兩級壓縮和單級補氣式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)的理論與實驗研究

郭宏（廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 研發(fā)中心，廣東 佛山 528300）

科技與應(yīng)用

兩級壓縮和單級補氣式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)的理論與實驗研究

郭宏
（廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 研發(fā)中心，廣東 佛山 528300）

熱泵是一種重要的節(jié)能裝置，但是理論與實踐證明傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)在-15℃以下低溫環(huán)境無法正常工作。兩級壓縮和單級補氣技術(shù)是目前針對空氣源熱泵低溫制熱改善方案中實際應(yīng)用相對較成熟技術(shù)。對兩種技術(shù)方案進行了理論分析及實驗對比，分析結(jié)果表明，單級補氣及兩級壓縮均能較好地改善低溫制熱效果，單級補氣結(jié)構(gòu)相對簡單，在較大溫度范圍具有能力及能效優(yōu)勢。

熱泵；兩級壓縮；補氣；制熱量；COP

熱泵是一種重要的節(jié)能裝置，它能在投入一個單位的高品質(zhì)能量的條件下產(chǎn)出多于一個單位的熱量，較電加熱等傳統(tǒng)供熱方式具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢，所以在資源短缺及環(huán)境污染問題嚴(yán)重的今天，對熱泵的研究越來越引起人們的重視。長期以來，空氣源熱泵空調(diào)機組在我國長江中下游、西南、華南地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用，無需輔助熱源，能夠以較低的初投資、較低的能耗較好地滿足該地區(qū)的采暖、空調(diào)要求，使用方便、高效節(jié)能，對使用地區(qū)沒有什么污染，能實現(xiàn)一機兩用。但是對于黃河流域及華北地區(qū)，其采暖期較長并且氣溫較低，在這些地區(qū)使用的空氣源熱泵必須能在-15℃的大氣環(huán)境中高效、可靠地長期運轉(zhuǎn)，才能滿足冬季采暖的要求。理論與實踐證明，在長江中下游等相對溫暖地區(qū)使用的傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)無法在這樣的低溫環(huán)境中正常工作，主要表現(xiàn)在：1）制熱量很小，無法滿足寒冷地區(qū)冬季的采暖要求；2）不能可靠地工作，隨著室外環(huán)境溫度的降低，機組COP急劇下降、壓縮機的壓比會越來越大，導(dǎo)致排氣溫度不斷升高，長時間運行會嚴(yán)重?fù)p壞或燒毀壓縮機。因此傳統(tǒng)的空氣源熱泵不能不做任何改進就推廣到寒冷地區(qū)。

近年來，國內(nèi)外關(guān)于解決空氣源熱泵在低溫環(huán)境下制熱性能不足的問題有不少研究方向及成果，其中相關(guān)技術(shù)在商用空調(diào)中有較成熟應(yīng)用，家用空調(diào)器領(lǐng)域相關(guān)課題研究開展相對較晚，其中基于滾動轉(zhuǎn)子壓縮機相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上的兩級壓縮和單級補氣循環(huán)系統(tǒng)因具有結(jié)構(gòu)簡單和適應(yīng)性強的特點成為研究的熱點，本文的主要內(nèi)容則是綜合考慮系統(tǒng)循環(huán)性能特點及壓縮機工作特征對上述兩種技術(shù)方案做相應(yīng)理論與實驗分析，為后續(xù)相關(guān)領(lǐng)域工作開展提供參考。

1　兩級壓縮與單級補氣循環(huán)對比

兩級壓縮和單級補氣技術(shù)是目前針對空氣源熱泵低溫制熱改善方案中實際應(yīng)用相對較成熟技術(shù)，其主要原理均是通過中間補氣的方式提升冷凝器側(cè)制冷劑流量并以此提升制熱量，同時可以降低排氣溫度，對改善低溫制熱量衰減有較明顯效果。其中，兩級壓縮系統(tǒng)循環(huán)p-h如圖1所示，單級補氣系統(tǒng)循環(huán)p-h如圖2所示。

