1、专业学位硕士学位论文低温气候空气源热泵系统设计研究R e s e a r c ho fL o wT e m p e r a t u r eC l i m a t eA i rS o u r c eH e a tp u m pS y s t e mD e s i g n作者姓工程领学指导教师：三挝圈4完成日期：窒Q ! 墨生墨旦垒旦大连理工大学。D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y名域号大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致
2、谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体己经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：互缱遢玺堑垒生生遁：塑：益垒纽坦纽盈整作者签名：趁鲤日期：垄! 三年L 月L 日大连理工大学专业学位硕士学位论文摘要本文就低温气候下的热泵采暖系统设计进行了研究，拟解决冬季空气源热泵无法正常采暖的问题，扩大空气源热泵的使用范围。在现有研究成果的基础上，本文完善了低温气候空气源热泵的设计方法，进行了样机设计计算，并对样机进行性能实验和实际建筑采暖试验，以期实现低温气
3、候条件下的供暖运行。试验结果证明了设计方法的可行性。根据国内外相关研究和工程经验，影响低温气候空气源热泵安全运行的主要因素包括：压缩机压比过大导致压缩效率降低；吸气比容过大导致压缩机冷却不充分；蒸发器结霜导致换热无法进行；低温启动压缩机出现液击等。影响热泵稳定运行的因素包括：蒸发器分流不均降低蒸发器效率；蒸发器翅片设计不合理导致结霜频繁；冷凝器设计不合理导致冷凝压力偏高；膨胀阀控制不当导致机组制热量频繁波动等。为了解决了上述问题，在本文的样机设计中，压缩机采用制冷剂喷射系统，经济器采用板式换热器，节流机构采用电子膨胀阀。设计中对蒸发器低温工况制冷剂分流进行校核，对影响结霜的因素进行了6 7 0
4、 9 针对性的结构设计。冷凝器按照最大工况设计，避免了低温换热效率下降的问题，同时可以减小由于蒸发器和冷凝器容积不同而对制冷剂充注量的影响。其他制冷部件也分别针对低温条件进行设计。最终完成的热泵系统1 2 名义工况C O P 可达2 6 8 ，综合部分负荷制热性能可达3 0 9 。制冷名义工况C O P 可达2 7 ，综合部分负荷制冷性能可达3 0 2 。除霜采用了四通阀反向除霜，效果理想，除霜完成后翅片基本没有融霜水残留。在结霜工况下，除霜时间与结霜时间之比小于1 ：1 0 。除霜排水顺畅，机组底部无融霜水凝结。通过调整低温启动条件下的膨胀阀开度，可使系统在低温下启动保持良好的性能，不会出现
5、压缩机吸液或无法启动等问题。通过一个采暖季的采暖试验表明，该机组运行稳定性良好，完全可以满足采暖要求。整个采暖季只有5 天室内温度低于1 8 。C ，且主要原因是由于放假导致建筑初始温度过低。但由于建筑的保温性能较差，因此采暖费用偏高，热泵系统整个采暖季耗电量11 7 0 2 k W h ，每平方米建筑的采暖季用电量3 8 7 6 k W h ，运行费用接近集中供暖。关键词：低温气候；空气源热泵；设计；性能实验；供暖大连理工大学专业学位硕士学位论文R e s e a r c ho fL o wT e m p e r a t u r eC l i m a t eA i rS o u r c eH
6、 e a tp u m pS y s t e mD e s i g nA b s t r a c tI nt h i sp a p e r ，t h ec o l dc l i m a t eo fh e a tp u m ph e a t i n gs y s t e md e s i g na r es t u d i e d ，t os o l v et h eq u e s t i o no fa i rs o u r c eh e a tp u m pi nw i n t e rc a n th e a t i n g ，t op r o m o t et h eu s eo fa
