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單級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)隨著蒸發(fā)溫度的降低，蒸發(fā)壓力也在不斷降低，壓力比不斷增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣溫度不斷升高，容積效率下降，輸氣量減少，制冷量不斷降低。因此，在蒸發(fā)溫度低于 -20℃ 工況下，通常需要采用雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)來滿足實(shí)際需求。樹上鳥教育暖通設(shè)計(jì)杜老師。
實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)冷凝溫度為 30℃，蒸發(fā)溫度為 -20℃~-35℃ 的變化區(qū)間，低高壓級(jí)壓縮機(jī)理論輸氣量比 ε 在 1.25~3.33 范圍時(shí)，系統(tǒng)的制熱量隨著 § 的增加逐漸減小，最大制熱性能系數(shù)可比常規(guī)定流量機(jī)組（ 2:1）最大提高 7%，比機(jī)組耗功降低 8%，比 3:1 配組雙級(jí)壓縮最大高 2.32%。此外，蒸發(fā)溫度越低，最佳 COP 下的低高壓壓縮機(jī)理論輸氣量之比不斷變大。 雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的工作原理（1）一次節(jié)流中間不完全冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán) 一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)的工作過程是：從冷凝器出來的高溫高壓制冷劑液體分為兩部分：一部分經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入中間冷卻器“蒸發(fā)吸熱”，然后與中間冷卻器的制冷劑混合；另一部分經(jīng)過制冷劑液體在中間冷卻器內(nèi)過冷，放出熱量后經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓，然后流入到蒸發(fā)器。 當(dāng)制冷劑從蒸發(fā)器出來后進(jìn)入低壓級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮到中間壓力的制冷劑過熱蒸汽和從中間冷卻器過來的飽和蒸氣混合后進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行二次壓縮。然后高壓級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮并排出過熱蒸汽，進(jìn)入到冷凝器冷卻成液體，完成一個(gè)循環(huán)。 8–1 為工質(zhì)在蒸發(fā)器中定壓氣化吸熱，低壓低溫液體變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w。 l–2 為工質(zhì)在低壓級(jí)壓縮機(jī)定熵壓縮，由蒸發(fā)壓力壓縮至中間壓力。 2–3 為壓縮后的過熱蒸汽與中間冷卻器出來的 3–4 為工質(zhì)在高壓級(jí)壓縮機(jī)定熵壓縮，由中間壓力壓縮至冷凝壓力。 4–5 為工質(zhì)在冷凝器中凝結(jié)放熱，高溫高壓的制冷劑蒸氣凝結(jié)放熱。 5–7 為高溫高壓的制冷劑飽和液在中間冷卻器定壓過冷。 7–8 為工質(zhì)由過冷液體節(jié)流至蒸發(fā)壓力，節(jié)流前后焓值不變。 5–6 為部分工質(zhì)節(jié)流至中間壓力進(jìn)入中間冷卻器。 6–3 為節(jié)流進(jìn)入中間冷卻器后蒸發(fā)吸熱，為進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑提供冷。 （2）一次節(jié)流中間不完全冷卻的雙級(jí)壓縮制熱循環(huán)理論計(jì)算 詳見表 1、 2。 實(shí)驗(yàn)分析采用變頻壓縮機(jī)搭建變制冷劑流量雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以 R410A 為制冷劑，冷凝溫度，蒸發(fā)溫度，蒸發(fā)溫度溫差選取 5℃，本次選取一次節(jié)流中間不完全冷卻的雙級(jí)壓縮循環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 （1）中間壓力（中間溫度）與低高壓級(jí)輸氣量之比的變化關(guān)系 中間壓力和中間溫度是雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)中最重要的控制參數(shù)，圖 2 和圖 3 反應(yīng)的是中間壓力和中間溫度隨低高壓級(jí)壓縮機(jī)輸氣量之比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，中間壓力和中間溫度隨低高壓級(jí)壓縮機(jī)輸氣量之比的增大而增大。對(duì)于固定的蒸發(fā)溫度，中間溫度和中間壓力近似與低高壓壓縮機(jī)輸氣量之比成線性關(guān)系。 當(dāng)?shù)透邏杭?jí)壓縮機(jī)輸氣量之比一定時(shí)，隨著蒸發(fā)溫度的不斷升高，系統(tǒng)的中間溫度和中間壓力也不斷升高。