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摘 要 针对空气源热泵在低温环境下性能衰减问题，本工作提出了一种准二级压缩耦合储能装置的空气源热泵系统，其中储能装置是利用相变材料在相变过程中吸收或释放大量潜热的相变蓄热器，它可在相对稳定的温度区间内高效蓄热。借助实验方法测试了该系统在不同环境温度下的制热能力、性能系数(COP)、制冷剂质量流量、排气温度和能效方面的一系列参数，并对其经济性进行了分析。实验结果表明：随着环境温度的降低，制冷剂的质量流量和制热量显著降低。然而与常见带经济器的系统相比，准二级压缩与储能装置耦合系统COP、制热量和㶲效率即使在恶劣环境温度下仍表现出强劲优势，在-30°C的环境温度下，耦合系统的COP显著提高了39.9%，制热量提升了43.46%，㶲效率改善了41.8%，日运行成本费用降低4.63元，其中严寒气候条件下日运行成本减小11%，运行成本费用合理，具备很强的市场竞争力。此外，在-5～-30 ℃的环境温度范围内，排气温度可降低4.55～12.78 ℃，制冷剂的质量流量可增加11.8%～48.7%。

关键词 准二级压缩；相变储能装置；经济器；空气源热泵；制热性能

随着光电、风力等新型清洁能源的发展，供热终端电气化是大势所趋。空气源热泵(air source heat pump, ASHP)因其具有高效能量转化率和良好环境效益而被广泛认为是建筑供暖行业的最佳选择之一。然而空气源热泵在寒冷地区会面临压缩机排气温度升高、制冷剂流量降低和蒸发器表面结霜等多方面的挑战，为此研究人员在替代制冷剂、开发新型空气源热泵循环系统和利用蓄热技术等方面做了大量工作。

在严苛低温环境下，准二级压缩空气源热泵相较于传统的单级压缩空气源热泵具有更佳的运行性能。赵晓丹等提出了一种中压补气型空气源热泵热水器，通过引入中压补气机制，有效降低了压缩机的排气温度。周光辉等对带有补气功能的热泵系统进行了供热性能试验，结果显示系统排气温度下降了8~14 ℃，进一步验证了补气技术的可行性。Maddah等设计了一种带有经济器的空气源热泵系统，实验结果表明加入经济器后系统的性能系数(coefficient of performance, COP)和㶲效率分别提升了7.5%和7.4%。Qi等设计了一种将经济器和闪蒸罐耦合的新型空气源热泵系统，与单独采用经济器补气或闪蒸罐补气的系统相比，该耦合系统的制热能力分别提升6.4%~8.8%与3.2%~6.0%，COP分别提升2.8%~3.3%与1.1%~2.0%，均展现出了更大的性能提升潜力。王家正等提出一种配备闪发器的空气源热泵系统，相较于单级压缩热泵系统，该热泵系统在-15 ℃环境下的制热量提高了21.3%，排气温度降低了11.3 ℃。

此外，储能技术被认为是应用于寒冷地区辅助空气源热泵供暖的一种极具前景的方法。Wang等开发了一种无霜型空气源热泵系统，与逆循环除霜相比，该系统COP在-17 ℃时提高了3.4%。Zou等设计了一种将水作为相变蓄热介质的蓄热器，相较于传统蓄热器，从15℃加热至55 ℃所需的蓄热时间缩短了13%，系统COP提高了4.47%。刘红娟等引入相变蓄热单元，实现了对冷凝热的回收利用，并验证该方案能够满足供热需求。Liu等将蓄热器作为辅助蒸发器与主蒸发器并联，通过回收压缩机余热来提高吸气温度，从而有效降低排气温度，并使系统COP提高了0.85%～4.72%。

基于上述调研可发现准二级压缩技术(经济器补气技术)与储能技术(相变蓄热技术)均有助于空气源热泵在低温环境下的性能提升。为确保更广泛用户群体在极端气候条件下的供暖需求，上述系统的制热效率及适用性仍需进一步优化。在前期研究基础上，该工作将准二级压缩技术(经济器补气技术)与储能技术(相变蓄热技术)相结合，借助实验方法探究新系统在不同外界温度下的制热量、COP、排气温度等关键宏观参数的变化规律。

1 实验原理及方法

1.1 热泵系统原理

本工作提出的空气源热泵系统存在三种运行模式：蓄热模式(模式1)、经济器模式(模式2)和经济器耦合蓄热器模式(模式3)。图1和图2分别给出了三种运行模式的原理图和压焓图。经济器耦合相变蓄热器的空气源热泵系统(即准二级压缩耦合储能装置的空气源热泵系统)的工作流程如下。