7、i rs o u r c eh e a tp u m p A c c o r d i n gt op r e v i o u sr e s e a r c hc o n c l u s i o n so np r o t o t y p ed e s i g n ，t h ed e s i g nm e t h o di sp r o v e dt h r o u g ht h ep e r f o r m a n c et e s ta n dt h ea c t u a lb u i l d i n gh e a t i n gt e s tf e a s i b l y B a s e
8、do nr e l e v a n tr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ei nC h i n aa n da b r o a d ，f o u n dt h ea f f e c t i n go fl o wt e m p e r a t u r ea i rs o u r c eh e a tp u m po p e r a t i o nf a c t o r si n c l u d i n g ：h i g hc o m p r e s s o rp r e s s u r er a t i ol
9、e dt od e c r e a s ec o m p r e s s i o ne f f i c i e n c y ；o v e r s i z es u c t i o ns p e c i f i cv o l u m ec a u s e di n s u f f i c i e n tc o m p r e s s o rc o o l i n g ；f r o s t i n gi ne v a p o r a t o rc a u s e dh e a tt r a n s f e rd i s a b l e ；l o wt e m p e r a t u r es t
10、a r to fc o m p r e s s o rp r o d u c e dl i q u i dh a m m e ra n dS Oo n I n f l u e n c ef a c t o r so fh e a tp u m ps t a b l eo p e r a t i o ni n c l u d i n g ：u n e v e nd i s t r i b u t i o no fe v a p o r a t o rr e d u c e de f f i c i e n c yo ft h ee v a p o r a t o r ；u n r e a s o
11、 n a b l ef i nd e s i g nc a u s e df r o s t i n gf r e q u e n t l y ；u n r e a s o n a b l ec o n d e n s e rd e s i g ni n c r e a s e dc o n d e n s i n gp r e s s u r e ；i n a d e q u a t ee x p a n s i o nv a l v ec o n t r o lb r o u g h ta b o u th e a t i n gc a p a c i t yf r e q u e n t
12、f l u c t u a t i o n sa n dS Oo n I no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，i nt h i sp a p e rp r o t o t y p ed e s i g ni n c l u d e ：T h ec o m p r e s s o rs y s t e mu s e dr e f r i g e r a n ti n j e c t i o n ；e c o n o m i z e ra d o p t e dh e a te x c h a n g e ri nt h es
13、y s t e m ；t h r o t t l i n gm e c h a n i s mu s e de l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v e T h er e f r i g e r a n td i s t r i b u t i o ni ne v a p o r a t o ru n d e rl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sw a sc h e c k e d ，a n dm a k ep o i n t e dr e f e r e n c e so np r e v
