tǒng)相較于普通熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢。出現(xiàn)此差距是因為各個研究者所使用的機組容量、制冷劑種類和機組的運行工況有所不同。此外，還可以發(fā)現(xiàn)在蒸發(fā)溫度為-15℃的工況下，EVI系統(tǒng)可使 COP提高 7.7％ ～25.0％，排氣溫度降低6.37～20.36℃，且多數(shù)結果表明SCC系統(tǒng)的制熱性能要稍好于FTC系統(tǒng)。

表2　部分研究結果總結Tab.2 summary of some research results

另有一些學者將EVI系統(tǒng)與其它形式的系統(tǒng)進行對比，如翅片管換熱器改進系統(tǒng)、噴液系統(tǒng)等，進一步證明了EVI技術的優(yōu)越性。

3.3EVI系統(tǒng)創(chuàng)新優(yōu)化

隨著EVI技術的逐漸成熟，更多應用此技術的商用及家用熱泵空調和熱泵熱水器出現(xiàn)在市場上，并在一些實際工程中得到了令人滿意的結果［32-33］。為了使EVI系統(tǒng)更加滿足用戶需求，許多學者將研究重心轉入對EVI系統(tǒng)的優(yōu)化研究。

2003年，美國谷輪公司［34］介紹了其研發(fā)的數(shù)碼渦旋技術，并闡述了該新技術與強化補氣相結合形成數(shù)碼渦旋EVI的發(fā)展可能。此后，艾默生環(huán)境優(yōu)化技術有限公司［5］介紹了此技術在超低溫領域的發(fā)展前景，并通過實驗證明即便在-25℃的環(huán)境溫度下，系統(tǒng)能效比也遠超國內外標準。

傳統(tǒng)的熱力膨脹閥不適用于FTC系統(tǒng)，因此多數(shù)關于FTC系統(tǒng)的研究選用電子膨脹閥作為節(jié)流元件，需要增設液位傳感器配合電子膨脹閥控制制冷劑的充注量，會顯著增加系統(tǒng)的投資。有學者提出一種使用三個電子膨脹閥的FTC系統(tǒng)，分別用于閃發(fā)器前、后的節(jié)流過程和補氣過程，然而該方法并沒有在減小投資方面取得明顯成效［35］。

Heo J等［36］在FTC和SCC系統(tǒng)基礎上創(chuàng)新性地提出了兩種新型強化補氣系統(tǒng)：一種是將閃發(fā)器過冷器耦合形成FTSC系統(tǒng)，另一種是應用雙級膨脹過冷器循環(huán)形成DESC系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)FTC系統(tǒng)的制熱能力最好。但四種系統(tǒng)COP相差不大，在質量流率方面，F(xiàn)TSC和DESC系統(tǒng)在質量流率方面表現(xiàn)更為出色。文中給出了各系統(tǒng)的最佳補氣系數(shù)范圍，并指出在系統(tǒng)設計時，從穩(wěn)定性和精確控制這兩方面考慮，F(xiàn)TSC系統(tǒng)是一個可供選擇的方案。

Roh C W等［15-16］提出了另一種新穎的補氣系統(tǒng)，即在蒸發(fā)器出口與壓縮機入口之間的管路上增設氣液分離器，使之與補氣回路相連接，過冷器出口的蒸氣可以選擇性進入氣液分離器或壓縮機。進入氣液分離器的蒸氣量取代了壓縮機從蒸發(fā)器吸入的部分蒸氣量。還指出了雖然補氣直接進入壓縮機可更有效增加制熱量，但是進入氣液分離器的蒸氣更能降低壓縮機的排氣溫度。

陳文俊等［37］指出若能把EVI技術、增大蒸發(fā)器和冷凝器換熱面積以及優(yōu)化閃發(fā)器與進出口管道節(jié)流部件的匹配這三個方法相結合，調整冷媒最佳注入量，將會取得更好的效益。

4　結論

在空調行業(yè)日漸強調低溫制熱的趨勢下，EVI技術可以保證壓縮機在低溫工況下的穩(wěn)定制熱，應用前景廣闊。針對以上分析和目前的發(fā)展狀況，可以發(fā)現(xiàn)：1）在眾多理論研究中，鮮有關于使用計算流體力學（CFD）的方法對EVI系統(tǒng)進行分析的報道，其中兩相流模型對系統(tǒng)組件的設計，尤其是對閃發(fā)器的設計極有幫助。因此，可將CFD模擬分析作為今后研究工作的方向之一。2）在EVI技術商業(yè)化的進程中，系統(tǒng)經濟性仍是值得特別關注的因素。所以，制冷、制熱工況下不同補氣量的控制策略問題以及系統(tǒng)工作模式的切換問題應給予深入研究。

EVI技術的應用為熱泵存在的問題提供了一個簡單有效的解決方案，對拓寬熱泵運行范圍，增強可靠性和經濟性有顯著效果，經過進一步優(yōu)化，必將推動節(jié)能型熱泵和低溫熱泵的快速發(fā)展。

本文受上海市教委科研項目（12YZ106）資助。（The project was supported by the Scientific Research Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission（No.12YZ106）.）

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About the corresponding author

Liu Ni，female，Ph.D./associate professor，Institute of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，+86 21-55271619，E-mail：liu_ni@163.com.Research fields：energy conservation technology for refrigeration and air conditioning.

Development of Research on Application of Enhanced Vapor Injection Technology in Air-source Heat Pump

Qi Yaru Liu Ni Zhang Yanan Yan Kai
（Institute of Refrigeration and Cryogenics，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

It was found that the introduction of enhanced vapor injection（EVI）technology can significantly improve the performance of airsource heat pump products under low-temperature condition.This technology is based on quasi two-stage compression cycle.The present paper expounded quasi two-stage compression cycle model and different EVI principles.A comparison among EVI system and other systems was made to find their advantages and disadvantages.The paper provides a literature review on heat pump systems with EVI technology from three aspects：mathematical model，experimental study and optimization.The review summarized the research and application achievement of EVI system in improving heating performance，reducing exhaust temperature and other aspects.The results show that even at-15℃ low temperature，EVI systems can increase COP 7.7％-25.0％，and decrease exhaust temperature 6.37-20.36℃.It also prospects the future research direction of EVI system.

air-source heat pump；enhanced vapor injection；quasi two-stage compression；economizer

TQ051.5

A

0253-4339（2015）05-0074-07

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.074

國家自然科學基金（50706028）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 50706028）.）

2015年1月22日

簡介

劉妮，女，博士/副教授，上海理工大學能源與動力工程學院，（021）55271619，E-mail：liu_ni@163.com。研究方向：制冷空調節(jié)能技術。