噴氣增焓渦旋低溫空氣源熱泵制熱性能的分析

董 旭，田 琦，商 永，張永貴

(1.太原理工大學(xué),山西晉中 030600;2.長豐太和新能源有限公司,河北秦皇島 066000;3.燕山大學(xué),河北秦皇島 066004)

噴氣增焓渦旋低溫空氣源熱泵制熱性能的分析

董 旭1，田 琦1，商 永2，張永貴3

(1.太原理工大學(xué),山西晉中 030600;2.長豐太和新能源有限公司,河北秦皇島 066000;3.燕山大學(xué),河北秦皇島 066004)

空氣源熱泵制熱技術(shù)已廣泛應(yīng)用于華北地區(qū)的減煤代煤供暖等清潔供暖工程，隨著低溫空氣源熱泵制熱技術(shù)的發(fā)展，把這一清潔替代能源供暖技術(shù)推廣應(yīng)用于東北部分地區(qū),已具備技術(shù)可行性。本文對噴氣增焓渦旋低溫空氣源熱泵的制熱性能進行了熱力學(xué)分析和試驗對比檢測，結(jié)果顯示在模擬室外氣溫為-25 ℃、相對濕度為86%時，10 hp噴氣增焓渦旋空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)為1.38，可滿足東北部分地區(qū)的冬季供暖需求。通過對遼寧省綏中縣工程實例的運行檢測，驗證了該熱泵供暖技術(shù)應(yīng)用于東北部分地區(qū)的技術(shù)可行性。但若要使其具備較好的經(jīng)濟可行性，還需搭配其他經(jīng)濟性節(jié)能技術(shù)參與節(jié)省運行費用，以及政府財政補貼等扶持政策，共同收回初投資。

噴氣增焓;渦旋壓縮機;低溫空氣源熱泵;技術(shù)可行性;經(jīng)濟可行性

1 前言

空氣源熱泵制熱技術(shù)在我國的應(yīng)用，最早出現(xiàn)在廣東省，用于制備生活熱水，之后空氣源熱泵熱水機的應(yīng)用范圍逐漸向北擴展[1]。由于南方地區(qū)冬季寒冷潮濕，又沒有集中供熱管網(wǎng)，空氣源熱泵憑借節(jié)能高效、使用便捷的技術(shù)優(yōu)勢，轉(zhuǎn)而投入南方戶用獨立供暖市場，成為取代電加熱供暖、燃氣壁掛爐供暖的清潔高效供暖方式[2]。隨著低溫空氣源熱泵制熱技術(shù)的發(fā)展和北方PM2.5等大氣污染問題的加劇，空氣源熱泵制熱作為清潔替代能源供暖技術(shù)，有機補充了區(qū)域熱力管網(wǎng)供熱，有效應(yīng)用于華北地區(qū)供暖市場[3]。

全國多個省市地區(qū)已經(jīng)制訂了具體的關(guān)于推廣空氣源熱泵制熱技術(shù)的政策和措施[4]。

目前，空氣源熱泵制熱供暖可廣泛應(yīng)用于華北地區(qū)已達成共識，但要推廣應(yīng)用至東北地區(qū)，改善當?shù)囟镜拇髿猸h(huán)境質(zhì)量，還缺乏有效的數(shù)據(jù)支持。低溫空氣源熱泵制熱技術(shù)主要分為噴氣增焓渦旋壓縮機技術(shù)和雙級壓縮技術(shù)，前者的工程應(yīng)用較為廣泛，后者與前者相比，在相同制熱能力條件下的初投資較大，故工程應(yīng)用相對較少。目前對于低溫空氣源熱泵制熱技術(shù)的研究，也多集中在噴氣增焓低溫空氣源熱泵的制熱性能。