14、e n tf r o s ts t r u c t u r ed e s i g n C o n d e n s e rd e s i g na c c o r d i n gt ot h em a x i m u mw o r k i n gc o n d i t i o n ，f o ra v o i d i n gt h ep r o b l e mo ft h e r m a le f f i c i e n c yd e c l i n eu n d e rl o wt e m p e r a t u r e ，a tt h es a m et i m eC a nr e d u c
15、 et h ei m p a c to nr e f r i g e r a n tc a p a c i t yu n d e rt h ed i f f e r e n tv o l u m eo fe v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e r O t h e rr e f r i g e r a t i o np a r t sw e r ea l s od e s i g n e da tl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o nr e s p e c t i v e l y T h eC O Po ff
16、 i n i s h e dh e a tp u m ps y s t e mc o u l dr e a c h2 6 8a t 一1 2 。C t h eh e a t i n gp e r f o r m a n c eo fs y n t h e t i c a l l yp a r tl o a dc o u l dr e a c h3 0 9 T h eC O Po fn o m i n a lw o r k i n gc o n d i t i o no fr e f r i g e r a t i o nc o u l dr e a c h2 7 ，t h ec o o l i
17、 n gp e r f o r m a n c eo fs y n t h e t i c a l l yp a r tl o a dc o u l dr e a c h3 0 2 D e f r o s tu s e df o u r - w a yv a l v e ，a p p l i c a t i o np r o v e dt h a te f f e c tW a si d e a l ，a f t e rd e 舶s t i n gf i n i s h e dt h e r ew a sn ow a t e rr e s i d u a lo nt h ef i n U n
18、d e rf r o s t i n gc o n d i t i o n s ，t h er a t i oo ft h ed e f r o s t i n gt i m ea n df r o s t i n gt i m el e s st h e1 ：10 D r a i n a g ew a ss m o o t hi nd e f r o s t i n gp r o c e s s ，a n dn od e f r o s t e dw a t e ra tt h eb o R o mo ft h eu n i t A f t e ra d j u s t e dt h ee
19、x p a n s i o nl l大连理工大学专业学位硕士学位论文o p e n i n gn u m b e ri nl o wt e m p e r a t u r e ，t h es t a r t u pp e r f o r m a n c ei sg o o d ，d i dn o ta p p e a rt h ec o m p r e s s o rs u c t i o nf l u i do rc a n n o tb es t a r t e d T h r o u g hah e a t i n gp e r i o d ，t h er e s u l t ss h
