摘 要：提出了一種準三級空氣源系統，基于普通雙級壓縮制冷系統，增加了由閃蒸器構成的補氣系統在其低壓壓縮部分，研究準三級空氣源熱泵，對準三級空氣源熱泵的性能以及應用范圍進行分析。
關鍵詞：空氣源 準三級 熱泵 技術
中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0072-02
作為一種節能技術，熱泵空調機組備受全世界的關注，而能從大氣中吸收大量的低品位能量的空氣源熱泵，因其使用起來很方便，故而成為了諸多熱泵型式中被廣泛運用的[1]。同時空氣源熱泵無需輔助熱源，具有高效節能、對使用地不產生污染、能實現一機兩用等特點。
然而，長期以來的理論和實踐均表明：傳統的空氣源熱泵的使用區域只能局限在長江中下游、西南、華南地區，如果在華北、西北以及黃河流域等地區使用傳統的空氣源熱泵系統，則很難在這一地區長期安全、可靠、經濟地運行[2]，主要表現在：（1）隨著室外溫度的下降空氣源熱泵的制熱量下降速度也很快，但是室外氣溫下降的同時建筑物需熱量卻上升很快，在較低的環境溫度下，空氣源熱泵系統的制熱量將非常小，以至于不依靠輔助熱源將無法滿足用戶的采暖需求；（2）隨著外溫的進一步降低，壓縮機在壓縮時使正常的工作過程產生嚴重的偏離現象，從而迅速降低了系統的能效、加速升高了排氣溫度，如果長期運行將會嚴重危害壓縮機的安全[3]；（3）隨著外溫的下降，因空氣的濕度會導致蒸發器表面凝露或結霜，使空氣流經蒸發器時阻力增大，流量減小，結霜更會導致傳熱面積的減少和蒸發溫度的下降，從而影響到換熱效果，嚴重時會使熱泵無法工作[4]；（4）機組壓縮機啟動困難。空調、熱泵用壓縮機的壓縮比一般在3.5～4.0的范圍，在溫度比較高的制熱模式以及制冷模式下適合使用該類型的壓縮機，在-15 ℃的溫度下，熱泵將45 ℃的熱水提供給室內，在此情況下，熱泵蒸發溫度和冷凝溫度差在70 ℃左右，使用R22的系統，壓縮機會承受大于10的工作壓比，這就使得壓縮機壓縮過程與等熵過程產生嚴重偏離。因此，傳統的空氣源熱泵不做任何改進就推廣到寒冷地區是不可行的。
1 準三級壓縮空氣源熱泵技術
圖1是樣機原理的系統圖。
其原理具體表現為：一方面，低壓級壓縮機將低溫低壓的氣態制冷劑壓縮成較高溫度的中壓氣態制冷劑，通過高壓機四通閥進入高壓級壓縮機吸氣管內；另一方面，高溫高壓制冷劑從高壓貯液器進入中間冷卻器，并分成兩路。其中經電磁閥進入中間節流熱力膨脹閥的有一小部分，此時進到中間冷卻氣的中溫中壓制冷劑管道的是變成中溫中壓的氣液混合制冷劑，流經過程中，吸收了中間冷卻器高溫高壓制冷劑管道內液態制冷劑的熱量被蒸發，同時高溫高壓高溫高壓液態制冷劑被充分冷卻，由四通閥流出的溫度較高的中壓制冷劑蒸汽混合蒸發的中溫中壓制冷劑后，氣態的制冷劑經過高壓級壓縮機變成高溫高壓氣態制冷劑，再通過高壓級四通閥流入室內側換熱器，同室內的空氣接觸，進行熱交換，制熱目的進而達到。高溫高壓的制冷劑蒸汽在此時被冷凝、冷卻成高溫液體，經過單向閥進到高壓貯液器里面，從中流出的一小部分高壓液制冷劑通過電磁閥以及中間節流熱力膨脹閥流進中間冷卻器的中溫中壓制冷劑管道，而中間冷卻器高溫高壓制冷劑管道流入了大部分的高壓液態制冷劑，制冷劑的蒸發潛熱在中溫中壓制冷劑通道內被吸收從而造成大面積的過冷。隨后進到閃蒸汽器內，被蒸發成氣態的制冷劑后進到低壓級壓縮機，為此補氣過程完成了。充分過冷后的高壓液態制冷劑從閃蒸器下端排出，經制熱，利用第一電子膨脹閥節流降壓成中溫低壓的液態，混合電子膨脹閥流出的氣態制冷劑，再流向室外換熱器里面，充分吸熱蒸發成低溫低壓的氣態制冷劑，通過低壓級四通閥、氣液分離器返回低壓級壓縮機，實現制熱循環過程。該系統的熱泵裝置，除了有普通熱泵裝置在夏季和冬季的工況作用和性能外，還能在低溫環境下長時間的運行穩定、可靠，且其制熱量足夠以及性能系數也較高，沒有其他的輔助熱源的時候也能為寒冷地區很好的供暖。