國內(nèi)對于噴氣增焓渦旋空氣源熱泵的研究，現(xiàn)階段多集中在適應(yīng)室外氣溫為-15～-20 ℃蒸發(fā)溫度的水平[5～10]，劉暢等的研究將空氣源熱泵的蒸發(fā)溫度降低至-30 ℃的水平[11]，胡青松等研制的噴氣增焓單螺桿壓縮機熱泵，填補了世界空白，可在室外氣溫-30 ℃條件下正常工作[12]。國外對于噴氣增焓渦旋空氣源熱泵的研究，現(xiàn)階段多集中在適應(yīng)室外氣溫為-20～-30 ℃蒸發(fā)溫度的水平[13～19]，研究新型制冷劑如R410A、R32、CO2在噴氣增焓渦旋空氣源熱泵中的應(yīng)用[13～17]，著手改進噴氣增焓的管路結(jié)構(gòu)[17,19]，提升渦旋壓縮機的制熱性能，并研究將噴氣增焓技術(shù)搭載于壓縮機吸氣段[17]。

本文針對目前空氣源熱泵制熱的發(fā)展形勢，就可應(yīng)用于東北部分地區(qū)供暖的噴氣增焓渦旋低溫空氣源熱泵的制熱性能，進行熱力學(xué)分析和試驗對比檢測，并通過對遼寧省綏中縣工程實例的運行檢測，為推廣空氣源熱泵這一清潔替代能源供暖技術(shù)應(yīng)用于東北部分地區(qū)，提供一定的理論和數(shù)據(jù)參考。

2 渦旋壓縮機

渦旋壓縮機是噴氣增焓渦旋空氣源熱泵的動力機構(gòu)，與傳統(tǒng)的螺桿壓縮機、轉(zhuǎn)子壓縮機同屬于回轉(zhuǎn)式壓縮機。渦旋壓縮機的核心部件是初相位相差180°的2個3圈渦旋線型的渦旋盤，分別為動盤和靜盤，如圖1所示。工作時由1個小偏心距曲柄軸驅(qū)動動盤繞靜盤平動，精確形成3對月牙形壓縮腔體[20]。3對月牙形壓縮腔體中，外層1對是行程腔體，中間1對是同主軸相位腔體，內(nèi)層1對是中心壓縮—排氣腔體。

渦旋壓縮機的3對壓縮腔體可同時進行3個壓縮過程，吸氣、壓縮、排氣工況的壓力過渡平緩，有效減少了制冷劑的有害過熱，降低了渦旋壓縮機的排氣溫度，保障運行平穩(wěn)。渦旋壓縮機的腔體容積效率達90%～98%，壓縮過程高效節(jié)能[21,22]。

3 熱泵制熱的熱力學(xué)分析

噴氣增焓渦旋空氣源熱泵與常規(guī)空氣源熱泵在結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別是搭載了渦旋壓縮機和噴氣增焓支路，如圖2所示。其中，噴氣增焓支路中的換熱器是過冷器，也可以是閃發(fā)器。閃發(fā)器適用于3675 W(5 hp)以下的小型熱泵，過冷器適用于3675 W(5 hp)以上的大型熱泵[11]。因技術(shù)示范工程多為大型的商業(yè)項目，故在此選用過冷器作為噴氣增焓支路的換熱器。

圖2 熱泵制熱流程

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)致使熱泵的換熱過程和影響熱泵制熱性能的因素也更加復(fù)雜，如圖3所示，渦旋壓縮機的工作過程也不能理想地簡化為單純的多變壓縮過程。對應(yīng)圖3中的制冷劑狀態(tài)點1至2、2與9混合至3、3至4，渦旋壓縮機的運行過程依次為補氣前壓縮W1-2、混合補氣W2&9-3、補氣后壓縮W3-4。其中，混合補氣W2&9-3是電動機驅(qū)動小偏心距曲柄軸轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動渦旋盤平動的耗電過程，雖不屬于壓縮機直接壓縮制冷劑耗功，但是壓縮機控制高低壓制冷劑混合的耗能過程，其機械動作與直接壓縮制冷劑的機械動作一致，故混合補氣W2&9-3被列入壓縮機能耗計算項。

圖3 熱泵lgP-h

通過熱力學(xué)分析熱泵的完整制熱過程，得出熱泵制熱量Qh、相對常規(guī)空氣源熱泵的制熱量增加值ΔQh、熱泵能耗量W、制熱性能系數(shù)COPh。

Qh=qc(h4-h5)

(1)

(2)

(3)

COPh=Qh/W

(4)

式中qc——冷凝器內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量qe——蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量hi——i點的制冷劑焓值，i=1，2,3,4,4′,5,6，9

