轉子式準二級壓縮熱泵系統分析

袁明征

（珠海格力節能環保制冷技術研究中心有限公司 珠海 519070）

引言

空氣源熱泵，其利用熱泵原理，以電能驅動壓縮機，通過熱力循環，將空氣中吸收的低品位熱量輸送至使用側，是一種高效、節能的供熱設備，業內簡稱為“空氣能”。近年來，在“煤改清潔能源”政策的引導下，空氣源熱泵在熱泵市場得到進一步廣泛應用，主要有熱風、熱水兩大類型產品。空氣源熱泵在長江中下游及西南、華南地區，其節能效果顯著，但在黃河流域及其華北、西北等地區的寒冷冬季，由于冬季氣溫降低，供熱性能會產生一定程度的降低。特別地，當環境溫度降低，供熱溫度同時提升時，空氣源熱泵會出現制熱量衰減、制熱性能系數偏低、壓縮比增大等亟待進一步優化的問題。

為提升空氣源熱泵的低溫制熱性能，國內外學者進行了諸多的相關研究[1],提出了變頻，準二級、二級、復疊壓縮等系統方案。久保田淳等[2]重點對二級壓縮的排量比進行了研究，龐宗占、馬國遠[3]、申江[4]重點對噴氣增焓進行了研究。本文對轉子式準二級壓縮空氣源熱泵系統進行研究，重點對壓縮機的噴射口角度設計、系統噴焓控制進行系統分析并實驗驗證研究。

1 準二級壓縮空氣源熱泵系統介紹

準二級壓縮空氣源熱泵系統，主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器、一、二級節流閥及閃蒸器組成，圖1所示。

圖1 準二級壓縮空氣源熱泵系統

本文介紹的準二級壓縮空氣源熱泵系統與其他兩級或準二級壓縮系統區別之處在于，系統采用轉子式壓縮機，壓縮機僅具有一級壓縮腔，壓縮腔內部設有噴射孔與閃蒸器通過系統管路相連。系統具有兩個循環回路，分別為主循環和噴射回路輔循環。系統運行時，主循環制冷劑經過蒸發器，吸收外部環境空氣中的熱量后，進入壓縮機吸氣口，通過壓縮循環變為高溫高壓狀態輸送至冷凝器將熱量釋放給使用側。制冷劑在冷凝器冷凝后通過一級節流變為中壓狀態進入閃蒸器閃發后氣液分離，液態制冷在二級節流閥節流處節流為低溫低壓狀態進入蒸發器繼續循環；氣態制冷劑經過輔路管路從噴射口進入壓縮機壓縮腔，同主循環制冷劑混合后，繼續壓縮循環。采用該系統循環，可通過噴射回路增加系統循環時的質量流量，即噴氣增焓，可提升系統的制熱量。因此，準二級壓縮空氣源熱泵系統是一種簡便可行的，提升熱泵冬季低溫制熱性能的技術方案。

對比雙級壓縮或復疊壓縮系統，該系統只需使用一個壓縮機，壓縮機內部也無需增設二級壓縮腔，無需復雜的系統控制，關鍵元器件配置簡單。轉子式壓縮機廣泛地應用于家用空調市場，具有極大的規模化生產能力，性價比高。轉子式準二級壓縮機可通用現有壓縮機設計平臺，僅需在壓縮腔內合理設計噴射孔即可，具備現成的產業化能力。采用轉子式壓縮機的準二級壓縮空氣源熱泵系統，產品開發迅速、低溫制熱性能高、性價比高，越來越受行業青睞。

2 準二級壓縮空氣源熱泵系統設計要點

2.1 轉子式準二級壓縮機的設計

由于壓縮機滾子在氣缸內周而復始地進行圓周運動，滑片將氣缸劃分為范圍時刻變化的吸氣腔區和排氣腔區，如圖2結構圖示。位于氣缸內固定位置處的噴射孔所處環境的壓力也隨著滾子與滑片的運動而具有周期性的壓力變化。制冷劑通過一級節流后噴射進入壓縮機氣缸，能否順利噴射進入以及有效噴射量的多少，取決于一級節流后壓力與壓縮機噴射孔處氣缸壓力的比較。沒有恒定的中間混合腔，這是轉子式準二級壓縮區別于其他系統的關鍵。

