摘 要：提出了一种准三级空气源系统，基于普通双级压缩制冷系统，增加了由闪蒸器构成的补气系统在其低压压缩部分，研究准三级空气源热泵，对准三级空气源热泵的性能以及应用范围进行分析。
关键词：空气源 准三级 热泵 技术
中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（a）-0072-02
作为一种节能技术，热泵空调机组备受全世界的关注，而能从大气中吸收大量的低品位能量的空气源热泵，因其使用起来很方便，故而成为了诸多热泵型式中被广泛运用的[1]。同时空气源热泵无需辅助热源，具有高效节能、对使用地不产生污染、能实现一机两用等特点。
然而，长期以来的理论和实践均表明：传统的空气源热泵的使用区域只能局限在长江中下游、西南、华南地区，如果在华北、西北以及黄河流域等地区使用传统的空气源热泵系统，则很难在这一地区长期安全、可靠、经济地运行[2]，主要表现在：（1）随着室外温度的下降空气源热泵的制热量下降速度也很快，但是室外气温下降的同时建筑物需热量却上升很快，在较低的环境温度下，空气源热泵系统的制热量将非常小，以至于不依靠辅助热源将无法满足用户的采暖需求；（2）随着外温的进一步降低，压缩机在压缩时使正常的工作过程产生严重的偏离现象，从而迅速降低了系统的能效、加速升高了排气温度，如果长期运行将会严重危害压缩机的安全[3]；（3）随着外温的下降，因空气的湿度会导致蒸发器表面凝露或结霜，使空气流经蒸发器时阻力增大，流量减小，结霜更会导致传热面积的减少和蒸发温度的下降，从而影响到换热效果，严重时会使热泵无法工作[4]；（4）机组压缩机启动困难。空调、热泵用压缩机的压缩比一般在3.5～4.0的范围，在温度比较高的制热模式以及制冷模式下适合使用该类型的压缩机，在-15 ℃的温度下，热泵将45 ℃的热水提供给室内，在此情况下，热泵蒸发温度和冷凝温度差在70 ℃左右，使用R22的系统，压缩机会承受大于10的工作压比，这就使得压缩机压缩过程与等熵过程产生严重偏离。因此，传统的空气源热泵不做任何改进就推广到寒冷地区是不可行的。
1 准三级压缩空气源热泵技术
图1是样机原理的系统图。
其原理具体表现为：一方面，低压级压缩机将低温低压的气态制冷剂压缩成较高温度的中压气态制冷剂，通过高压机四通阀进入高压级压缩机吸气管内；另一方面，高温高压制冷剂从高压贮液器进入中间冷却器，并分成两路。其中经电磁阀进入中间节流热力膨胀阀的有一小部分，此时进到中间冷却气的中温中压制冷剂管道的是变成中温中压的气液混合制冷剂，流经过程中，吸收了中间冷却器高温高压制冷剂管道内液态制冷剂的热量被蒸发，同时高温高压高温高压液态制冷剂被充分冷却，由四通阀流出的温度较高的中压制冷剂蒸汽混合蒸发的中温中压制冷剂后，气态的制冷剂经过高压级压缩机变成高温高压气态制冷剂，再通过高压级四通阀流入室内侧换热器，同室内的空气接触，进行热交换，制热目的进而达到。高温高压的制冷剂蒸汽在此时被冷凝、冷却成高温液体，经过单向阀进到高压贮液器里面，从中流出的一小部分高压液制冷剂通过电磁阀以及中间节流热力膨胀阀流进中间冷却器的中温中压制冷剂管道，而中间冷却器高温高压制冷剂管道流入了大部分的高压液态制冷剂，制冷剂的蒸发潜热在中温中压制冷剂通道内被吸收从而造成大面积的过冷。随后进到闪蒸汽器内，被蒸发成气态的制冷剂后进到低压级压缩机，为此补气过程完成了。充分过冷后的高压液态制冷剂从闪蒸器下端排出，经制热，利用第一电子膨胀阀节流降压成中温低压的液态，混合电子膨胀阀流出的气态制冷剂，再流向室外换热器里面，充分吸热蒸发成低温低压的气态制冷剂，通过低压级四通阀、气液分离器返回低压级压缩机，实现制热循环过程。该系统的热泵装置，除了有普通热泵装置在夏季和冬季的工况作用和性能外，还能在低温环境下长时间的运行稳定、可靠，且其制热量足够以及性能系数也较高，没有其他的辅助热源的时候也能为寒冷地区很好的供暖。
