李立民 滕天凤

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519110）

引言

我国东北、西北、华北等地区，在冬季仍然广泛燃烧大量石油、煤炭等原始能源作为供暖形势，这种能源转化形式，不仅能源转化率低而且造成了冬季空气严重污染，特别是笼罩全国的“雾霾”。而低温强热型空气源热泵多联机，以其清洁、环保、高能力、能效高、占地小、智能控制等特点，是顶替传统锅炉供暖形势的途径之一。

与传统普通的空气源热泵多联机相比，处于高纬度的北方地区，在严寒深入而变得更加寒冷，在一些高维度地区会达到-30 ℃以下，在这种极端气温下，空气源热泵从环境中吸收热量的能力变弱，系统蒸发温度变得更低，此时，压缩机吸气比容增大，输气系数减小，最终会导致制热量与COP减小；同时也因压缩比过大，造成排气温度异常升高，这直接威胁压缩机的可靠性运行，这也是普通空气源热泵多联机无法广泛应用于北方的主要原因[1]。为适用北方恶劣严寒气候，本文采用喷气增焓直流变频涡旋压缩机，并结合经济器的使用，构建EVI（Economizer Vapor Inject）系统，从而实现低温热泵多联机在北方的可靠供暖。

1 喷气增焓系统的热力学原理优势

如图 1 所示，一般热泵循环为 1 ～ 7′ ～ 8 ～ 9′ ～ 1，采用喷气增焓技术的二次节流制热循环与传统制热循环的主要区别在于：

图1 喷气增焓系统的压焓图及系统图

从室内换热器（冷凝器）出来后的高压制冷剂液体分为两路：主回路和喷气回路，1 ～ 2为主回路吸气压缩机过程（从吸气压力到中间压力的压缩机）；

1 ～ 2为主回路吸气压缩机过程（从吸气压力到中间压力的压缩机）；

2 ～ 3 ～ 4为喷气回路与主回路的气态制冷剂混合过程，2 ～ 3为中间冷却过程，3点为最终冷却点；

3 ～ 7为两个回路气态混合后的压缩机过程；

7 ～ 8为主回路的室内换热器（做冷凝器时）冷凝放热过程；

8 ～ 9为主回路的内机电子膨胀阀的节流过程，假定制热循环中，内机电子膨胀阀未参与节流；

9 ～ 10为主回路的在过冷器中的过冷过程（注：本系统过冷器的流向是制热逆流，即先过冷再分流）；

10 ～ 6为主回路的外机制热电子膨胀阀的节流过程，认为从冷凝压力绝热膨胀到吸气压力节流降压过程；

6 ～ 1为主回路的室外换热器的蒸发吸热过程；

10 ～ 5为喷气回路的过冷器中的节流过程，认为从冷凝压力绝热膨胀到压机中间压力节流降压过程；

5 ～ 4为喷气回路在过冷器中的吸热过程。

对喷气增焓系统的制热循环与普通热泵系统，相比[2]：

1.1 喷气增焓制热循环与普通单级压缩制热循环

Q放热量=A（h7′-h9）相比，室内换热器的放热增加量为：

式中：

Q放热量—制冷剂在冷凝器中的放热量，kJ/s；

△Q放热量—喷气增焓制热循环与普通单级压缩制热循环在冷凝器中放热量的差值，kJ/s；

h7′—普通单级压缩压缩机出口制冷剂焓值，kJ/kg；

h7—喷气增焓压缩压缩机出口制冷剂焓值，kJ/kg；

h9—冷凝器出口制冷剂焓值，kJ/kg；

A—主回路质量流量，kg/s；

a—喷气回路质量流量，kg/s。

增加的放热量为补气增加的供热量减去压缩机排气过热温度降低减少的供热量，但参照图的压焓图，降低排气温度而造成过热焓差（h7′-h7），远小于喷气量放热焓差量（h7-h9），虽质量流量A大于a，但是因为数量级关系，式（1）的前式始终要大于后式，因此总的放热量增加的。