圖2 轉子式準二級壓縮機及其內部結構示意

轉子式壓縮機增加噴射口后，隨著滾子的旋轉，噴射口將會周期性地在氣缸內處于以下三個區域：吸氣腔區、封閉腔區、壓縮排氣腔區，具體變化過程如圖3所示。位于吸氣腔區時，由于噴射壓力高于吸氣壓力，會對吸氣產生影響，影響主循環的制冷劑循環流量。位于壓縮排氣腔區時，隨著壓縮腔容積減小壓力增大，當壓縮腔內部壓力高于一級節流后的噴射壓力時，將會導致反向噴射，如噴射回路上不增加止回閥，則制冷劑將從氣缸反向噴射回原系統。位于封閉腔區時，滾子將噴射孔封閉，沒有噴射增焓效應。因此，轉子壓縮機噴焓運行的難點是氣缸內部壓力周期性變化，缺少一個穩定壓力區。當一級節流后的噴射壓力越高時，其反向噴射角度越小，噴焓運行提升效果也越好。提高噴射壓力可減小反向噴射角范圍，但噴射壓力的改變會導致整個系統運行改變。在相同噴射壓力情況下，要縮小反向噴射角范圍，則需要將噴射口關閉角度提前或將噴射口位置徑向朝內移動。

圖3 噴射口角度變化過程

噴射孔開孔面積、形狀，處于氣缸圓周位置上的角度，徑向圓心距離均將對噴氣增焓的有效性、系統性能的發揮產生至關重要的影響。提升噴氣增焓效果的關鍵，在于上述參數的合理設置。以壓縮機噴射口完全關閉角度設置為203 °作為研究案例，通過PV測試儀獲取壓縮機內部壓力變化，由測試結果圖4可知，有效的噴射角度范圍會隨著冷凝側溫度的變化而變化，這是因為在一級節流后壓力會隨冷凝壓力變化而變化導致。因此，對于變工況（環境溫度、冷凝環境溫度）的應用場景，噴射壓力隨工況的適配性控制是噴氣增焓效果的關鍵。

圖4 壓力與角度關系圖

有效噴射區與系統的噴射壓力相關。當環境溫度-7 ℃時，實測反向噴射角度隨水溫的變化如表1所示，由此可知，當水溫越低時有效噴射范圍越窄。

表1 環境溫度-7 ℃時反向噴射角

2.2 系統控制方案設計

轉子式準二級壓縮空氣源熱泵，通常有采用閃蒸器或經濟器（過冷器）的兩種系統方案，各有優缺。帶閃蒸器、經濟器（過冷器）的轉子式準二級壓縮系統，兩種系統對于制熱量的提升，本質上是相同的，但是控制方法上有差別。帶閃蒸器的系統類似于電路中的串聯，帶經濟器（過冷器）的系統類似于電路中的并聯，由于噴射回路與主回路分別由兩個不同的節流閥控制，系統容易調節，易于達到最優，但系統相對復雜。帶閃蒸器系統，兩級節流裝置的串聯，使得系統控制“牽一發而動全身”，需要平衡噴射回路與主回路，系統難以達到最優，但系統相對簡單。