圖1　兩級壓縮系統(tǒng)循環(huán)圖

圖2　單級壓縮噴氣系統(tǒng)循環(huán)圖

由圖1可知，應(yīng)用于空氣源熱泵的兩級壓縮循環(huán)為一種不完全冷卻兩級壓縮方式，其中，系統(tǒng)所用兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機設(shè)置高、低壓級兩個氣缸以實現(xiàn)兩級壓縮功能，循環(huán)流程為：吸氣狀態(tài)點1經(jīng)壓縮機低壓級一次壓縮后至狀態(tài)點2，與一級節(jié)流后中間壓力對應(yīng)飽和氣體狀態(tài)點8混合至狀態(tài)點3，進入壓縮機高壓縮進行二次壓縮至排氣最終狀態(tài)點4，進入冷凝器冷凝放熱至狀態(tài)點5，經(jīng)單級節(jié)流機構(gòu)節(jié)流至狀態(tài)點6，其中對應(yīng)飽和液相點7經(jīng)二級節(jié)流機構(gòu)節(jié)流至狀態(tài)點9，并進入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱至狀態(tài)點1，最終完成整個循環(huán)。

上述系統(tǒng)所用兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機相比單級壓縮壓縮機多出一個壓縮缸，不可避免地會產(chǎn)生一部分附加摩擦損失，壓縮機機械效率有所降低，且壓縮機成本相對較高。

單級補氣循環(huán)采用帶中間補氣功能的單級壓縮滾動轉(zhuǎn)子壓縮機，由圖2可知，該系統(tǒng)循環(huán)流程為：吸氣狀態(tài)點1經(jīng)壓縮機低壓級一次壓縮，在設(shè)定初始壓縮范圍內(nèi)，一級節(jié)流后中間壓力對應(yīng)飽和氣體（狀態(tài)點8）由噴氣孔噴入壓縮腔，經(jīng)過連續(xù)的“混合——壓縮——再混合”過程，最終到達混合狀態(tài)點3，此時停止噴氣，壓縮至排氣最終狀態(tài)點4，進入冷凝器冷凝放熱至狀態(tài)點5，經(jīng)單級節(jié)流機構(gòu)節(jié)流至狀態(tài)點6，其中對應(yīng)飽和液相點7經(jīng)二級節(jié)流機構(gòu)節(jié)流至狀態(tài)點9，并進入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱至狀態(tài)點1，最終完成整個循環(huán)。

上述系統(tǒng)所用單級補氣式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機在單級壓縮機壓縮腔中開設(shè)補氣孔，結(jié)構(gòu)相對較簡單，且無附加摩擦損失產(chǎn)生。

2　理論計算與分析

2.1計算條件

上述兩級壓縮和單級補氣系統(tǒng)均采用經(jīng)濟器獲取中間壓力下飽和氣體，常用經(jīng)濟器有兩種：閃蒸器和過冷器。閃蒸器主要利用其氣液分離作用將單級節(jié)流后氣相部分分離出來并與單級壓縮排氣混合；過冷器則是通過吸熱蒸發(fā)獲取中間壓力飽和氣體并與單級壓縮排氣混合。不考慮閃蒸器分離效率及分離過程中不可逆損失與過冷器不可逆換熱損失的差異，二者理論循環(huán)性能基本相同，本文則選擇閃蒸器模型進行理論分析。

理論計算工況為：冷凝溫度50℃；蒸發(fā)溫度-30～0℃；過冷溫度10℃；過熱溫度10℃。計算中考慮系統(tǒng)不同壓縮機工作特征下摩擦效率及容積效率差異。

2.2計算結(jié)果及分析

通過調(diào)用NIST 8.0物性程序，在固定冷凝溫度條件下計算對比了不同蒸發(fā)溫度下兩級壓縮系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)的理論循環(huán)性能，著重對二種系統(tǒng)的單位容積制熱量Qv、低溫制熱量提升幅度以及COP等關(guān)鍵點進行理論比較，同時，選擇單級壓縮（無噴氣）系統(tǒng)作為對比基準(zhǔn)，計算結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3　單位容積制熱量隨蒸發(fā)溫度變化規(guī)律