图1   经济器耦合相变蓄热器的空气源热泵系统原理图

图2   经济器耦合相变蓄热器的空气源热泵系统压焓图

模式1：根据山西省太原市最冷月份的平均气温，将系统平衡温度设置为-5 ℃。当蒸发器所在位置的环境温度超过-5 ℃时，模式1被激活。在此模式下，电磁阀2和4关闭，电磁阀1和3开启。来自压缩机(状态2)的过热制冷剂蒸气进入冷凝器中凝结为状态5。接着液态制冷剂(状态5)流入蓄热器内进一步提取余热(状态6)。过冷制冷剂通过节流阀的减压膨胀作用转变为气液两相制冷剂(状态7)。该制冷剂进入蒸发器后转变为饱和或过热蒸气(状态7)，最终返回压缩机完成一个循环。

模式2：当环境温度降至-5 ℃以下(蒸发温度降低)时该模式将会被开启，该工况存在制冷剂流速和制热能力降低的现象。在此模式下，电磁阀1、4关闭，电磁阀2、3开启。从冷凝器流出的液态制冷剂分为两股。一股通过节流阀进入经济器，与另一股制冷剂进行热量交换，然后通过管路进入压缩机的级间入口(7-12-13-14)。同时，另一股制冷剂流经经济器后变为过冷工质，然后进入蓄热器进一步放热(7-8-9)，其次该股制冷剂经过节流进入蒸发器内吸热(10-11-1)，最后返回压缩机。该模式可确保系统在低环境温度条件下高效运行。

模式3：随着环境温度的不断降低，模式2的运行效率逐渐降低。为解决此问题，本工作提出了模式3。此模式是在模式2的基础上开启电磁阀4，此时从蓄热器流出的液态制冷剂也被分成两股。其中一股经过节流进入蒸发器吸热(11-12-1)，另一股经过节流进入蓄热器吸热(10-13-2)，随后两股流体在气液分离器中合并(状态3)，最后混合制冷剂进入压缩机吸气口。该模式可确保系统在恶劣环境温度下仍具有较佳性能。

1.2 实验平台搭建

搭建了经济器耦合相变蓄热器的空气源热泵系统，该系统可实时测量温度、功率和压力等参数。其中为满足实验所需的蒸发温度与湿度条件，配备了人工模拟环境室，室内安装了风冷式制冷机组、加湿器和除湿器等设备且室内所有实验条件均由控制系统进行精细调节(具有自动调节功能)。为确保采集数据的准确性与可靠性，实验选用高精度测量仪器，仪器具体参数详见表1。测量参数通过数据采集模块采集，数据采集模块每隔10 s定时自动记录数据。图3展示了300 s内冷凝器出口温度与压缩机出口压力的分布，可以看出所收集的数据相对稳定，故将30组采集数据的算术平均值作为计算初值。值得注意的是，所提出的热泵系统需与现有建筑供暖管道系统、电气系统等具有兼容性。为确保系统的正常运行，热泵实验系统与现有供暖管道系统选用同类型阀门。实验系统若出现供热压力不足的情况，可通过增加水泵功率或更换更高压力的水泵来解决。实验系统还需与现有电气系统进行匹配，包括电压、电流、频率等方面的匹配，同时需要协调控制逻辑，确保热泵实验系统能够顺利接入现有电气系统，并实现稳定运行。如图4所示，实验台由多个部件和测量仪器组成。其核心部件包括涡旋式压缩机、冷凝器、蒸发器、经济器、蓄热器、膨胀阀、干燥过滤器和气液分离器等。涡旋压缩机的型号为ZW34KS-TFP-582、输入功率为2.2 kW、压比为7.34。经济器为板式换热器，型号为B3-22-10，设计压力为3.0 MPa，换热面积为0.45 m2。蓄热器采用去离子水作为相变材料(phase change material, PCM)，借助固液相变过程和铜管铝翅片换热器来实现高效的蓄放热功能，蓄热材料的相变温度为0 ℃，相变潜热为334 kJ/kg，其固态导热系数为2.22 W/(m·K)，液态导热系数为0.59 W/(m·K)。蓄热器的结构形式如图4所示，该蓄热器采用立式长方体设计，外部尺寸为650 mm×550 mm×1050 mm，外壳采用304不锈钢制造，内部填充50 mm厚的聚氨酯保温材料以确保良好的热绝缘性。蓄热器内部存在两条支路，其中蓄热支路和放热支路分别配备两组、三组铜管铝翅片换热器。每个换热器的外形尺寸均为350 mm×290 mm×70 mm，铜管规格为Φ 9.52×0.5 mm，翅片厚度为0.1 mm，翅片间距为2.0 mm。

