第三节　提高空气源热泵循环效率的途径

工况条件对热泵循环的影响一般从以下几个方面进行分析。

一、冷凝温度和过冷度对循环效率的影响

为分析简单起见，假设热泵循环的过冷度和吸气过热度均为0。从图2-5中可以看出，一方面，在蒸发温度恒定的条件下，冷凝温度越高，压缩机绝热压缩的单位压缩功Wc越大，单位制热量qk越小，故其热泵性能系数εth也越小。因此，在选配水冷或风冷冷凝器时，必须根据冷凝负荷和冷却介质的温度条件确定冷凝器的传热面积和冷却介质的流速，以保证冷凝温度不致过高。

另一方面，当冷凝温度相同时，高压液态制冷剂的过冷度越大，单位热泵量和热泵系数也越大。但因冷却介质一般为常温条件下的水或空气，不可能将过冷温度冷却至水或空气温度以下，且过冷器的传热面积过大其经济性也不合理，故过冷度一般取3～5℃为宜。

二、蒸发温度和过热度对循环效率的影响

由图2-6可知，当冷凝温度恒定时，蒸发温度越低，单位压缩功Wc越大，单位制热量越小，即降低蒸发温度会造成制热系数的降低。因此，蒸发器的面积和被冷却介质的流量应适当选择，使蒸发器的传热温差不宜过大。

从图2-6中可以看出，增大压缩机的吸气过热度，可以提高单位制热量；但热泵性能系数εth是增大还是减小则取决于单位压缩功Wc的大小，最终取决于制冷剂的种类和工况条件。图2-7给出了NH3、R22、R134a等制冷剂在冷凝温度tk=35℃、蒸发温度t0=-25℃、再冷度Δtc=5℃工况条件下过热度Δth对热泵系数εth的影响关系。

可以看出：NH3的吸气过热度越大，热泵性能系数越小，且排气温度越高（会造成润滑油的劣化），故过热度应尽可能小，对于R22、R410A而言，过热度增大不会导致热泵系数的显著降低；在排气温度允许的范围内，适当提高R134a的吸气过热度，有利于提高热泵系数，但单以提高过热度来改善热泵循环性能往往是不经济的（例如，过热度增大必然使得蒸发器中气相管段长度增加、制冷剂循环量减小等），故可以采用（利用压缩机回气冷却高压液体的）回热循环来改善热泵循环性能。

三、膨胀阀前液态制冷剂再冷却对循环效率的影响

采用液态制冷剂再冷却可以减少节流损失。为使膨胀阀前液态制冷剂得到再冷却，可以采用再冷却器。

图2-8为具有再冷却器的单级压缩式热泵循环的T-s图。在冷凝器下游设置再冷却器，制冷剂先经过冷凝器，然后进入再冷却器，就可以实现液态制冷剂的再冷却。3'→3就是高压液态制冷剂再冷却过程线（严格说液体等压线与饱和液线并不重合，但相差不大，故再冷过程线3'→3近似落在饱和液线上）。从图2-8中还可以明显看出，由于高压液态制冷剂的再冷却，在压缩机耗功量不变的情况下，单位质量制冷能力增加Δq0（面积a—4'—4—b—a），因此，节流损失减少，热泵的性能系数有所提高。

四、膨胀功的回收对循环效率的影响

为简化结构，目前在蒸汽压缩式热泵装置中普遍采用膨胀阀作为节流装置，导致出现节流损失。然而，在大容量热泵装置中，由于膨胀机的容量较大，不会出现因机件过小导致加工方面的困难；此时采用膨胀机对高压液体进行膨胀降压，并回收该过程的膨胀功，是提高热泵系数、节省能量消耗的有效方法。

图2-9是采用膨胀机的蒸汽压缩式热泵循环T-s图。采用膨胀机后，一方面回收膨胀功We（用面积0—3—4—0表示），使热泵循环的耗功量减少至Wce（用多边形面积1—2—2'—3—4—1表示）；另一方面，单位制冷量增加了Δq0（用多边形面积4—4'—b'—b—4表示），使其增大至q0e（用面积4—1—a—b—4表示）。两方面的有益影响，热泵循环系数得到提高：

式中，q0e、Wce和εthe分别表示采用膨胀机时热泵循环的单位制冷量、单位压缩功和理论热泵系数；q0、Wc和εth则分别表示采用膨胀阀时的单位制冷量、单位压缩功和理论热泵系数。由此可见，采用膨胀机回收高压液体膨胀、降压时产生的膨胀功，热泵循环的单位制冷量与理论热泵系数均比采用热力膨胀阀时有明显的改善。

五、压缩腔中间补气对循环效率的影响

使用补气式压缩式热泵系统相较于常规的系统而言往往较为复杂。压缩机压缩的过程中通入中温中压的制冷剂与压缩腔中原有的制冷剂进行混合，随后进行再压缩。其需要在常规系统的基础上额外增设补气回路，补气回路除去所用管路外，还需包含截止阀、膨胀阀以及经济器或闪发器等部件。如图2-10所示，为采用经济器形式的中间补气系统压焓图。

　qc（h4-h3）-qe（h4'-h2）为补气空气源热泵与常规空气源热泵相比增加的压缩机耗功量；qe（h5-h6）为补气空气源热泵与常规空气源热泵相比在过冷器处增加的补气制冷剂蒸发吸热量。其中，qc为冷凝器内制冷剂质量流量；qe为蒸发器内制冷剂质量流量。增设喷气增焓支路后，涡旋压缩机耗功有所增加；但通过国内外学者研究分析，采用中间补气，热泵在低温环境下制热量的增加幅度大于涡旋压缩机耗功的增加幅度，热泵的制热性能系数仍然得到提高。

六、采用多级压缩热泵的热力循环

多级压缩式热泵系统是指通过多台压缩机串联压缩，在每级中提供冷却降温的一种多级压缩热泵循环系统。低压饱和蒸气1从压力p0先被压缩至中间压力p1，经冷却后再被压缩至中间压力p2，然后再经冷却，最后被压缩至冷凝压力pk。多级压缩系统在压比较大时不但降低了压缩机的排气温度，而且可以减少过热损失，减少压缩机的总耗功量；高低压差越大，或者说蒸发温度越低，节能效果越明显。

多级压缩热泵循环的压缩级数一般为二级，常采用闪发蒸气分离器（经济器）和中间冷却器两种形式；虽然可以提高循环的热泵系数，但要增加压缩机等设备投资，故一般只在压缩比pk/p0>8的设备中采用。