1.2 制热系数COP制热

式中：

EER制冷—制冷性能系数，W/W；

Q放热量—蒸发器吸热量，kW；

W压—压缩机的耗功量，kW；

A—主回路质量流量，kg/s；

a—喷气回路质量流量，kg/s；

h1—压缩机入口制冷剂焓值，kJ/kg；

h2—压缩机出口制冷剂焓值，kJ/kg；

h3—喷气回路与主回路的气态制冷剂混合后的焓值，kJ/kg；

h6—主回路节流后制冷剂焓值，kJ/kg；

h9—喷气增焓压缩压缩机出口制冷剂焓值，kJ/kg；

h9′—普通单级压缩节流后制冷剂焓值，kJ/kg。

从式（2）可以看出：

在相同工况下若制冷系数增大，则制热系数也一定增大。蒸发器吸热量增加，耗功量增加，冷凝器放热量就一定增加，但制冷系数、制热系数的变化却取决于吸热量增加、耗功增加的增长幅度有关。即只要吸热量增长幅度能大于耗功增长幅度，制热性能系数就大。经济器配合这种喷气增焓涡旋压缩机在制热工况时，从室内换热器出来的液态制冷剂经过过冷器进一步冷却，增加了过冷度，室外侧换热器入口和出口之间的焓差增加，从环境中多吸收了热量。同时，压缩机的吸气流量增加，消耗更多的功率，导致冷凝温度提高，室内换热器侧换热温差增大，室内换热器交换更多的热量，形成更多的制热能力可以大幅度提高制热能力。通过实验测试发现，制热性能系数的增长，与压机频率输出相关，一般接近宣称制热能力60 %以上，都会保证制热性能COP的增长。

2 与传统供暖设备成本优势

从图2供暖设备机组成本对比图、表1供暖设备机组成本对比表可以看出，增焓热泵多联机的初期投资，相比燃煤、燃油锅炉的投资相对较小，虽然，燃料费（电费）稍贵，但因较高能源转换率，可以使增焓热泵多联机的运行成本，降到最低。其上，初投资及运行成本，看出增焓热泵多联机，其总费用，仅次于燃煤锅炉集中供暖，成本优势比较明显[3]。

表1 供暖设备机组成本对比表

图2 供暖设备机组成本对比图

3 与普通热泵相比的运行成本优势

因普通空气源热泵会受使用气温的限制，无法用高维度高寒地区做比较，所以，以华北石家庄为例，按照冬季（11月到次年3月）室外气温变化，按照不同温度下机组制热量输出能力和功率变化，统计两类多联机机组在整个采暖季节的能耗值。因此可按每天满负荷运行8 h，电价为 0.34 元 / kWh 进行计算，具体结果见表 2。

表2 石家庄采暖季增焓系统与普通系统能耗对比表

从表 2石家庄采暖季增焓系统与普通系统能耗对比表可看出，采用增焓热泵可比普通多联机组制热能耗降低 21.6 %，这一点已证明增焓热泵比普通热泵更加节省运行成本。

4 喷气增焓直流变频涡旋压缩机的优势

图3是A厂家喷气增焓直流变频涡旋压缩机内部示意图，是在直流变频涡旋压缩机以及喷气增焓技术基础上发展，而来的一款新型的准二级压缩的涡旋压机，相比二级压缩系统，其优势是将两台独立的压缩机合并成一台压缩机，且解决了传统空气源热泵空调的三个问题：