与普通的两级压缩空气源热泵系统相比，该系统有以下特点。
（1）室外测换热器至压缩机之间并联有补气回路，因此这种系统称为补气系统。
（2）压缩机带有辅助进气口，主、辅路在过冷器中进行热交换。
（3）如辅路上的截止阀切断，样机则按照普通热泵系统工作，即变为普通两级压缩空气源热泵机组；如辅路上的截止阀打开，样机则按照补气系统工作，机组的低温适应性得以提高。如此一来，既不影响样机在普通工况下工作的性能，又扩大了机组的低温工作范围。
2 系统循环分析
准三级空气源热泵机组系统工作循环如图2所示。过程1′-2-2′-3为低压压缩机的补气-压缩过程：过程1′-2为补气孔口与工作腔连通前的压缩过程，补气过程实质上是状态10和状态2的工质在工作腔内的混合过程，补气结束时的工质状态为2′，过程2′-3为补气过后的压缩过程；4-5为高压压缩过程，5-6为冷凝过程。
准三级压缩空气源系统与普通的双级压缩制冷系统最大的区别在于，增加了补气过程在其低压部分，使其具有发杂的影响因素，而不可以单纯地简化为多方压缩过程，其压缩过程分为三个阶段[5]：
（1）补气前进行压缩。
压缩腔将制冷剂蒸气（状态1）封好后，开始压缩。跟随旋转的动涡盘，封闭的压缩腔达到补气口位置，制冷剂蒸气被压缩到状态2，结束一级压缩，即
图2中的的1-2过程，压缩机做的功为：
[5]
（2）中间补气的过程。
对中间补气过程引入两个基本假定：（1）有非常迅速的补气过程，基本在瞬间实现的；（2）将此过程当作绝热的等容过程。利用变工质的热力学第一定律，列出以下方程：
相对补气量：
[5]
式中：-通过补气回路的制冷剂流量，kg/s；-室内侧换热器器的制冷剂流量，kg/s；-室外侧换热器的制冷剂流量，kg/s；-点2的制冷剂比体积，m3/kg；R-制冷剂的气体常数，Kj/（kg·k）；k-制冷剂的等熵指数；-点10的制冷剂温度，K；、点2、10的制冷剂压力，kPa。
依据质量守恒及能量守恒定律可推出出补气过程压缩功为[5]：
（3）补气后进行压缩
与补气口脱离后，依靠基元容积的减小压缩机工作腔内的制冷剂蒸汽继续被压缩，直到连通排气腔（状态3），再经过排气口流入四通换向阀进入高压压缩机。此时所做的功为：
[5]
低压压缩压缩功
[5]
高压压缩压缩功
在冷凝温度45 ℃，吸气过热10 ℃，蒸发温度-15 ℃，冷凝器出口的液体过冷5 ℃的工况时计算[6-7]出准三级空气源热泵热泵机组主要性能并与普通的两级空气源热泵进行比较列于表1中。
3 结论
准三级压缩空气源热泵技术与两级压缩空气源热泵相比制冷量提高了11%，COP提高了10%，能都在没有辅助热源的情况下满足冬季制热要求，具有显著的节能效果，在低温工况下运行具有较高的使用价值。
参考文献
[1]王芳，范晓伟.我国空气源热泵的技术进展[J].能源工程，2002（4）：1-5.
[2]龙惟定，王长庆，丁文婷.试论中国的能源结构与空调冷热源的选择取向[J].暖通空调，2000，31（5）：27-32.
[3]江亿.华北地区大中型城市供暖方式分析.暖通空调，2000，31（4）：30-32.
[4]韩宝琦，李树林.制冷空调原理及应用[M].机械工业出版社，2002.
[5]赵会霞.涡旋压缩机闪发器热泵系统的理论分析与实验研究[D].北京工业大学，2005.
[6]吴业正.制冷原理与设备[M].西安：西安交通大学出版社，1997.
[7]繆道平，吴业正.制冷压缩机[M].机械工业出版社，2001.