20、o w e dt h a tt h eu n i ts a t i s f i e dt h eh e a t i n gr e q u i r e m e n t sw i t hg o o dw o r k i n gs t a b i l i t y T h e r ew e r eo n l y5d a y s t e m p e r a t u r eb e l o w18 。CO V e rt h ew h o l eh e a t i n gp e r i o d ，b e c a u s et h eh o l i d a yr e s u l t e dt h ei n i
21、t i a lt e m p e r a t u r eo fb u i l d i n gw a st o ol O W D u et ot h ep o o r e rt h e r m a li n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo fb u i l d i n g , p o w e rc o n s u m p t i o ni nw h o l eh e a t i n gp e r i o dw e r e117 0 2k W h ，O i lt h eb a s i so fc a l c u l a t i n gt h ec o n
22、 s t r u c t i o na r e a ，t h eh e a t i n gp o w e rc o n s u m p t i o nW a s3 8 7 6k W h m 2 ，o p e r a t i o nc o s tw a sc l o s et o 廿1 ec e n h a lh e a t i n g K e yW o r d s ：L o wT e m p e r a t u r eC l i m a t e ；A i rs o u r c eh e a tp u m p ；D e s i g n ；P e r f o r m a n c et e s t
23、；H e a t i n gI I I 大连理工大学专业学位硕士学位论文目录摘要IA b s t r a c t I I1绪 仓11 1 研究背景及意义11 2国内外研究情况21 3 低温条件影响空气源热泵性能分析31 3 1 压缩机问题分析41 3 2 蒸发器问题分析41 3 3 冷凝器问题分析51 3 4问题总结51 4 压缩机解决方案研究61 4 1 使用机械方法调节压缩机的内容积比提高压缩机效率61 4 2 使用多级压缩或复叠式压缩系统，降低单级压比61 4 3 使用变频技术提高压缩机吸气量61 4 4 使用压缩腔内喷油冷却71 4 5 采用制冷剂喷射冷却压缩机71 4 6 压缩机改进
24、方案总结1 01 5 蒸发器的解决方案研究1 11 5 1 制冷剂分流器选择111 5 2 分流器连接管的设计一111 5 3 蒸发器结构设计1 21 6 冷凝器181 7 节流机构181 8 气液分离器，储液罐181 9 除霜方案1 91 1 0 本章小结2 02 样机设计与计算2 12 1系统描述2 12 2 压缩机选型2 12 3 蒸发器( 风冷式换热器选型) 设计2 32 3 1设计参数一2 3大连理工大学专业学位硕士学位论文2 3 2结构计算一2 42 4 冷凝器计算( 板式换热器) 3 42 5 经济器( 中间换热器) 3 72 6 主电子膨胀阀3 82 7 补气电子膨胀阀3 92
25、 8 制冷剂充注量估算4 02 9 除霜方案选择4 l2 1 0 系统原理图4 22 1 1 系统控制方案4 32 1 2 模型绘制与生产4 42 1 3 本章小结4 73 样机试验4 83 1 测试方法及工况4 83 2 制冷剂充注量试验5 23 3 制热性能测试结果5 43 4 制冷性能测试结果5 63 5 除霜能力试验5 83 6 低温启动可靠性试验6 23 7 本章小结6 44 实际供暖运行试验6 54 1建筑选择6 54 2 建筑负荷计算6 64 3 供暖季运行结果6 74 4 供暖季试验主要问题及分析7 34 4 1 机组在低环境温度条件下启动故障7 34 4 2 机组基础结冰7
