摘 要
降低空氣源熱泵機組的供水溫度，可改善機組的低溫運行特性，擴展機組的低溫運行範圍。雙級耦合熱泵供暖系統正是基於此想法提出的，系統中空氣源熱泵（低溫型熱泵）作為一級側機組，工作於一個全新的運行工況中。本文藉助已建立並驗證過的空氣源熱泵機組穩態仿真數學模型，對空氣源熱泵在新工況和常規工況下的低溫穩態特性進行了計算機仿真。研究結果顯示，新工況下，空氣源熱泵的低溫供暖特性與運行特性均得到顯著改善。雙級耦合熱泵供暖系統在低溫環境下，可獲得穩定、可靠、高效的低位熱源。
引言
空氣源熱泵（Air Source Heat Pump，簡稱ASHP）機組在低溫工況下運行，壓縮比升高，容積效率降低，製冷劑質量流量減少，供熱能力下降，壓縮機排汽溫度過高，這些問題限制了ASHP機組在北方地區的套用。文獻[1]對ASHP機組在我國14個北方主要城市設計工況下的運行特性進行了理論分析，研究結果顯示，ASHP機組在所選城市中運行，壓縮比均超過極限值8.0，哈爾濱甚至超過20.0，說明ASHP機組在北方最寒冷的時候將無法正常運行。降低ASHP機組的供水溫度，將有效降低機組的壓縮比，文獻[1]的研究結果顯示，當供水溫度由50℃降低到20℃後，ASHP機組在所選北方城市中，除哈爾濱和長春外，其餘城市設計工況的壓縮比均低於8.0，說明機組低溫運行工況得以有效改善，從而使ASHP機組在北方地區套用具備一定的可行性。
雙級耦合熱泵供暖系統就是基於上述想法提出的，系統中ASHP機組作為一級側機組向中間水路提供10℃～20℃的溫水，而二級側機組水源熱泵機組利用此低位熱源向末端用戶提供40℃～50℃的熱水[2]。儘管文獻[3]通過中試實驗研究結果，驗證了北京地區在室外溫度-10℃以上溫度條件下雙級耦合熱泵供暖系統以及ASHP機組的特性。但更低溫度條件下，ASHP機組運行特性的試驗與計算機仿真研究尚屬空白。因此，本文利用已建立並驗證過得ASHP機組計算機仿真數學模型，對新型低溫運行工況下ASHP機組穩態特性進行了研究，所得結果可為ASHP機組以及雙級耦合熱泵供暖系統的套用範圍進一步向北擴展提供一定的理論依據。
運行工況
通常情況下，ASHP機組的室外運行溫度不應低於-5℃，蒸發溫度在-10℃以上，供水溫度在45℃左右，冷凝溫度介於40℃～55℃之間。對於製冷劑R22而言，常用壓縮比為4.88，排氣溫度為60℃[4]，偏離以上常用值，說明機組偏離最佳運行工況，而對於活塞式壓縮機單級系統的壓縮比一般不超過8.0，排氣溫度應控制在150℃以下，超過以上極限值，機組將無法正常運行。在雙級耦合熱泵供暖系統中，ASHP機組的運行工況與常規工況截然不同，蒸發溫度降至-30℃，冷凝溫度介於15℃～30℃之間，對此新型工況下ASHP機組的運行特性仍缺乏充分的認識。因此，為研究新型低溫運行工況下ASHP機組特性的改善，本文選擇機組蒸發溫度範圍是-30℃～10℃，這一溫度基本涵蓋了ASHP機組在我國北方城市冬季運行的所有工況，冷凝溫度選擇50℃和20℃，分別代表常規工況和新工況。