Pi——i點的制冷劑壓強，i=2，3

V2——圖3中狀態(tài)點2的行程腔體容積

V3——圖3中狀態(tài)點3的同主軸相位腔體容積

T9——圖3中狀態(tài)點9的制冷劑溫度

k——等熵壓縮指數(shù)

R——氣體常數(shù)

α——相對補氣量，α=(h5-h6)/(h9-h5)

ηi——指示效率

ηm——機械效率

ηmo——電動機效率

P1d——行程腔體排氣壓強

P2s——同主軸相位腔體吸氣壓強

V(θ*)——行程腔體與同主軸相位腔體瞬時連通時增加的容積

θ*——起始排氣角

式(3)和(4)中沒有涉及圖3狀態(tài)點9對應(yīng)的渦旋壓縮機補氣壓力，說明補氣壓力不是影響熱泵制熱量和制熱性能系數(shù)的直接因素，即在保證渦旋壓縮機正常運轉(zhuǎn)的條件下，不需要嚴格控制補氣壓力精度。補氣壓力一般適當高于1230 kPa即可，方便了渦旋壓縮機的設(shè)計制造。

4 檢測分析

在長豐太和國家級標準焓差實驗室中，試驗檢測噴氣增焓渦旋低溫空氣源熱泵的制熱性能，包括熱泵制熱性能系數(shù)COPh和制熱量Qh隨模擬室外氣溫T的變化情況。試驗熱泵選用CFJL-10ZW-2D型號的7350 W(10 hp)噴氣增焓渦旋空氣源熱泵，對比熱泵選用VR125KS型號的7350 W(10 hp)常規(guī)空氣源熱泵。試驗?zāi)M室外氣溫T分別為7,0,-4,-7,-10,-15,-20,-25 ℃條件下，試驗熱泵和對比熱泵的供暖工況穩(wěn)定性能，供暖供水溫度為45℃，回水溫度為35℃，模擬地板輻射供暖系統(tǒng)水溫。

試驗檢測的環(huán)境條件參數(shù)如表1所示，其中干球溫度即模擬室外氣溫為7 ℃、濕球溫度為6 ℃的環(huán)境參數(shù)，對應(yīng)國標規(guī)定的熱泵供暖標準/名義工況，此時空氣相對濕度為86%。以86%的空氣相對濕度為控制變量，以空氣干球溫度為自變量，空氣濕球溫度和含濕量為因變量，進行試驗檢測。

表1 環(huán)境條件參數(shù)

試驗結(jié)果如圖4和5所示，試驗熱泵和對比熱泵的制熱性能系數(shù)COPh和制熱量Qh都隨模擬室外氣溫T的逐漸降低而呈近似線性降低。當模擬室外氣溫T不低于-15 ℃時，相對于對比熱泵，CFJL-10ZW-2D熱泵的制熱量Qh平均增加3713 W，平均增加幅度為19.6%，制熱性能系數(shù)COPh平均增加0.14，平均增加幅度為5.9%。對比熱泵在模擬室外氣溫T為-15 ℃時已經(jīng)達到低溫制熱極限，不能在更低的模擬室外氣溫條件下正常運轉(zhuǎn)。CFJL-10ZW-2D熱泵在模擬室外氣溫T為-25 ℃時依然可正常運轉(zhuǎn)，其制熱量Qh為12298 W，制熱性能系數(shù)COPh為1.38，與文獻[11,14,19]的研究結(jié)論相似，適應(yīng)我國東北局地冬季嚴寒的室外工作環(huán)境，滿足東北部分地區(qū)的冬季供暖需求。

圖4 室外氣溫與熱泵COPh關(guān)系曲線

圖5 室外氣溫與熱泵制熱量關(guān)系曲線

由圖4,5的試驗結(jié)果曲線，可擬合出CFJL-10ZW-2D熱泵的制熱性能系數(shù)COPh和制熱量Qh隨室外氣溫T(-25 ℃≤T≤7 ℃)的變化關(guān)系函數(shù)，用來評估相應(yīng)室外氣溫范圍內(nèi)CFJL-10ZW-2D熱泵的制熱工況。

COPh=0.0638T+2.958

(5)

Qh=637T+27627

(6)

