双级压缩变频空气源热泵系统

  空气源热泵可以从空气中汲取丰富的低品位太阳潜能, 具有投资小、安装维修方便及对周围环境影响小的优点, 所以一直是空调热泵市场中应用最为广泛的装置之一。二十世纪九十年代以来, 空气源热泵在我国长江中下游、华南及西南等传统的非采暖区得到了广泛地应用, 以较低的能量消耗很好地满足了该地区全年空调的要求。而黄河流域、华北地区等寒冷地区一直是以燃煤加少量燃油或燃气作为冬季供暖的主要手段, 环境污染、一次能源利用效率低以及集中供热管网发展滞后等问题使得人们企盼高效环保的新型供暖方式作为现有供暖方式的替代或补充。但是, 寒冷地区室外气温低, 传统的空气源热泵会出现制热量不足、制热性能系数低、压缩机排气温度过高无法正常运行以及室外换热器结霜等问题, 制约了空气源热泵在寒冷地区的应用。

 

  为解决空气源热泵在寒冷地区应用问题, 除了目前采用辅助热源的方法外, 国内外许多学者进行了大量的研究。日本学者Ho riuchi N 提出在室外低温时采用煤油加热器加热辅助蒸发器来提高热泵制热量和制热性能系数;日本学者Masaji Yamagami提出采用变频压缩机, 当环境温度降低时,

 

  通过提高压缩机转速来增加系统制热量, 同时向压缩机工作腔内喷液来降低压缩机排气温度;马国远等人提出带有经济器的涡旋压缩机准二级压缩系统, 提高了系统的制热量和制热性能系数[ 3] ;马最良等人提出双级耦合热泵系统, 利用空气源热泵从室外空气中吸取热量, 制取10 ～ 20 ℃的水作为水源热泵的低位热源, 再制取较高温热水向建筑物供暖;加拿大的S.M.Sami 和PJ.Tulej 提出使用非共沸制冷剂来改善热泵在低温环境下的制热性能[ 5] 。以上研究从不同方面不同程度地提高了空气源热泵用于寒冷地区的适应性, 但是都没有很好地解决这个问题。

 

  TV-ASHP 系统原理图, 采用一次节流不完全冷却双级压缩方式。系统主要由低压级压缩机、高压级压缩机、室外换热器、室内换热器、节流装置A 、节流装置B 、四通阀、中间冷却器及电磁阀等部件构成, 通过四通阀和电磁阀切换制冷剂流向可以实现制冷、单级压缩制热和双级压缩制热功能。制冷工况和单级压缩制热工况同普通空气源热泵系统。高压级压缩机不工作, 节流装置B 关闭, 电磁阀开启;制冷工况时, 四通阀断电处于制冷位置, 室内换热器为蒸发器, 室外换热器为冷凝器;单级压缩制热工况时, 四通阀通电处于制热位置, 室内换热器为冷凝器, 室外换热器为蒸发器。

 

  当环境温度较低单级压缩制热的效率低于双级压缩制热效率时, 打开节流装置B , 关闭电磁阀, 高压级压缩机投入运行, 热泵系统开始按照双级压缩制热工况工作。作为蒸发器的室外换热器中的低压制冷剂蒸汽首先被低压级压缩机吸入并被压缩至中间压力, 与中间冷却器出口的制冷剂蒸气混合, 被高压级压缩机吸入进一步压缩到冷凝压力, 然后进入室内换热器放出热量冷凝成制冷剂液体。由室内换热器出来的高压液态制冷剂分两路, 一路经过节流装置B 节流膨胀, 进入中间冷却器蒸发吸热后与低压级压缩机的排气混合, 进入高压级压缩机;另一路高压液态制冷剂在中间冷却器中进一步过冷,经过节流装置A 节流膨胀为低温低压制冷剂, 然后进入室外换热器吸收热量变为低温低压制冷剂蒸汽, 被低压级压缩机吸入压缩开始新的循环。冬季制热工况时采用逆向除霜方式对室外换热器进行除霜;除霜时开启除霜旁通阀, 同时提高低压级压缩机频率, 从而可以缩短除霜时间。

 

  在低室外温度条件下, 采用空气源热泵制热时, 双级压缩热泵系统具有明显的优越性。但是由于室外温度大范围变化导致系统蒸发压力也随之变化, 对于传统的定容量压缩机双级压缩系统无法保证系统工作在最佳中间压力工况;另一方面, 虽然定容量压缩机双级压缩可提高系统制热量, 在室外温度很低时其提高幅度仍然不能满足用户供暖需求。因此, 本文提出采用双级压缩和变频技术相结合的空气源热泵系统来解决寒冷地区供暖问题(考虑系统成本, 低压级压缩机采用变频压缩机, 高压级压缩机采用定速压缩机)。为提高系统的运行效率和制热能力, 提出在双级压缩工况采用效率优先和制热量优先两种控制模式;即当热泵系统制热量满足用户供暖要求时, 采用效率优先的控制方式,此时调节低压级压缩机供电频率, 使得系统中间压力处于最佳压力状况;而当热泵系统制热量不能满足用户供暖要求时, 采用制热量优先的控制方式,按照用户需求的制热量来调节低压级压缩机供电频率。这样利用双级压缩和增加低压级压缩机频率的方法来提高系统制热量, 利用双级压缩加调节低压级压缩机频率的方法提高系统制热性能系数, 利用双级压缩降低压缩机排气温度, 来解决传统的空气源热泵出现制热量不足、制热性能系数低以及压缩机排气温度过高无法正常运行的问题。