本文分析的準二級壓縮空氣源熱泵系統采用閃蒸器轉子式準二級壓縮系統方案，閃蒸器準二級壓縮壓焓圖如圖5，常規壓縮循環流程為：6′-1-2-3′-3-4-4′-6′，帶閃蒸器準二級壓縮循環流程為：4′-6-2′-4-4′，4′-5-5′-6′-1-2-2′-3-4-4′。帶閃蒸器準二級壓縮系統循環流程解釋：壓縮機排氣進入冷凝器冷凝，冷凝后的制冷劑液體通過一級節流進入閃蒸器，變成中間壓力下的氣液兩相狀態，經過閃發后分為兩部份：主回路部分，流量為m，從閃蒸器底部出來的飽和制冷劑液體再經過二級節流后直接進入蒸發器吸熱，然后進入壓縮機吸氣口；噴射回路部分，流量為Δm，從閃蒸器上部出來的閃發蒸汽，以一級節流后的壓力即中間壓力或噴射壓力，通過噴射口進入壓縮機壓縮腔參與壓縮。兩部分在壓縮腔內部混合后繼續壓縮至排氣，壓縮機排氣后進入套管冷凝器冷凝，如此循環。系統制熱量的提高得益于：從環境中額外吸收的熱量ΔQ1=m（h4-h5），噴焓運行壓縮機耗功增加ΔQ2=Δm（h3-h2′）。對系統制熱能力、能效的貢獻主要部分來源于ΔQ1。ΔQ2對系統制熱能力有一定貢獻，但表征著壓縮機功耗的增加，是否提升系統制熱能效，取決于產生的ΔQ1。

圖5 閃蒸器準二級壓縮壓焓圖

帶閃蒸器的準二級壓縮系統，雖然兩級節流膨脹閥串聯控制相互影響，但是對于系統的影響程度是有區別的。一級節流膨脹閥與噴射量直接關聯，二級節流膨脹閥與主循環回路制冷劑流量直接關聯。當環境溫度由高到低的變化過程中，主循環回路制冷劑流量逐漸降低，同時系統的壓差也逐漸增大，二級節流膨脹閥的開度逐漸減小。實驗研究實測為在環境溫度低于0 ℃后，二級節流膨脹閥的開度降低后保持在最低開度。因此對于環境溫度幅度變化較大的系統，如果主循環回路采用毛細管固定節流，系統難以達到最優狀態，應優選電子膨脹閥，按過熱度進行節流控制。如對性能有較高要求，一級節流也推薦采用電子膨脹閥，依據工況變化進行調節。但也可采用毛細管，以可靠性控制為目標進行系統控制，在性能上不會有太大差異。

以采用排量為34 cm3轉子式準二級壓縮機系統為例，由表2 所示各工況下的測試數據可知，準二級壓縮提升的制熱量隨水溫提升而提升，即：因為水溫上升、冷凝壓力隨之上升、中間壓力上升、有效噴射角范圍增大、噴氣增焓量也越大，這與前文的分析相對應。當吸氣壓力高，排氣壓力低時，即環境溫度高、水溫低時，有效噴射角大副減少，甚至產生反向噴射導致性能降低，環境溫度7/6 ℃，水溫10 ℃時，開啟噴射后制熱量降低了0.3%。因此在系統控制時，需要注意控制噴氣增焓開啟的環境溫度、水溫，避免產生無效噴射。

表2 準二級壓縮系統各工況測試數據

3 存在的不足

轉子式準二級壓縮可提高系統制熱量，特別是低環境溫度時的制熱量。但是低環境溫度制熱時，系統面臨的問題除了提升制熱量外，還往往需要解決壓縮機因承受較高壓縮比帶來的性能降低和可靠性變差問題。轉子式準二級壓縮，由于從結構原理上并不能像雙級壓縮那樣將壓縮拆分成兩段，分段壓縮來改善高壓比問題，因此對壓縮機的高壓比承受能力要求特別高。在冬季低溫供暖，使用環境對供熱量、供熱溫度都提出了極高的要求，既要制熱迅速、熱量大，又要溫度高，如采用散熱片的熱水供暖，普遍溫度需求在55～60 ℃。壓縮機可靠性是前提，只有在解決可靠性問題后提升制熱性能才有意義。因此轉子式準二級壓縮系統，在選型設計時，需要強化壓縮機的高壓縮比承受能力。

4 總結

本文研究分析了轉子式準二級壓縮系統的壓縮機結構設計、系統性能提升控制。根據研究與實驗測試得知，該系統可有效提升熱泵制熱量，環境溫度-15 ℃時最大可提升37.5%。但在變工況條件下，需要注意控制噴焓的進入條件，有效噴射角度范圍一般在39～130 °，應避免產生逆向噴射降低性能。此外轉子式準二級壓縮系統，在低環境溫度應用時，要強化壓縮機的高壓縮比承受能力。