喷气增焓技术在空气能热泵采暖机的应用与可靠性设计

黄民泽

身份证号码：432927197706240034  广东省  523000

摘 要：热泵采暖机采用喷气增焓技术，能有效提升低温制热能力及压缩机运行可靠性，可以充分满足寒冷地区的低温采暖需求。本文通过对喷气增焓技术进行理论研究和试验验证，在低温制热性能提升及控制稳定性方面取得一些进展，得出一套喷气增焓技术在热泵采暖机的应用方法，为后续同类产品的开发提供参考。

关键词：低温采暖；喷气增焓；性能提升；控制稳定性

1 喷气增焓技术的原理分析

当室外环境温度低于0℃，压缩机排气温度甚至高于130℃，压缩机排气压力过高将使润滑油变稀，润滑条件恶化，甚至引起润滑油的碳化和出现拉缸等现象。因此，普通空气源热泵在低于0℃的环境无法正常运行。

方案一，一级节流循环系统，采用经济器循环设计，一级节流前取部分液体冷媒进入压缩机喷气增焓回路，通过电子膨胀阀节流后，进入压缩机中压腔进行补气压缩；主路经过经济器过冷后，通过电子膨胀阀节流可达更低蒸发温度，在蒸发器中与空气有更大的换热温差，从而吸取更多的热量。方案一，中间换热器体积小，结构紧凑，增焓补气流路更容易控制，系统更可靠。但是在经济器内会产生一定压力损失，降低了整个系统的制热量，而且经济器成本会比闪蒸器更贵，实际应用中设计者也会综合这因素。

方案二，二级节流循环系统，采用闪蒸器循环设计，一级节流后，冷媒进入闪蒸器进行气液分离，主路气液两相冷媒经过辅电子膨胀阀二次节流，产生更低的蒸发压力，进入蒸发器蒸发后回到压缩机；部分气态冷媒通过增焓回路进入压缩机中压腔进行补气压缩。方案二由于仅在闪蒸器内进行气液分离，产生压损比较少，补气量比较大，更容易获取更多冷媒流量，从而获取更大的制热量、更高的水温。但是由于增焓补气管路无法检测过热度等方式，会存在液体冷媒直接进入压缩腔风险，对控制要求更高。

2 热泵采暖机制热性能提升分析

2.1试验验证方案

本次试验旨在验证，在低温采暖中，喷气增焓对高水温采暖制热能力的影响情况。以某厂家一款6匹热泵采暖机为测试对象，压缩机采用喷气增焓压缩机，系统采用上述二次节流冷媒循环系统，通过压缩机喷气增焓的开、关调节来分析对制热系统产生效果。

2.2试验结果与分析

按照《GB/T 25127.2-2020 低环境温度空气源热泵(冷水)机组 第2部分：户用及类似用途的热泵(冷水)机组》测试标准，进行测试。不同工况下均可以通过开启喷气增焓模块改变制热量，通过实验数据计算分析制热量、能效变化，结果如下：

表1 喷气增焓关闭与开启的性能对比

测试项目	喷气增焓状态	出水温度（℃）	能力(kW)	功率(kW)	能效(W/W)
-12℃制热低水温	关闭	41	9.375	3.952	2.37
-12℃制热低水温	开启	41	11.05	4.421	2.50
-12℃制热高水温	关闭	55	5.760	4.251	1.35
-12℃制热高水温	开启	55	7.140	4.429	1.61
-20℃制热低水温	关闭	41	7.258	3.654	1.88
-20℃制热低水温	开启	41	8.583	4.005	2.14
-20℃制热高水温	关闭	55	4.565	5.025	0.91
-20℃制热高水温	开启	55	5.565	5.354	1.04

图1喷气增焓能力能效变化曲线

对表1、图1测试结果分析总结：

（1)喷气增焓开启与关闭对比，能力提升明显，实测能力提升18%以上；

（2)喷气增焓对高水温工况能力提升更明显，实测能力提升约21%~24%。

（3）喷气增焓对在低温工况下制热的能效提高较明显，基本会有10%的提升效果。

3热泵采暖机控制稳定性分析

3.1调节原理及控制方案

喷气增焓主要应用于低温制热工况下，提升机组的制热量，制冷运行的时候，增焓电磁阀常规控制处于关闭状态；制热运行时，高压级和低压级制冷剂循环流量受一级节流电子膨胀阀和二级节流电子膨胀阀开度变化的影响，需协同控制才能更好地保证机组的可靠性。

一级节流电子膨胀阀一元控制目标是中间压力，以达到补气压力大于临界中间压力，避免出现倒流现象；二元控制目标为过热度，保证实际过热度大于目标过热度，避免出现补气带液造成压缩机损坏。其一二元控制方法均使用二级节流电子膨胀阀的比例积分控制方式，结合二元控制电子膨胀阀的开度变化量计算结果，控制周期内一级节流电子膨胀阀开度变化量为

G1：中间压力控制权重系数；G2：过热度控制的权重系数；第n个控制周期开度一元变化量；第n个控制周期开度二元变化量；G1+G2=1，两个权重系数变化示意如下图5所示：

图2 权重系数示意图

3.3 试验结果与分析

（1）方案1分析：

方案1化霜完成后，二级电子膨胀阀步数增加50pls并保持3min，一级电子膨胀阀步数增加30pls并保持3min，而增焓电磁阀保持关闭状态3min，再切换为正常控制状态。该工况下，机组间隔约50min进行一次化霜，化霜完成后，系统各参数出现较明显的波动且持续较长时间。因为在化霜完成、四通阀换向后，前期两个电子膨胀阀都处于过热度调节中，且增焓电磁阀开启也会造成系统冷媒循环量的变化，因此系统参数波动幅度大，恢复稳定的时间也较长。

（2）方案2分析：

方案2化霜完成后，二级电子膨胀阀步数增加50pls并保持3min，一级电子膨胀阀步数增加30pls并保持5min，而增焓电磁阀保持关闭状态5min，再切换为正常控制状态。该工况下，机组间隔约50min进行一次化霜，化霜完成后（如下图3），前期各系统参数逐步上升，在一级节流电子膨胀阀和增焓电磁阀开启时，出现较小幅度下降，随后又逐步上升至稳定运行的状态，过程中有波动、但能较快恢复到稳定运行状态。

图3 方案2参数波动示意图

参考文献：

[1] 张东，李金平，刘伟，等.喷气增焓空气源热泵性能评价及预测[J].化工学报，2014,65（12）:5004-5009

[2] 易博，刘霄莉，杨兵，等.喷气增焓技术对多联机制热性能影响分析.建筑热能通风空调，1003-0344（2019）2-060-4

[3] 项宇，等.喷气增焓独立控制方案在R410A空气源热泵系统上应用的研究.2018年中国热泵行业技术论文.2018