低溫熱泵：多級壓縮技術和制冷劑替代

　　近幾年來，空氣源熱泵備受關注和市場歡迎。但有幾個因素顯著影響空氣源熱泵的性能：第一，在環境溫度較低的工況下，空氣源熱泵的性能顯著降低；第二，制熱過程中的結霜問題嚴重影響能效和可靠性。為解決上述問題，近年許多研究人員和工程技術人員在空氣源熱泵技術改進方面投入了大量的精力。

　　1、多級壓縮技術

　　變頻壓縮技術是提高空氣源熱泵供熱能力的有效方法之一。在低溫工況下，提高壓縮機轉速，可以顯著增加其排氣量，從而提高空氣源熱泵的供熱能力。然而，變頻技術并不能提高系統能效。為了同時提高供熱能力和低溫下的能效，研發了多級壓縮技術。

　　根據壓縮級數和循環結構的不同，多級壓縮空氣源熱泵可分為復疊循環和雙/多級壓縮等。特別地，為了提高單級壓縮系統在低環境溫度下的供熱能力，可以在壓縮過程中直接向壓縮腔噴入制冷劑，這就是所謂的準雙級壓縮。由于準雙級壓縮循環具備雙級壓縮循環的特點，故本文將納入雙級壓縮循環的范圍一并介紹。

　　1、復疊式空氣源熱泵    

　　由于環境溫度低，導致系統壓比高，壓縮功大，節流損失大，最終導致熱泵能效低。為了減少損失、提高效率，復疊式空氣源熱泵系統采用兩個蒸氣壓縮循環相串聯來代替單一的循環，以減小單級循環的壓縮比。

　　如下圖所示，復疊系統由兩個獨立的蒸氣壓縮循環組成，其一為低溫級循環，另一個為高溫級循環。這兩個循環通過一個共用的中間換熱器相連接，該換熱器同時作為低溫循環的冷凝器和高溫循環的蒸發器運行。冬季，低溫循環通過蒸發器從環境空氣中吸收熱量，并將熱量提升到更高的溫度，作為熱源提供給高溫循環；在高溫循環中，熱量再次被提升至室內供暖所需的溫度。

　　采用復疊式空氣源熱泵，循環的壓比大大降低，減少了總壓縮損失和節流損失，因而可以提高空氣源熱泵的能效；并且，根據不同的工況，復疊式循環的高、低溫級可采用不同的制冷劑。由于復疊式系統可采用兩個簡單的單級系統來實現，故已經有多年被用于供暖和供應熱水的應用。然而，復疊循環中間換熱器的換熱溫差不可避免地會導致一定的效率損失；并且，復疊循環需要使用兩臺壓縮機和一個額外的換熱器，這與單級循環相比成本更高。

　　2、雙級壓縮空氣源熱泵   

　　雙級壓縮空氣源熱泵將兩個制冷循環連接在一起，可以看作是復疊式系統的簡化形式。如下圖所示，根據所采用經濟器的不同，可以將雙級壓縮空氣源熱泵分為兩類：閃蒸罐（FT）系統[5]和中間換熱器（IHX）系統。

　　對于閃蒸罐系統，離開室內冷凝器的液體制冷劑被節流成兩相后進入閃發罐，兩相制冷劑在閃發罐中被分離為飽和氣體和飽和液體；飽和氣體制冷劑與低壓級壓縮機的制冷劑排氣混合后，被高壓級壓縮機再次壓縮，飽和液體經第二膨脹閥節流后，進入室外蒸發器蒸發為氣體，而后進入低壓級壓縮機，之后與閃發罐的中壓氣體混合。

　　對于中間換熱器系統，冷凝器出口的液體制冷劑直接分成主流、支流兩路。支流制冷劑被節流到中壓后進入中間換熱器，低溫制冷劑將主流制冷劑冷卻到過冷狀態，支流制冷劑吸熱變為飽和氣或過熱狀態，并與低壓級壓縮機的排氣混合，之后進入高壓級壓縮機進一步壓縮。中間換熱器主流出口處的過冷制冷劑被節流后，通過蒸發器，最終回到低壓級壓縮機，被壓縮至中壓后與支流制冷劑混合。

　　3、準雙級壓縮空氣源熱泵    

　　如下圖所示，準雙級壓縮空氣源熱泵（也稱為補氣系統）與雙級壓縮系統非常相似。不同點在于，準雙級壓縮系統中采用一個帶有中間補氣口的壓縮機代替兩個串聯壓縮機。在準雙級壓縮中，來自閃發罐或中間換熱器制冷劑被注入壓縮機的壓縮腔內，而非兩臺壓縮機中間。

　　因此，準雙級熱泵可被看作雙級熱泵的簡化形式，采用專門設計的補氣壓縮機來代替兩臺壓縮機，從而避免了兩臺壓縮機之間的均油難題，同時降低了系統成本。更重要的是，通過關閉補氣支路上的閥門，準兩級系統可以靈活轉換為單級循環模式，從而在冬、夏季優化準雙級熱泵的性能。為此，近年來，準雙級壓縮技術在低溫熱泵中得到了廣泛的應用。

　　2、制冷劑替代

　　目前，R22和R410A是空氣源熱泵系統最常用的制冷劑，其主要替代物為R290、R32、R744、R161以及一些HFC混合制冷劑。然而，除R744外，所有的中低GWP制冷劑都具有一定可燃性，考慮到充注量和其它特殊要求，其應用必須符合相關的安全標準或規定。

　　就純工質替代物而言，R290的運行壓力和容量與R22相近，且能效比高于R22，但由于其易燃性，主要適用于小充注量系統。已有生產商展出了使用R290的分體式空調器。R32的運行壓力和容量接近R410A，且能效也與R410A相當，甚至略高于R410A。

　　目前，R32適用于市場上各類空調設備，多個國家和地區將其用于分體機，如日本、中國、韓國和歐洲，也有生產商將R32用于其他類型的系統，如多聯機。R744在供暖和供冷領域的應用受到限制，由于其在制冷模式下能效比，尤其是在外溫較高時。然而，R744跨臨界循環在高溫熱水方面具有顯著優勢。

　　除純工質外，也有許多空氣源熱泵專用的混合制冷劑，其主要由兩種或多種

　　R32、R125、R134a、R152a、R161、R1234yf、R1234ze、R600a、R1270和R290等純工質混合構成。某些混合工質已被命名為專有編號，如R444B、R446A和R447A等，而其他大量混合工質仍在持續開發。這些混合工質往往具有與R22或R410A相近的運行壓力和容量，GWP在150~1000之間，可燃性多為1級（高GWP工質）或2L級（中GWP工質）。目前，大部分的混合工質還未被量產，相關的技術數據仍未公開。