圖4　單位容積制熱量提升幅度隨蒸發(fā)溫度變化規(guī)律

圖5　系統(tǒng)COP隨蒸發(fā)溫度變化規(guī)律

圖3給出了不同循環(huán)系統(tǒng)單位容積制熱量Qv隨蒸發(fā)溫度變化規(guī)律，由圖可知：隨著蒸發(fā)溫度降低，基準(zhǔn)系統(tǒng)、兩級壓縮系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)的容積制熱量均有明顯降低趨勢；兩級壓縮系統(tǒng)和一級補氣系統(tǒng)因存在中間壓力補氣過程，故容積制熱量相比基準(zhǔn)系統(tǒng)有明顯提升；相同余隙容積條件下，壓縮機兩級壓縮過程容積效率相當(dāng)較高，計算獲得兩級壓縮系統(tǒng)相比單級補氣系統(tǒng)容積制熱量較高。

圖4對比了兩級壓縮系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)相比基準(zhǔn)系統(tǒng)容積制熱量提升幅度隨蒸發(fā)溫度變化規(guī)律，由圖可知：隨著蒸發(fā)溫度降低，兩級壓縮系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)相比基準(zhǔn)系統(tǒng)容積制熱量提升幅度均有明顯提升，兩種技術(shù)方案均具有低溫制熱性能的理論改善效果；兩級壓縮系統(tǒng)對基準(zhǔn)系統(tǒng)容積制熱量提升幅度相比單級補氣系統(tǒng)有一定優(yōu)勢，且蒸發(fā)溫度越低優(yōu)勢越明顯，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-30℃時，兩級壓縮系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)相比基準(zhǔn)系統(tǒng)單位容積制熱量分別提升34%和28%，分析主要原因為兩級壓縮方式能夠有效改善壓縮過程容積效率，且蒸發(fā)溫度越低壓比越大優(yōu)勢越明顯。

圖5給出了不同系統(tǒng)循環(huán)COP隨蒸發(fā)溫度變化規(guī)律，由圖可知：隨著蒸發(fā)溫度降低，基準(zhǔn)系統(tǒng)、兩級壓縮系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)的COP均有明顯降低趨勢；兩級壓縮系統(tǒng)因壓縮過程中存在附加摩擦損失，在較高蒸發(fā)溫度條件下性能明顯差于基準(zhǔn)系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)，隨著蒸發(fā)溫度降低，二級壓縮方式容積效率優(yōu)勢顯現(xiàn)，對改善COP有利，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于-15℃后，兩級壓縮系統(tǒng)循環(huán)COP優(yōu)于基準(zhǔn)系統(tǒng)，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于-25℃后，兩級壓縮系統(tǒng)循環(huán)COP稍優(yōu)于單級補氣系統(tǒng)；單級補氣系統(tǒng)因無附加摩擦損失，系統(tǒng)COP隨蒸發(fā)溫度降低一直保持相對較優(yōu)水平，且始終高于基準(zhǔn)系統(tǒng)循環(huán)COP值。

3　實驗結(jié)果與分析

為滿足客戶需求和適應(yīng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢，近幾年GMCC在熱泵系統(tǒng)低溫制熱量提升技術(shù)研究方面做了大量工作，其中在單級補氣和兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機的產(chǎn)品開發(fā)上均有研究結(jié)果，本文則在單體性能臺位和搭載熱泵系統(tǒng)條件下，實驗對比了單級補氣和兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機實際工作性能差異。

3.1壓縮機單體性能實驗結(jié)果與分析

實驗所用兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機低壓腔容積為9.8×10-6m3，高壓腔容積為7.5×10-6m3，與之對應(yīng)的基準(zhǔn)壓縮機（單級無補氣）壓縮腔容積為9.8×10-6m3；所用單級補氣式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機壓縮腔容積為10.8×10-6m3，與之對應(yīng)的基準(zhǔn)壓縮機（單級無補氣）壓縮腔容積為10.8×10-6m3。單體性能測試條件如表1所示。其中，因性能測試臺位無補氣功能，故兩級壓縮及單級補氣式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機進行單體性能測試時均未啟動各自補氣功能。