图3 喷气增焓直流变频涡旋压缩机内部示意图

图4 焓差试验室

1）传统空气源热泵系统的制热量，会随着室外环境温度的下降而急剧下降，即当室外温度很低时，系统的制热量无法满足这些地区的冬季采暖需求。

2）随着室外环境温度的降低，压缩机的压力比会越来越大，导致机组制热COP急剧下降。

3）排气温度不断升高，压缩机功耗增大，长期运行必然会严重损坏压缩机。

综上，采用喷气增焓涡旋变频压缩机，集喷气增焓和变频技术于一身，解决了多年来困扰整个行业的北方低温制热效果不佳、运行噪音大、能效不足三大技术难题，推动多联机市场进入能效更高、舒适度更佳的时代。需要指出在 -30 ℃，适用这类压缩机，可以通过转速提高和喷气增焓技术方式，实现使系统低温制热能力接近系统的额定制热能力，从而保证用户在享受全年舒适室内环境的同时，显著降低耗电量。

5 喷气增焓多联机的性能优势

5.1 喷气增焓对名义点的性能提高

本文使用10 HP喷气增焓直流变频涡旋压缩机多联机与普通直流变频涡旋压缩机的压缩机，进行对比测试实验，并在焓差台进行性能测试。

表3 喷气增焓直流变频涡旋压缩机与普通直流变频涡旋压缩机主要参数对比

从表4、图5可以看出，相同配置（内机、室外换热器等元器件）的两台10 HP（额定制冷量28 kW、额定制热量31.5 kW）外机，通过按照国标GB T18837的测试要求进行测试，即按照宣称能力92 %的能力允差，可以看出增焓系统的外机：

图5 增焓系统与普通非增焓系统能效对比图

表4 增焓系统与普通系统性能对比表

1）增焓系统与增焓系统，两个相同排量的压缩机，名义制冷及名义制热，压缩机的运行频率，在满足相同能力下，可以减少了10 Hz，降低幅度15 %；

2）满足相同能力率的前提下，增焓系统的能效，制冷能效约提高0.2，制热能效约提高0.1，提高最大幅度6 %；

3）说明增焓系统，在增焓开时，相当于使用了大排量的压缩机，因此满足相同能力的前提下，压机功率是可以降低的。

5.2 喷气增焓系统对APF(全年性能系数)的提高

从图6可以看出增焓系统的外机。

图6 增焓系统与普通非增焓系统APF对比图

1）增焓系统与非增焓系统，大部分的测试点，其增焓系统，都要比非增焓要高，其增焓系统的APF要高出0.22；

2）从能效的角度，可以提高额定点、中间点的能效，而这个角度上看，增焓系统对提高能效测试，有着较大的高处；另外，增焓可以提升低温制热能力，也是决定提高APF的一个重要因素；

3）对于APF的计算公式上，其中间点的大小占比是最大的，而增焓系统的使用，就是为提高APF测试提供了，一种可能；因此，用增焓系统对提升APF的性能，有着很高的优势。

5.3 喷气增焓系统对低温制热量的提高

从图7可以看出：

图7 增焓系统与普通非增焓系统低温制热对比

1）非增焓系统一般只能运行到（-15～20）℃，再低就会对机组运行有很大的危害，比如排气温度过高，低压过低，容易发生液击、烧压缩机等的危险情况。

2）增焓系统可以在- 15环境下，仍保持强劲的制热量，这点与额定制热相当（与非增焓系统相比，制热量提升了近8.5 kW），这极大满足的用户的制热需求，同时，使用条件也从（-15～20）℃扩宽到（-25～ -30）℃，极大地拓宽了空气源热泵的使用范围，可以满足了北方市场；

3）由于增焓系统，就是使用喷气增焓涡旋压缩机改善压缩过程，降低了排气温度，并且可通过喷入湿蒸气，控制排气温度在要求范围内，扩展运行范围，保证热泵系统可靠性。

6 结论

本文结合中国北方严寒地区污染现状与冬季供暖的实际，引入艾默生喷气增焓多联机系统在低温环境下的原理优势（可实现制热能力及能效的提高）、成本优势（投资最大节约37 %、运行成本最大节约28 %），特别是高制热能力（低温能力提升40 %）及节能（综合能效提高22 %）优势，证明使用增气喷焓压缩机的空气源热泵多联机，是实现北方清洁环保、高效制热时一种行之有效的手段且这种技术也可大范围在北方进行推广使用。