26、34 4 3除霜结束条件判断一7 44 5 本章小结7 4结 仑7 5参考文献7 7致谢8 0大连理工大学专业学位硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书8 1大连理工大学专业学位硕士学位论文1 绪论1 1 研究背景及意义随着居民生活水平的提高，建筑能耗占总能耗的比重越来越大，截止2 0 1 2 年，建筑能耗达到我国社会总能耗的三分之一。针对这种情况，2 0 1 2 年1 月6 日，国务院颁布了国务院办公厅关于转发发展改革委、住房城乡建设部绿色建筑行动方案的通知，提出“十二五”期间，完成绿色建筑1 0 亿平方米，到2 0 1 5 年末，2 0 的城镇新建建筑达到绿色建筑标准的要求，绿色建
27、筑已经上升到国家战略的高度。目前我国供暖方式主要还是采用燃煤，燃气等化石能源，环境污染严重，一次能源利用率较低。尤其是近年来房地产业迅速发展，住房空置率逐渐增加，集中供热管网的初投资和管网热量损失相比使用率来说比例变得越来越高。热泵是一种冷热复用设备，通过系统的切换，可以方便的切换制热，制冷工况。从原理上热泵是以电能作为动力，从空气中提取低品位热能，通过压缩后将能量转换为高品位的热能的设备。由于空气中的热能主要来源于太阳能，因此热泵也可以认为是对太阳能的一种利用形式。世界气象组织公布的太阳常数值是1 3 6 8 w m 2 ，如果能够得到利用，将是一个取之不尽用之不竭的热量来源。由于电能只是作
28、为驱动，因此相对于传统的燃煤，燃油，燃气锅炉和电锅炉，热泵系统拥有巨大的经济和节能效益。同时热泵的系统的形式灵活，非常便于分散布置，分户计量方便，对于集中程度比较低的建筑区域如别墅区，农村地区等，相对于集中供热有更好的经济性。近年来随着生活水平的提高，传统上不采暖的淮河以南长江以北地区，也逐渐开始有冬季供暖的需求，而这部分地区并没有集中供暖设施，并且冬季采暖时间相对较短，重新建设集中供暖设施改造现有建筑当中的采暖装置，投资费用将非常高。所以这些地区能采用采暖形式将非常受限制，一般是采用分户燃气炉供暖，优势是投资费用较低，但是运行成本很高，另外由于夏季需要制冷，仍需要投资空调系统。由于这些地区的
29、冬季温度往往在O 。C 左右，极端情况可以达到5 。C ，传统空调在这些地区使用效果受到限制，制热效率很低。这部分地区急需一种冬季制热可靠，夏季可以制冷的热泵系统，这样既可以减少系统的投资成本又大大降低了运行费用。目前热泵在长江以南地区，用于热水制备方面使用非常广泛，并且取得了很好的节能效果。然而在冬季需要采暖的寒冷地区，受种种因素影响，热泵采暖迟迟无法得到应用。一旦克服热泵应用的局限性，可以使用热泵解决寒冷地区冬季供暖的话，将为整个大连理工大学专业学位硕士学位论文绿色建筑行动作出巨大的贡献。低温空气源热泵的研究很早就已经开始，目前己经有越来越多的研究者将目光投向这个领域。本文拟从整个热泵系统
30、出发，对影响热泵低温运行的因素进行逐条分析，列出有针对性的解决方案，并对方案的利弊进行对比，提出最佳的设计方法。通过方案对比得出的设计方法，设计低温空气源热泵系统，详细计算主要部件的选型并提出设计意见。设计完成后对样机进行试制，通过性能实验来验证热泵系统的能力是否达到要求，并改进设计。将最终完成的样机投入采暖使用，通过一个采暖季的运行来检验设计结果。1 2 国内外研究情况从2 0 世纪7 0 年代开始，逐渐有研究者关注热泵的性能改进，但是通常关注点都在于冷库的运用。1 9 8 3 年荒井信胜提出了喷气型涡旋压缩机，优化压缩机工作过程，使得低温制热性能提高了1 5 【l 】。进入2 0 世纪9
31、0 年代，低温热泵得到了更大的重视，1 9 9 6年小国研作提出喷液冷却的方法降低压缩机排气温度，扩展压缩机适用范围 2 】o1 9 9 6 年Z u b a i r 提出增加中问过冷循环，提高了系统效率，扩展了适用范围【3 1 。1 9 9 7 年掘内纪昭提出使用煤油加热器对蒸发器进行辅助加热，在低温条件下可以保证正常供划4 1 。1 9 9 8年山神胜治提出利用燃油燃气燃烧器增加低温制热性能的研究【5 1 。1 9 9 9 年Z e h n d e r 提出增加水循环过冷回路，辅助压缩机系统提高系统低温效率【6 】。2 0 0 0 年朱世平提出加热蒸发器出口至压缩机吸气口管路，提高压缩机吸