表1   测量仪器型号及参数

图3   数据采集300 s内冷凝器出口温度和压缩机出口压力分布图：(a) 冷凝器出口温度分布；(b) 压缩机出口压力分布

图4   经济器耦合相变蓄热器的空气源热泵系统实验平台

本实验设置外界环境温度分别为15 ℃、10 ℃、5 ℃、0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃共10种工况，均通过人工模拟环境室实现。本系统所制取的热水主要用于居民供暖或者提供生活热水，据此设置系统中冷凝器进水温度保持在45 ℃(波动范围在±0.3 ℃以内)，根据所需制热量求得水流量保持在0.84 m3/h(波动范围在±0.005 m3/h以内)。根据我国北方冬季气候条件设定空气相对湿度稳定在55%～65%。模式1实验在15～5 ℃的温度范围内进行，模式2、模式3实验在-5～-30 ℃的温度范围内进行。

1.3 性能评价指标

对于热泵系统而言，制热量、性能系数和㶲效率是评价其整体性能和效率的关键指标。其理论计算公式分别为：

热泵系统的制热量：

表2   系统各部件的㶲损失计算公式

2 系统性能分析

图5和图6分别为根据实验数据计算得到的随环境温度变化的系统制热量和COP。在系统稳定运行状态下，发现三种模式下的制热量和COP均随环境温度的降低而降低。在模式1中，制热能力下降幅度较大，系统制热量从8.42 kW降至5.54 kW，这是由于环境温度降低导致蒸发温度减小，进而导致压缩机的压比增加。同时，压缩机的容积效率和流量也会降低，最终导致制热量与COP下降。在环境温度为-5 ℃时，与模式1相比，模式2和3的制热量与COP都有显著提高。此现象表明采用经济器耦合相变蓄热器(准二级压缩耦合储能装置)可以有效缓解较低蒸发温度对系统性能的不利影响。此外，模式3的性能提升明显优于模式2，这主要得益于相变蓄热器的引入，其不仅深度利用了冷凝器出口制冷剂的热量(即通过进一步过冷而降低焓值)，而且相变蓄热器还起到了辅助蒸发器的作用(即进一步增加系统热量的摄入)。

图5   不同运行模式下制热量随环境温度的变化

图6   不同运行模式下COP随环境温度的变化

图7为制冷剂流量随环境温度的变化图。由图可知，耦合系统制冷剂流量随环境温度降低而减小。当环境温度为-5 ℃时，模式2与模式3中制冷剂流量明显增加，而在-15 ℃时，模式2的制冷剂流量急剧下降，这是由于随着环境温度持续降低，系统总制冷剂流量降低导致了经济器补气量下降。而在相同温度工况下，模式3的制冷剂流量始终大于模式2，且随温度的降低其下降幅度也逐渐减缓，这是因为相变蓄热器的加入不仅增加了制冷剂蒸发量以至于制冷剂总流量增加，而且相变蓄热器处制冷剂的蒸发温度不受环境温度影响以至于制冷剂流量更加稳定。

图7   不同运行模式下制冷剂流量随环境温度的变化

为了进一步比较模式2和模式3的系统制热量和COP的大小，以模式2作为基准采用相对增幅来说明此问题，制热量相对增幅()与COP相对增幅(β)的表达式如下：

图8给出了模式3中环境温度对系统制热量增幅和COP增幅的影响变化，由图可知，随着环境温度的降低，模式3相较于模式2，制热量提高了21.54%～43.46%，COP提高了19.06%～30.9%。进一步分析数据可知，虽然经济器的加入使得系统制冷剂流量增加，但是随着温度的进一步降低，制冷剂流量仍然下降至极低水平。结合图6可知，在环境温度为-30 ℃时，模式2的制冷剂流量为64.08 kg/h，而模式3的制冷剂流量为95.4 kg/h，相比模式2提高了48.88%。这是由于模式3不仅有经济器的辅助还有蓄热器的共同作用，尽管蒸发器处制冷剂流量有所减小，但是通过经济器与蓄热器之间的协同作用，系统的总制冷剂流量仍能维持在较高水平。