式(5)和(6)的擬合度R2因子分別為0.9972和0.9937，擬合精度高于95%，可輔助工程應(yīng)用。同理可得CFJL-10ZW-2D熱泵的制熱性能系數(shù)COPh和制熱量Qh隨含濕量d(0.4 g/kg(a)≤d≤5.3 g/kg(a))的變化關(guān)系函數(shù)，用來評估熱泵的制熱工況。

COPh=-0.075d2+0.825d+1.161

(7)

Qh=-695d2+7967d+9888

(8)

式(7)和(8)的擬合度R2因子分別為0.9774和0.9883，擬合精度高于95%，可輔助工程應(yīng)用。

5 工程應(yīng)用

御海龍灣售樓處獨立供暖工程地處遼寧省葫蘆島市綏中縣經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，當?shù)囟咀罾湓?月的逐年平均氣溫為-8.3 ℃，逐年平均最低氣溫為-23.3 ℃，可應(yīng)用噴氣增焓渦旋空氣源熱泵對售樓處獨立供暖，無需輔助電加熱。供暖工程的運行檢測實施于2016年1月1日至1月31日，采集的室外環(huán)境數(shù)據(jù)包括室外干球溫度處于2～-21 ℃，含濕量處于0.4～2.8 g/kg(a)，相對濕度處于20%～88%，風速處于1～4級。

御海龍灣售樓處是65%節(jié)能民用建筑，總建筑面積2900 m2，采暖面積2600 m2，地上3層總高度為15.6 m，房間功能有會客室、辦公區(qū)、包廂、多功能廳等。售樓處的設(shè)計熱負荷為159.6 kW，選用CFJL-10ZW-2D型號的7350 W(10 hp)噴氣增焓渦旋空氣源熱泵5臺，每臺制熱輸入功率為9.4kW，每臺額定制熱量為33 kW，設(shè)計總制熱量為165 kW，滿足售樓處冬季供暖需求。采用地板輻射供暖系統(tǒng)供暖，供水溫度為45 ℃，回水溫度為35 ℃。

由于綏中縣是旅游城市，重工業(yè)和霧霾風沙較少，室外環(huán)境較好，且在數(shù)據(jù)采集期間沒有經(jīng)歷雨雪天氣，故CFJL-10ZW-2D熱泵的性能保證率較高。相對于試驗室結(jié)果，其實際制熱量和制熱性能系數(shù)的衰減率在5%以內(nèi)，故式(5)～(8)應(yīng)用于評估熱泵實際制熱性能的累計精度衰減率在10%以內(nèi)，仍然有較高的工程參考價值。

由于熱泵在1月份運行，其制熱性能極易受蒸發(fā)器翅片低溫結(jié)霜的影響，故針對性設(shè)置了除霜周期為60 min的滿負荷運行熱泵除霜模式，保證在室內(nèi)供暖溫度波動較小的條件下的徹底性、節(jié)能性除霜。

對熱泵除霜模式的運行檢測實施于2016年1月1日上午10點，當時室外干球溫度為2 ℃，含濕量為2.8 g/kg(a)，相對濕度為64%，風速為2級。此工況為檢測期間最利于檢測熱泵除霜模式的工況，此時翅片極易結(jié)霜。在熱泵除霜周期中，供水溫度和翅片溫度隨時間的變化情況，如圖6所示，在此期間室外平均干球溫度為-1 ℃，含濕量維持在2.8 g/kg(a)，相對濕度維持在64%，風速維持在2級。

一個除霜周期分為3個階段，第一階段是最初20 min，為過渡階段。繼上次除霜后，供水溫度仍處于穩(wěn)定上升階段，從33.5 ℃至41.2 ℃，上升了7.7 ℃。翅片溫度則緩慢下降了2.2 ℃。第二階段是第20至第50 min，為穩(wěn)定供暖階段。供水溫度穩(wěn)定在42 ℃左右，保證了熱泵持續(xù)供暖。翅片從第20 min開始結(jié)霜，至第50 min結(jié)霜停止。第三階段是最后10 min，為除霜階段。從第50至第55 min，翅片徹底除霜。從第55至第60 min，熱泵從除霜模式轉(zhuǎn)換為供暖模式,如圖6所示。