32、气压力，进而提高系统性能 7 】。2 0 0 1 年，刘忠民采用变频压缩机提高压缩机频率增加工质循环量 8 。野吕申也提出喷射润滑油降低压缩机温度的方法扩展运行工况( 9 l 。马最良提出以水为中间载冷剂的双级耦合空气源热泵系统，系统能效比达2 4 8 ，压缩机排气温度不超过6 0 。C 1 0 】。马国远提出由涡旋式压缩机构成的准双级空气源热泵，在环境温度15 。C 以上有较好的性能，但是低于15 。C性能将会明显下降J 。S a m i 提出改进工质，采用共沸工质，扩展运行工况，低蒸发温度下运行I I2 | 。2 0 0 2 年M u k a i y a m a 提出使用C 0 2 作为工
33、质，实现超临界循环制热，性能比较理想I l3 1 。陈卉青在压缩机前的气液分离器增加热装置，提高压缩机吸气压力【1 4 】。2 0 0 3年陈光明提出采用两种工质，使用复迭式的方法，拓展空气源热泵适用范围【1 5 】。田长青提出寒冷地区一级节流双级压缩变频型空气源热泵系统，在一1 8 。C 工况下仍可以保持排气温度低于1 3 0 。C ，实现了稳定长期运行【l 引。2 0 0 5 年罗刚采用增设分流回路来调节压缩机吸气状态，增加工质循环量，降低压缩机排气温度 1 7 】。金苏敏提出采用R 1 3 4 a 制冷剂，双级压缩两级节流低温空气源热泵热水系统，在2 0 。C 环境温度下，制热性能系数可
34、达2 0 【l 引。2 0 0 7 年齐藤信提出带闪发蒸汽系统的两级节流准双级压缩空气源热泵，可以提大连理工大学专业学位硕士学位论文高制热量和制热性能系别1 9 】。2 0 0 8 年王树刚提出采用R 2 2 作为供职的双级压缩二次节流中间不完全冷却系统，并对其进行试验，在环境温度一2 0 。C ，热水温度5 0 。C 条件下制热性能系数1 7 6 ，排气温度低于1 0 0 。C 2 0 。B e I t c h 提出复叠式循环可拓展的空气源热泵系统，扩展了热泵的运行范围 2 。庞宗占提出喷射元件替代辅助管路的节流部件的准双级压缩循环，拓展了空气源热泵的应用范围，相对于普通的准双级压缩系统来说
35、C O P提高了1 0 t 2 2 1 。2 0 0 9 年小林雅博提出变频双转子压缩机构成的二氧化碳双级压缩空气源热水采暖系统，在环境温度一2 0 。C 条件下，C O P 提高2 0 制热能力提高5 0 【n 引。S h a p i r o提出由双或在全封闭式压缩机双级压缩系统，制冷剂采用R 4 1 0 A ，双活塞分别配置驱动电机，可实现独立运行和双级压缩运行 2 4 1 。2 0 1 2 年佐藤创提出二氧化碳双级压缩空气源热泵热水系统，低压机为转子式，高压机为涡旋式且公用一个驱动电机，在环境温度一2 5 时C O P 仍高达2 2 7 L D J 。从国内外发展情况来看，低温空气源热泵
36、的研究的方向重点都关注在对压缩过程的优化和改进，为提高压缩机在低温下的性能和稳定性进行努力。然而，热泵作为一个系统，影响其运行的因素很多，尤其是蒸发器和冷凝器，将直接影响热泵的运行效果。国内外对整个系统的设计和关注仍然相对较少，或者仅仅从理论上提出意见。以下笔者针对这种情况，从热泵系统的各个方面进行研究，从而实现低温空气源热泵的设计整合，完成样机。并通过性能试验和一个采暖季的运行来验证设计方案是否可行。1 3 低温条件影响空气源热泵性能分析低温条件通常来说是指环境温度低于5 的情况下，由于系统蒸发温度随着环境温度降低，导致机组制热量和C O P 急速下降。对于大部分普通空调来说，这种条件将不适
37、合运行，甚至会由于排气温度过高导致设备烧毁。因此，对于低温条件，需要合理优化制冷系统，优化控制方案，改进制冷部件来改善热泵在低温环境下的性能。另外，低温条件的另一个重要课题是机组运行工况变化范围很大，而且热泵通常会兼顾制冷和制热。一般来说制冷时外压比在3 4 之间，低温制热时部分工况外压比甚至会超过1 0 【2 引。由于运行工况的复杂多变，压缩机和节流阀如何调节才能使系统性能保持最优是另一个重要的问题。从各个组件分析，影响系统运行安全的问题包括，压缩机运行超出界限，蒸发器结霜和除霜不利，冷凝器选型不匹配等。影响系统运行效率的问题包括，蒸发器分流不均，系统结构设计不合理等。大连理工大学专业学位硕