图8   制热量增幅和COP增幅随环境温度的变化

图9展示了在不同环境温度下压缩机排气温度的变化。由图可知，随着环境温度的降低，压缩机的排气温度呈现上升的趋势。在-5 ℃工况下，模式2与模式3排气温度大幅降低，同时，当环境温度为-30 ℃时，模式2的排气温度为113.86 ℃，而模式3的排气温度仅为101.08 ℃，显著低于模式2。这一差异主要是受到制冷剂流量和压比的影响，在输入功一定的条件下，制冷剂流量越大，单位制冷剂的温升则越小，导致排气温度降低。此外由于蓄热器处制冷剂蒸发压力较高，吸气压力也随之提高，从而降低了压缩机的压比，进而降低了排气温度。

图9   不同运行模式下压缩机的排气温度随环境温度的变化

图10为系统的输入㶲、输出㶲以及㶲损随环境温度的变化情况。由图可知，虽然两种模式的输入㶲均随着环境温度的下降而减小，但模式3的输出㶲却出现先下降后上升的趋势，且模式3的㶲损在升高后又出现下降现象。这是由于环境温度的降低直接导致了制冷剂流量的下降，进而引起输入㶲和输出㶲的下降。而模式3中输出㶲下降后又出现上升趋势，主要是由于蓄热器的加入减缓了系统内制冷剂流量下降的速度，也就是制热量下降幅度小于温差增加的幅度。

图10   不同运行模式下输入㶲、输出㶲、㶲损随环境温度的变化

图11展示了㶲效率随环境温的度变化情况。在模式2中，㶲效率随着环境温度的降低而降低，而在模式3中，随着环境温度的降低，㶲效率呈现先降后升的趋势。根据㶲平衡关系，㶲效率受到㶲损失和输出㶲的影响，由于压缩机功率的变化很小，㶲损失的增加和输出㶲的减少会导致㶲效率的降低。值得注意的是，模式3中㶲效率始终介于55%～60%，即使环境温度降低，㶲效率也相对稳定。

图11   不同运行模式下㶲效率随环境温度的变化

对耦合系统两种模式(模式2：经济器模式，即传统空气源热泵系统；模式3：经济器耦合蓄热器模式，即准二级压缩耦合储能装置的热泵系统)进行经济性分析，热泵系统在选定场景下的日运行成本计算公式如下：

式中，S为计算气候场景的日运行成本，元；ai为当地当时电价，元/kWh；ti为计算时间，s；Qi为计算时刻建筑的热负荷，W；COPi为计算时刻考虑风机、水泵电耗的热泵综合COP。

表3给出了居民建筑只采用空气源热泵供热多场景的日运行成本。从计算结果可以看出在不考虑其他因素时采用经济器耦合相变蓄热器(即准二级压缩耦合储能装置)的空气源热泵在所选建筑供暖运行时的经济性较高。模式3日运行成本费用比模式2低4.63元。相变蓄热器在低温环境下可以通过提高制热量和COP提高系统的经济性，且供暖场景的平均气温越低，模式3的经济性优势比模式2越大，在气温最低的小雪纷飞场景中模式3相比模式2的日运行成本低11%。

表3   低温工作模式下热泵供暖日运行成本

3 结 论

本工作提出了一种准二级压缩耦合储能装置(经济器耦合相变蓄热器)的空气源热泵系统，搭建了该系统性能测试平台，并在不同环境温度下对该系统的三种模式进行了实验研究，得到以下结论：

（1）蓄热器在回收制冷剂余热方面起着至关重要的作用，特别是在环境温度较高的情况下。其通过在低环境温度下提高压缩机的吸入温度以及降低排气温度来优化系统效率。随着环境温度的降低，上述功能变得更加明显，从而可以显著提高系统性能。

（2）在环境温度为-5 ℃～-30 ℃时，模式3利用蓄热器作为系统的辅助热源提供额外热量。即使在-30 ℃的极低环境温度下COP依然可达2.44，与模式2相比，模式3的COP提高了19.06%～39.9%，制热量增加了21.54%～43.46%，排气温度降低了4.55～12.78 ℃，制冷剂的流量增加了11.8%～48.7%。

（3）制冷剂的流量随着环境温度的降低而减小，造成㶲损的增加以及㶲效率的降低。在模式3中，蓄热器的加入保证了制热能力和制热效率的稳定性和可靠性，㶲效率可提升21.6%～41.8%。

（4）相较于传统空气源热泵系统，准二级压缩耦合储能装置的空气源热泵系统的经济性提升显著，日运行成本费用低4.63元，其中严寒气候条件下日运行成本低11%。