與普通的兩級壓縮空氣源熱泵系統相比，該系統有以下特點。
（1）室外測換熱器至壓縮機之間并聯有補氣回路，因此這種系統稱為補氣系統。
（2）壓縮機帶有輔助進氣口，主、輔路在過冷器中進行熱交換。
（3）如輔路上的截止閥切斷，樣機則按照普通熱泵系統工作，即變為普通兩級壓縮空氣源熱泵機組；如輔路上的截止閥打開，樣機則按照補氣系統工作，機組的低溫適應性得以提高。如此一來，既不影響樣機在普通工況下工作的性能，又擴大了機組的低溫工作范圍。
2 系統循環分析
準三級空氣源熱泵機組系統工作循環如圖2所示。過程1′-2-2′-3為低壓壓縮機的補氣-壓縮過程：過程1′-2為補氣孔口與工作腔連通前的壓縮過程，補氣過程實質上是狀態10和狀態2的工質在工作腔內的混合過程，補氣結束時的工質狀態為2′，過程2′-3為補氣過后的壓縮過程；4-5為高壓壓縮過程，5-6為冷凝過程。
準三級壓縮空氣源系統與普通的雙級壓縮制冷系統最大的區別在于，增加了補氣過程在其低壓部分，使其具有發雜的影響因素，而不可以單純地簡化為多方壓縮過程，其壓縮過程分為三個階段[5]：
（1）補氣前進行壓縮。
壓縮腔將制冷劑蒸氣（狀態1）封好后，開始壓縮。跟隨旋轉的動渦盤，封閉的壓縮腔達到補氣口位置，制冷劑蒸氣被壓縮到狀態2，結束一級壓縮，即
圖2中的的1-2過程，壓縮機做的功為：
[5]
（2）中間補氣的過程。
對中間補氣過程引入兩個基本假定：（1）有非常迅速的補氣過程，基本在瞬間實現的；（2）將此過程當作絕熱的等容過程。利用變工質的熱力學第一定律，列出以下方程：
相對補氣量：
[5]
式中：-通過補氣回路的制冷劑流量，kg/s；-室內側換熱器器的制冷劑流量，kg/s；-室外側換熱器的制冷劑流量，kg/s；-點2的制冷劑比體積，m3/kg；R-制冷劑的氣體常數，Kj/（kg·k）；k-制冷劑的等熵指數；-點10的制冷劑溫度，K；、點2、10的制冷劑壓力，kPa。
依據質量守恒及能量守恒定律可推出出補氣過程壓縮功為[5]：
（3）補氣后進行壓縮
與補氣口脫離后，依靠基元容積的減小壓縮機工作腔內的制冷劑蒸汽繼續被壓縮，直到連通排氣腔（狀態3），再經過排氣口流入四通換向閥進入高壓壓縮機。此時所做的功為：
[5]
低壓壓縮壓縮功
[5]
高壓壓縮壓縮功
在冷凝溫度45 ℃，吸氣過熱10 ℃，蒸發溫度-15 ℃，冷凝器出口的液體過冷5 ℃的工況時計算[6-7]出準三級空氣源熱泵熱泵機組主要性能并與普通的兩級空氣源熱泵進行比較列于表1中。
3 結論
準三級壓縮空氣源熱泵技術與兩級壓縮空氣源熱泵相比制冷量提高了11%，COP提高了10%，能都在沒有輔助熱源的情況下滿足冬季制熱要求，具有顯著的節能效果，在低溫工況下運行具有較高的使用價值。
參考文獻
[1]王芳，范曉偉.我國空氣源熱泵的技術進展[J].能源工程，2002（4）：1-5.
[2]龍惟定，王長慶，丁文婷.試論中國的能源結構與空調冷熱源的選擇取向[J].暖通空調，2000，31（5）：27-32.
[3]江億.華北地區大中型城市供暖方式分析.暖通空調，2000，31（4）：30-32.
[4]韓寶琦，李樹林.制冷空調原理及應用[M].機械工業出版社，2002.
[5]趙會霞.渦旋壓縮機閃發器熱泵系統的理論分析與實驗研究[D].北京工業大學，2005.
[6]吳業正.制冷原理與設備[M].西安：西安交通大學出版社，1997.
[7]繆道平，吳業正.制冷壓縮機[M].機械工業出版社，2001.