38、士学位论文1 3 1 压缩机问题分析压缩机作为系统的动力来源，是整个热泵系统的心脏。压缩机本身的性能决定了整个热泵系统的性能上限，压缩机的运行工况范围也决定了整个热泵系统的运行范围。在低温热泵系统当中，影响压缩机运行的因素主要包含以下两方面：( 1 ) 压比过大导致效率降低对于大部分常规压缩机来说，正常运行工况的压比一般为3 - 4 之间，但是在寒冷地区，冬季环境温度通常会低于一1 0 C ，在这种工况下，压缩机的压比接近8 - 1 0 ，压缩机运行工况严重偏离最佳运行工况，压缩腔制冷剂泄漏损失加大，容积效率降低。并且，压缩机的机械损失和电机效率损失也会随着压比的增大而提高，从而使压缩过程的不
39、可逆损失增加。这部分不可逆损失最终都将转化为压缩机本身的显热。( 2 ) 吸气比容过大导致压缩机冷却不充分对于封闭式压缩机来说，压缩机本身的显热是靠制冷剂来带走，然而，较低的蒸发温度使得吸气比容增大，制冷剂质量流量减少，单位质量流量的制冷剂需带走的热量相对增加。最终反映在排气温度上，压缩机的运行工况严重偏离等熵压缩，排气温度超过压缩机允许界限。如果不加以控制，排气温度继续升高，将导致润滑油粘度下降，压缩机润滑效率降低。润滑油的绝缘性也会随着压缩机本体温度升高而下降，线圈绝缘性能也会下降。最终会导致压缩机损毁。1 3 2 蒸发器问题分析蒸发器作为系统中最重要的部件之一，直接影响整个系统的性能。由
40、于大部分空调风冷式换热器的设计多是基于制冷工况( 冷凝器) ，热泵系统又大多根据高温工况对蒸发器进行设计，这就导致整个系统在高温工况下运行效果良好，但是在低温工况和除霜工况下出现了许多的问题。低温环境温度下常出现的问题包括：( 1 ) 分液不均导致制冷剂流量分布不均蒸发器的设计往往按照最大换热量进行设计，并增加了较大的污垢系数或者裕量系数。为了降低阻力，蒸发器采用分液器做多路供液。按照高温工况，制冷剂流量较大的工况计算的结构，在低温工况下不可避免的会产生各分支制冷剂分液不均的问题。这种现象随着环境温度的降低逐渐明显，在某个温度以下时，出现性能的突降，过热度开始频繁波动，膨胀阀频繁调节，最终导致
41、系统无法运行。( 2 ) 翅片设计不合理产生结霜频繁，除霜困难大连理工大学专业学位硕士学位论文常用的蒸发器设计为了减小系统体积，翅片间距往往较小，这样可以增大单位体积的换热面积。然而过小的翅片间距将使得蒸发器结霜速度加快【”1 。除霜方式和除霜方案的选择将会在蒸发器局部产生积水，再次运行时将结冰。长时间运行会导致蒸发器局部结冰，影响换热，严重时甚至会将铜管胀裂。( 3 ) 制冷剂流向设计，风扇位置引起的换热不均和结霜风冷式换热器内制冷剂的流向一般被设置为与空气流动方向相反。然而系统在制冷和制热工况下，制冷剂的流向相反，因此在设计时必须选择一个适当的方向。从试验结果来看，不同的流向产生的性能差异
42、在额定工况下可能超过1 0 。另外，对于制热工况，逆流的制冷剂在空气流经换热器，出口处换热温差依旧很大，这使得出口处的翅片结霜严重，由于这部分翅片往往是在机组内部，在机组本身排水不畅的情况下更容易在下部存水，导致结冰。针对以上问题，设计蒸发器时需要充分考虑低温工况。在设计蒸发器物理结构时，也需要充分考虑结霜和除霜的方案。1 3 3 冷凝器问题分析压缩机排气温度升高，进入冷凝器的气体温度远远超过对应的饱和温度，在冷凝器中，相当部分的换热面积被用来用于制冷剂显热交换。由于气相与换热器壁面换热系数要远小于两相区的冷凝换热系数，是的冷凝器换热过程与一般设计时并不相同，限制了冷凝器换热能力的发挥，降低了
43、冷凝器的换热效率。最终将导致冷凝压力升高，制冷系统效率降低【2 6 。1 3 4 问题总结从以上分析可以看出，主要导致空气源热泵在寒冷地区安全使用的主要原因包括：( 1 ) 蒸发温度低导致的压缩机比容过大( 2 ) 吸气比容增大导致的制冷剂质量流量过小( 3 ) 蒸发器结霜导致运行无法安全运行( 4 ) 排气温度过高导致冷凝器效率下降在设计中采用针对性的措施，包括降低蒸发器进口比焓，增加压缩机内制冷剂质量流量，延长系统结霜时间，提高蒸发器化霜效率，改善蒸发器低温工况下制冷剂流量分配。大连理工大学专业学位硕士学位论文1 4 压缩机解决方案研究1 4 1使用机械方法调节压缩机的内容积比提高压缩机效
44、率人为的调节压缩机的机械结构，可以改变压缩机的压缩长度，从而调节压缩机的内压比。德国寇尔托马塔( K i i h l a u t o m a t ) 首先开发出可以连续机械调节压缩机结构改变压缩机内容积比的螺杆式压缩机，在一定的范围内可以连续的改变压缩机的内压比，以适应不同的工况【2 8 1 。目前该技术广泛应用与螺杆式压缩机系统。对于容量较小的压缩机，要改变机械结构难度较大，市场上也没有现成产品。1 4 2 使用多级压缩或复叠式压缩系统，降低单级压比针对压缩机压比过高的问题，可采用将压比分解的办法来降低单个压缩机的压比。采用双级压缩或者多级压缩或者复叠式压缩的方式，可以降低单级压缩机的压比，