高壓級(jí)壓縮機(jī)頻率均勻增加，高壓級(jí)吸排氣量增加，制冷系統(tǒng)的制冷劑流速加快，低壓級(jí)壓縮機(jī)保持運(yùn)行頻率不變，壓縮機(jī)排氣量保持不變，導(dǎo)致中間冷卻器的壓力降低。中間冷卻器排出的是制冷劑飽和蒸汽，中間溫度和中間壓力為固定對(duì)應(yīng)參數(shù)，所以中間壓力降低，導(dǎo)致中間溫度降低。 （2）中間壓力（中間溫度）與性能系數(shù) COP 的變化關(guān)系 圖 4 和圖 5 表示的是系統(tǒng)的性能系數(shù) COP 隨中間溫度和中間壓力變化的關(guān)系圖，由于是在氣液兩相區(qū)所以溫度和壓力是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，系統(tǒng)的性能系數(shù) COP 隨中間溫度（中間壓力）的變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。不同蒸發(fā)溫度下的最佳 COP 值都對(duì)應(yīng)著一個(gè)最佳的中間溫度（中間壓力）。所以一次節(jié)流中間不完全雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)存在機(jī)組運(yùn)行的最佳 COP，并非中間壓力越大越好。隨著蒸發(fā)溫度的不斷升高，系統(tǒng)的最佳COP 值也不斷地增大。
（3）性能系數(shù) COP 與低高壓壓縮機(jī)輸氣量之比的關(guān)系 性能系數(shù)是熱泵系統(tǒng)的綜合指標(biāo)，圖 6 反應(yīng)的是熱泵系數(shù)性能系數(shù) COP 與低高壓級(jí)壓縮機(jī)排氣量之比的變化關(guān)系。蒸發(fā)溫度越低，制熱系數(shù)越小，相比與固定輸氣量雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的 COP 提高越多。 壓縮機(jī)的排氣量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)高壓級(jí)壓縮機(jī)頻率從 30Hz 到 80Hz 逐漸增加時(shí)，低高壓排氣量對(duì)應(yīng)為 3.33 ～ 1.25，可得出蒸發(fā)溫度和冷凝溫度恒定時(shí)，制冷系數(shù) COP 隨著低高壓級(jí)壓縮機(jī)輸氣量之比的提高是先增大后減小，存在最優(yōu)值。
在蒸發(fā)溫度分別為 To=-20/-25/-30/-35℃ 時(shí)，最佳制冷系 數(shù) 依 次 為 COP=3.374/3.092/2.997/2.823， 相 比 于固定輸氣量之比 §=2:1 時(shí)， COP 依次提高 1.63%，4.11%， 4.43%， 5.1%；相比于 §=3:1， COP 依次提 （4）最佳 COP 下低高壓壓縮機(jī)輸氣量之比與蒸發(fā)溫度的關(guān)系 對(duì)于固定的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度，隨著高低壓級(jí)壓縮機(jī)排氣量之比的不斷增大，制熱系數(shù)存在最大值，也就是說最大的 COP 存在對(duì)應(yīng)的最佳低高級(jí)壓縮機(jī)排氣量之比。由圖 7 可以看出當(dāng)冷凝溫度不變時(shí)，隨著蒸發(fā)溫度的降低，在該工況保持機(jī)組最大 COP 運(yùn)行時(shí)，低高壓級(jí)排氣量之比的變化趨勢(shì)是不斷增大的。
總結(jié)單級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度降低，蒸發(fā)壓力也會(huì)在不斷降低，壓力比不斷增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣溫度不斷升高，容積效率下降，輸氣量減少，系統(tǒng)性能系數(shù)下降等一系列問題，為解決低溫下系統(tǒng)運(yùn)行性能差的問題，所以采用雙級(jí)壓縮熱泵循環(huán)來滿足實(shí)際需求。 雙級(jí)壓縮熱泵機(jī)組的低高壓級(jí)壓縮機(jī)輸氣量比大多為 2:1（或 3:1）的定頻雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)，中間壓力和高低壓排氣量相對(duì)固定。當(dāng)系統(tǒng)工況或負(fù)荷變化時(shí)，不能達(dá)到系統(tǒng)的最佳性能系數(shù)。 與此同時(shí)，為維持所需溫度，定頻雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)通常通過開停機(jī)來實(shí)現(xiàn)溫度恒定，造成壓縮機(jī)頻繁啟停，耗電量增加，降低了熱泵系統(tǒng)的壽命，所以需采用變頻雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)來解決壓縮機(jī)頻繁啟停所造成的耗電量大的問題，并且采用變頻壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在最佳 COP 下運(yùn)行。
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