熱泵供暖每30～40 min就會經(jīng)歷除霜周期一次。在熱泵除霜期間，室內(nèi)采暖溫度穩(wěn)定在22～24 ℃，除霜造成的室內(nèi)溫度下降不超過1.5 ℃。水地暖系統(tǒng)4200 J/(kg·℃)的比熱容決定了系統(tǒng)供暖良好的熱惰性，保證了在熱泵抽熱除霜期間也能維持穩(wěn)定的室內(nèi)采暖溫度。CFJL-10ZW-2D熱泵的供暖性能可靠，技術(shù)可行性較好。

圖6 除霜模式溫度—時間關(guān)系曲線

綏中縣的集中供熱時間為5個月，居民采暖價格為26元/m2，御海龍灣售樓處若采用集中供熱，則2600 m2的采暖面積需繳納采暖費6.76萬元，平均為450.7元/d?，F(xiàn)采用5臺CFJL-10ZW-2D熱泵獨立供暖，每天從8∶00至21∶00供暖13 h，從21∶00至次日8∶00防凍11 h。在最冷月1月，熱泵系統(tǒng)的日均耗電量為725 kW·h/d，其中的除霜周期耗電量約為292 kW·h/d，其第三階段除霜階段的耗電量約為51 kW·h/d，占熱泵系統(tǒng)日均耗電量的1/14，即此部分除霜耗電量完全沒有貢獻供暖水溫，反而驅(qū)動熱泵從室內(nèi)水系統(tǒng)吸熱排放至室外機翅片。綏中居民電價為0.53元/kW·h，則熱泵系統(tǒng)日均供暖費為384.3元/d，相比集中供熱可節(jié)省14.7%，一個采暖季可至少節(jié)省9960元采暖費。按熱泵平均使用壽命15 a計算，可至少節(jié)省采暖費共計15萬元。而售樓處獨立供暖系統(tǒng)的初投資為25萬元，則還有10萬元的初投資缺口，不能依靠節(jié)省采暖費來填補。因此，若要推廣應(yīng)用CFJL-10ZW-2D熱泵獨立供暖，還需搭配其他經(jīng)濟性節(jié)能技術(shù)參與節(jié)省運行費用，以及政府財政補貼等扶持政策，共同收回初投資，使CFJL-10ZW-2D熱泵具備較好的經(jīng)濟可行性。

6 結(jié)論

(1)由噴氣增焓渦旋低溫空氣源熱泵制熱lgP-h圖，得出熱泵制熱量Qh、相對常規(guī)空氣源熱泵的制熱量增加值ΔQh、熱泵能耗量W、制熱性能系數(shù)COPh的表達式，用以輔助熱泵的設(shè)計制造和工程應(yīng)用。

(2)當模擬室外空氣相對濕度為86%，室外氣溫不低于VR125KS熱泵的極限工況低溫-15 ℃時，CFJL-10ZW-2D熱泵的制熱量平均增加3713 W，平均增加幅度為19.6%，制熱性能系數(shù)平均增加0.14，平均增加幅度為5.9%。CFJL-10ZW-2D熱泵在模擬室外氣溫-25 ℃工況時，制熱量為12298 W，制熱性能系數(shù)為1.38，適應(yīng)東北部分地區(qū)冬季嚴寒的室外工作環(huán)境。

(3)擬合出CFJL-10ZW-2D熱泵的制熱性能系數(shù)COPh和制熱量Qh隨室外氣溫T(-25 ℃≤T≤7 ℃)和含濕量d(0.4 g/kg(a)≤d≤5.3 g/kg(a))的變化關(guān)系函數(shù)，用來評估熱泵的制熱工況。

(4)在工程應(yīng)用中，CFJL-10ZW-2D熱泵的技術(shù)可行性較好。但若要使其具備較好的經(jīng)濟可行性，還需搭配其他經(jīng)濟性節(jié)能技術(shù)參與節(jié)省運行費用，以及政府財政補貼等扶持政策，共同收回初投資。

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,博士生導(dǎo)師，主要從事多相流分離技術(shù)與設(shè)備的研究，通訊地址：213016 江蘇常州市武進區(qū)滆湖路1號常州大學(xué)機械工程學(xué)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，在讀博士研究生，主要從事空氣源熱泵供暖新技術(shù)的研究，通訊地址：030600 山西晉中市榆次區(qū)大學(xué)街209號太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，E-mail:784786056@qq.com。