壓縮機單體性能測試結(jié)果如表2所示，由表中數(shù)據(jù)可知：相同工況條件下，兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機相比對應(yīng)基準(zhǔn)壓縮機制熱量有2%～4%的提升，但由于有附加摩擦損失存在，其單體COP相比基準(zhǔn)壓縮機卻有6%～12%下降；相同工況條件下，因單級補氣式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機補氣處會產(chǎn)生稍許附加余隙容積，故其單體制熱量相比基準(zhǔn)壓縮機有1%～2%的小幅下降，因該種壓縮機無附加摩擦損失，故單體COP與制熱量下降幅度相當(dāng)，為2%左右。

表1　壓縮機單體測試工況

表2　壓縮機單體性能測試結(jié)果（所有工況基準(zhǔn)機型為100%）

3.2壓縮機搭載系統(tǒng)實驗結(jié)果與分析

采用某帶補氣功能的品牌空調(diào)系統(tǒng)作為本回實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)流程如圖6所示。由壓縮機單體測試結(jié)果可知，兩級壓縮式（9.8×10-6m3/7.5×10-6m3）和單級補氣式（10.8×10-6m3）滾動轉(zhuǎn)子壓縮機雖排量有較大差異，但實測能力相當(dāng)，具有一定對比意義?；谏鲜鰩аa氣功能空調(diào)系統(tǒng)，開啟補氣功能分別搭載上述兩級壓縮式和單級噴氣式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機進行相關(guān)系統(tǒng)性能比較，關(guān)閉補氣功能并搭載單級無補氣式（9.8×10-6m3）滾動轉(zhuǎn)子壓縮機獲得對應(yīng)性能數(shù)據(jù)作為對比基準(zhǔn)，實驗著重考察了不同室外溫度條件下系統(tǒng)制熱量Q、低溫制熱量提升幅度和COP變化規(guī)律，在相同壓縮機運轉(zhuǎn)頻率調(diào)節(jié)下進行實驗數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如圖7-圖9所示。

圖6　某補氣品牌空調(diào)系統(tǒng)工作流程圖

圖7　系統(tǒng)相對制熱量隨室外溫度變化規(guī)律

圖7給出了系統(tǒng)相對制熱量隨室外溫度變化規(guī)律，其中對比基準(zhǔn)為基準(zhǔn)機型標(biāo)熱工況制熱能力。由圖可知：隨著室外溫度降低各種系統(tǒng)制熱量明顯降低；兩級壓縮式和單級補氣式系統(tǒng)相比無補氣單級壓縮系統(tǒng)制熱量均有較大幅度提升；因排量差異，兩級壓縮式系統(tǒng)在較高室外溫度條件下相比單級補氣系統(tǒng)稍低，隨著室外溫度降低，壓比增加，兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機容積效率優(yōu)勢凸現(xiàn)，室外溫度低于-20℃后兩級壓縮系統(tǒng)制熱量稍高。

圖8　系統(tǒng)制熱量提升幅度隨室外溫度變化規(guī)律

圖9　系統(tǒng)COP隨室外溫度變化規(guī)律

圖8則對比了兩級壓縮系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)相比基準(zhǔn)系統(tǒng)制熱量提升幅度隨室外溫度變化規(guī)律，由圖可知：隨著室外溫度降低，兩級壓縮系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)相比基準(zhǔn)系統(tǒng)制熱量提升幅度均有明顯增加，當(dāng)室外溫度為-30℃時，兩級壓縮系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)相比基準(zhǔn)系統(tǒng)制熱量分別提升27%和20%，兩種技術(shù)方案均具有低溫制熱性能的實際改善效果，且與前文理論分析結(jié)果相符；隨室外溫度降低，兩級壓縮系統(tǒng)相對基準(zhǔn)系統(tǒng)容積制熱量提升幅度增加趨勢更加明顯。

圖9則對比了兩級壓縮機系統(tǒng)和單機補氣系統(tǒng)循環(huán)COP隨蒸發(fā)溫度變化規(guī)律，由圖可知：隨著蒸發(fā)溫度降低，兩級壓縮系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)的COP均有明顯降低趨勢；因兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機存在一定附加摩擦損失，在較高蒸發(fā)溫度條件下兩級壓縮系統(tǒng)性能明顯差于基準(zhǔn)系統(tǒng)和單級補氣系統(tǒng)，隨著蒸發(fā)溫度降低，二級壓縮式壓縮機容積效率優(yōu)勢顯現(xiàn)，對改善COP有利，當(dāng)室外溫度低于-20℃后，兩級壓縮系統(tǒng)循環(huán)COP優(yōu)于單級補氣系統(tǒng)。

