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1、中国制冷学会2 0 0 5 年制冷空调学术年会制冷创造未来 双级压缩变频空气源热泵系统及其性能分析 田长青1 ( 1 中国科学院理化技术研究所北京1 0 0 0 8 0 ) 石文星2李先庭2 彦启森2 ( 2 清华大学建筑学院建筑技术科学系北京1 0 0 0 8 4 ) 摘 要 将双级压缩和变频技术有机结合，开发出一种适用于寒冷地区的双级压缩变频空气源热泵系统，并提出 双级压缩制热工况下效率优先和制热量优先双控制模式。建立了双级压缩变频空气源热泵系统数学模型，并进行了 实验验证。给出系统最佳中间压力和单级压缩和双级压缩转换点的模拟结果，并对双级压缩制热情况下系统制热 量、制热性能系数和排气温度
2、的变化规律进行了模拟分析。模拟结果表明，在冷凝温度5 0 和室外环境温度一2 0 情况下，系统制热性能系数高于2 0 ，高压级压缩机排气温度低于1 2 0 。C ，制热量可以满足用户要求。 关键词热泵；双级压缩；变频；空气源；性能分析 D e v e l o p m e n ta n dP e r f o r m a n c eA n a l y s i so fT w o s t a g e C o m p r e s s i o nV a r i a b l eF r e q u e n c yA irS o u r c eH e a tP u m p T i a nC h a n g q
3、 i n g ( T e c h n i c a lI n s t i t u t eo fP h y s i c sa n dC h e m i s t r y ，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，B e i j i n g1 0 0 0 8 0 ) S h iW e n x i n g ，L iX i a n t i n g ，Y a nQ i s e n ( T s i n g h u aU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 4 ) A b s t r a c tAt w o s
4、t a g ec o m p r e s s i o nv a r i a b l ef r e q u e n c ya i rs o u r c eh e a tp u m ph a sb e e nd e v e l o p e dc o m b i n i n g v a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g yw i t ht w o s t a g ec o m p r e s s i o nc y c l e ，a n dt W Oc o n t r o lm o d e lw i t ht h ep r i o r i t
5、yt a r g e ta s c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ( C O P ) o rh e a t i n gc a p a c i t yi sa d v a n c e di nt h i sp a p e r T h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eh e a t p u m ps y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e da n dv e r i f i e dw i t ht h et e s td a t a T h es i m u
6、 l a t e dr e s u l t so fo p t i m a li n t e r m e d i a t e p r e s s u r ea n dt r a n s f e rt e m p e r a t u r ef r O ms i n g l e s t a g ec o m p r e s s i o nt ot w o s t a g ec o m p r e s s i o na r eg i v e n a n dt h e h e a t i n gc a p a c i t y C O P a n dc o m p r e s s o rd i s c
7、h a r g et e m p e r a t u r ea r es i m u l a t e d I tc a nb es e e nf r O mt h es i m u l a t i o n r e s u l t st h a tC O Po ft h i sh e a tp u m ps y s t e mi So v e r2 ，t h ec o m p r e s s o rd i s c h a r g et e m p e r a t u r eu n d e r1 2 0 ，a n dt h e h e a t i n gc a p a c i t yc a nm
8、e e tt h eh e a t i n gl o a dn e e d e dw h e nt h ec o n d e n s i n gt e m p e r a t u r ei s5 0 a n do u t d o o ra i r t e m p e r a t u r e 一2 0 K e y w o r d sH e a tp u m p ；T w o s t a g ec o m p r e s s i o n ；V a r i a b l ef r e q u e n c y ；A i rs o u r c e ；P e r f o r m a n c ea n a l
9、 y s i s 1 前言 空气源热泵由于具有投资小、安装维修方便、对 周围环境影响小等优点，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。但是在室外低温环境 条件下制热量不足、制热效率低和排气温度过高等 问题制约着其在寒冷地区的应用。 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 - - - 3 4 8 I 了大量的研究。日本学者H o r i u c h iN 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；E t 本学
10、者Y a m a g a m iM 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 2 3 ；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 1 ；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l O 。2 0 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 4 1 ；加拿大的 双级压缩变频空气源热泵系统及其性能分析 ；= = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = =
11、 = = = ；5 一 S a m iSM 和T u l e jPJ 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存在的问题。 本文结合双级压缩和变频技术，提出适用于寒 冷地区的双级压缩变频空气源热泵系统，并以低压 级采用变频涡旋式压缩机，高压级采用定速涡旋式 压缩机，标准制冷量为1 6 k W 的热泵机组为例，建立 了系统数学模型，并对系统性能进行了模拟分析。 3双级压缩变频空气源热泵系统 图1 为双级压缩变频空气源热泵系统原理图， 采用一次节流不完全冷却双级压缩方式。系统主要 由低压
12、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
13、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 蒸气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，进人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气，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
14、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。 在低室外温度下采用空气源热泵制热时，虽然 双级压缩热泵系统可以显著提高系统C O P 和大幅 度降低排气温度，但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通过 增加中间流量来提高冷凝器流量和系统制热量，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，并 在双级压缩制热工况采用效率优先和制热量优先双 控制
15、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。 电磁阀 图1双级压缩变频空气源热泵系统 3数学模型及其实验验证 3 1 数学模
16、型简述 为了对提出的双级压缩变频空气源热泵系统进 行性能分析，建立该系统数学模型。 首先建立双级压缩变频空气源热泵系统各部件 的数学模型，包括低压级压缩机、高压级压缩机、室 外换热器、室内换热器、中间冷却器、节流装置等子 模型。 低压级变频压缩机和高压级定速压缩机模型按 照压缩机厂家样本性能数据进行拟合，得出实际排 气量和输入功率的如下函数关系式： - - - 3 4 9 - - - 中国制冷学会2 0 0 5 年制冷空调学术年会- 制冷创造未来 f a l = ( 0 1 0 9 + 0 0 0 3 0 5 r e 0 0 0 0 0 0 1 9 4 T 乙) 一0 0 0 0 2 5 3 _ 一 4系统性能模拟分析 l = ( 2 1 3 + 0 0 2 t + 0 0 1 3 r n + 0 0 0 0 97 1 二) 揣 (2)226 0 + ”7 r h = 0 0 4 5 + 0 0 0 1 4 9 咒+ 0 0 ( 0 7