45、从而提高单级压缩机的效率，降低排气温度。按照组合的方式不同，双级压缩系统具有多种循环流程。2 0 11 年西班牙学者T o r r e l l a 对双级压缩循环流程进行了总结【29 I 。在配置系统时往往采用多低压级与少高压级相配合的方式，这样既可以提高整个系统的制冷剂质量流量，又可以在多工况时启停不同的部分以获得最佳的配比。通过笔者在前期试验和相关的产品认为，虽然双级压缩循环可以解决压缩机压比过高的问题，但是付出的代价却是需要配置多套压缩机，同时整个系统的配置量也大大增加，为了降低压缩机奔油，每台压缩机需要添加油分离系统，系统制冷剂充注量的确定也更加困难。同时控制系统上需要大量的组件进行调
46、配，整个系统的投资较大。另外，由于低温热泵运行工况范围较大，对于定频压缩机并不适合，因此建议使用双变频或者变频+ 定频的组合，这样可以提高系统效率，同时可以把双级压缩循环的优势完全发挥出来。1 4 3 使用变频技术提高压缩机吸气量在不改变压缩机的吸气腔容积前提下，最有效的提高压缩机吸气量的方法就是提高压缩机的转速，这在空调系统中已经得到大量的使用。变频压缩机可以分为两部分，一部分是变频控制器，另一部分是压缩机。变频控制器的原理是将电网中的交流电转换成方波脉冲输出。通过调节方波脉冲的频率( 即调节占空比) ，以控制驱动压缩机的电机转速。频率越高，转速也越高。变频技术可以在蒸发温度较低时提高压缩机
47、的转速，从而提高系统的质量流量，达到增加制热量的目的。然而，空调系统的变频通常是降低频率以适应较低的负荷工况，在提高转速的状态下，压缩机自身的热负载将同比例增大，这对排气温度的降低并没有帮助，长时间高转速运行反而会加剧系统崩溃。大连理工大学专业学位硕士学位论文1 4 4 使用压缩腔内喷油冷却油喷射是将压缩机内的高温润滑油引出压缩机，经过外部冷却系统后，重新喷入压缩腔。这种方式在半封闭压缩机中应用较多。低温的润滑油进入压缩腔，可以有效降低腔内温度，同时提高整体密封性，有效地降低排气温度和压缩机的容积效率。由于结构原因，这种方式在小容积压缩机中较难实现。1 4 5 采用制冷剂喷射冷却压缩机在环境温
48、度较高的条件下运行的T 3 工况压缩机通常采用将冷凝器出口的一部分高温高压制冷剂液体通过节流机构成为温度较低气液两相流体，然后在喷射进入压缩机吸气腔或者压缩腔的某个区域，从而达到冷却压缩机的目的。这种冷却压缩机的方式，由于在喷射过程中为气液两相流体，因此也被成为“喷液”冷却。如图1 2 和1 3 所示的喷射液态制冷剂系统原理图和简化压焓图，冷凝器出口的高温高压液态制冷剂( 5 ) 一部分经过喷射节流机构后成为中间压力，中间温度的气液两相流体( 7 ) ，进入压缩机喷射腔。另一部分制冷剂( 5 ) 通过主节流机构，成为低温低压的气液两相流体( 6 ) 进入蒸发器，随后蒸发成气态制冷剂( 1 )
49、，进入压缩机吸气腔，经过多变压缩后，与喷射进入压缩机的气液两相制冷剂( 7 ) 混合成气体状态( 3 ) ，随后继续多变压缩直至排气( 4 ) 。从喷液系统原理可以看出，喷液冷却可以降低压缩机的排气温度，克服压缩机温度过高的问题 2 6 1 。图1 2 为直接喷射的系统原理图，图1 3 为直接喷射的简化p - h图。系统膨 1 长阀图1 2 直接喷射系统原理图F i g1 2S y s t e mp r i n c i p l ec h f l r to fd i r e c t e c t i o n压缩机大连理工大学专业学位硕士学位论文h 呐l图1 3 直接喷射系统简化P h 图F i g
50、1 3T h eP - hd i a g r a mo fd i r e c ti n j e c t i o ns y s t e m通过对喷液系统的改造，在喷射系统中增加经济器，通过回收一部分制冷剂的热量可以使得压缩机的低温性能得到进一步的提升。图1 4 图1 5 所示的中问换热器作为经济器的气态制冷剂喷射系统。在冷凝器出口的高温高压液态制冷剂( 5 ) 分成两路，第一路通过经济器膨胀阀节流成中间压力中间温度的气液混合状态( 8 ) ，与另一路制冷剂通过换热器进行换热，蒸发成饱和气体( 9 ) 喷射进入压缩机。另一路制冷剂换热后被冷却成为过冷液体( 6 ) 通过系统膨胀阀节流进入蒸发器。该