以上實驗結(jié)果與理論計算趨勢基本相符，兩級壓縮式熱泵系統(tǒng)因其所用壓縮機容積效率優(yōu)勢，低溫制熱量提升能力相對較優(yōu)，但由于兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機所產(chǎn)生的附加摩擦損失而導(dǎo)致壓縮機單體及搭載系統(tǒng)COP在較大使用范圍內(nèi)較差；而單級補氣熱泵系統(tǒng)有一定低溫制熱量提升能力，且循環(huán)COP值相比兩級壓縮熱泵系統(tǒng)在較大使用范圍內(nèi)較優(yōu)，具有一定綜合優(yōu)勢。在本文所設(shè)定實驗條件下：在室外溫度高于-20℃范圍內(nèi)，單級補氣式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機搭載同一系統(tǒng)所獲得的制熱量和COP均高于兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機，具有明顯綜合優(yōu)勢；當(dāng)室外溫度低于-20℃后，采用兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機能夠獲得相對較優(yōu)制熱量和COP值。

4　結(jié)論

從以上理論計算及實驗結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1）兩級壓縮和單級補氣熱泵系統(tǒng)均具有明顯低溫制熱量提升能力，且室外溫度越低優(yōu)勢越明顯；

2）兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機具有較優(yōu)容積效率，其搭載系統(tǒng)時低溫制熱量提升能力優(yōu)于單級補氣；但該種壓縮結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生額外附加摩擦損失，實測壓縮機單體及搭載系統(tǒng)COP在較大使用范圍內(nèi)均較低；

3）單級補氣式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機結(jié)構(gòu)相對簡單，且在較大使用范圍內(nèi)具有制熱量及COP的綜合優(yōu)勢；

4）在本文設(shè)定實驗條件下，在室外溫度高于-20℃范圍內(nèi)，單級補氣式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機搭載同一熱泵系統(tǒng)所獲得的制熱量和COP均高于兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機；當(dāng)室外溫度低于-20℃后，采用兩級壓縮式滾動轉(zhuǎn)子壓縮機能夠獲得相對較優(yōu)制熱量和COP值。

［1］陶鍇，陳振華，梁雙建，等.空氣源熱泵低溫性能衰減改善方案理論分析［J］.電器，2013，增刊（S1）：291-298.

［2］馬敏，黃波，等.滾動轉(zhuǎn)子式補氣壓縮機在熱泵系統(tǒng)中的實驗研究［J］.制冷學(xué)報，2012，33（4）：52-54.

［3］賈慶磊，馮利偉，宴剛，等.中間補氣的滾動轉(zhuǎn)子式壓縮系統(tǒng)的試驗研究［J］.制冷與空調(diào)，2014，14（8）：128-132.

［責(zé)任編輯：吳卓］

Theoretical and Experimental Analysis of the Two-stage Rotary Compressor and Vapor-injection Rotary Compressor for Heat Pump Systems

GUO Hong
（R&D Section，Guangdong Meizhi Refrigeration Equipment Co，Ltd.，F(xiàn)oshan Guangdong 528333，China）

The heat pump is an important energy-saving device，but theory and practice prove that the traditional heat pump system cannot work properly when the ambient temperature is lower than-15℃.The two-stage compression or single stage compression with vapor-injection is relatively mature technology to improve the heating effect of air source heat pump.This paper compares these two kinds of technology in theory and experiment.The results show that these two kinds of technology can improve the heating effect in low-temperature.The single stage compression with vapor-injection has the ability and efficiency advantages in a wide temperature range and also its structure is relatively simple.

heat pump；two-stage compression；vapor-injection；heating effect；COP

科技與應(yīng)用

TB61+4

A

1672-6138（2015）03-0015-04

10.3969/j.issn.1672-6138.2015.03.004

2015-04-24

郭宏（1964—），男，湖南常德市人，工程師，研究方向：制冷壓縮機研發(fā)與制造。