《Energy and Buildings》：High?performance cold?climate heat pump with tandem compressors with and without vapor injection: Laboratory investigation and field demonstration
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提高極寒地區住宅熱泵性能：雙壓縮機系統與蒸氣注入技術的研究與驗證
胡一峰|沈波
橡樹嶺國家實驗室建筑技術研究與集成中心，美國田納西州橡樹嶺，郵編37830
摘要
在寒冷氣候下，空氣源熱泵必須能夠在較低的環境溫度下保持供暖能力和穩定運行，以滿足住宅應用的需求。本研究采用了在商業系統中經過驗證的串聯單速壓縮機，并結合了變流量（VI）技術，通過實驗室測試和極端現場條件下的驗證，實現了寒冷氣候下的目標性能。具體而言，該系統在-25°C時的供暖能力需達到額定值的≥75%，而在8.3°C時的供暖性能系數（COP）需大于4.0。實驗室測試表明，這兩種配置均在可接受的排氣溫度范圍內滿足了這些目標。與非變流量配置相比，變流量系統在相同條件下提供了高達15%的額外供暖能力和9%的更高供暖COP，從而使得供暖季節性能因子（HSPF）提高了5.6–9.1%。在俄亥俄州和阿拉斯加進行的現場測試中，室外最低溫度分別為-25°C和-34°C，結果顯示系統運行穩定，補充供暖需求極低（<3.2%），除霜過程中的性能損失也較小，輸出功率始終穩定。串聯壓縮機架構在寒冷氣候下的住宅供暖應用中展現出巨大潛力。
引言
全球建筑領域的能源消耗持續增長，其中空間供暖和制冷占總需求的很大一部分。住宅和商業建筑中近一半的能源用于空間供暖和制冷[1]；在美國，住宅空間供暖和空調分別占家庭能源使用的約42%和6%[2]。
傳統上，空間供暖和制冷主要依靠分體式空氣源熱泵（ASHP）或天然氣爐來實現。ASHP因其簡單性和成本效益而被廣泛使用，但在寒冷氣候下，它們的供暖能力會下降，性能系數（COP）也會降低[3]。為了解決這些問題，研究人員研究了多種技術，如蒸汽噴射、多級壓縮機和變頻壓縮機以及級聯系統。
大多數關于寒冷氣候熱泵（CCHP）的實驗室研究都集中在商用設備上，而專門為極端寒冷氣候設計的專用原型相對較少[4],[5],[6],[7],[8],[9],[10]。最近的研究涵蓋了多種配置，包括蒸汽噴射系統、多級壓縮機、變頻壓縮機和級聯系統，以及不同的制冷劑和容量組合，如表1所示。這些研究顯示了系統在最低工作溫度、供暖能力和COP方面的多樣性，強調了需要開發能夠在極低環境溫度下同時保持高效率和可靠性能的系統。
與變頻或多級壓縮機相比，單速串聯壓縮機在允許的壓力比和排氣溫度范圍內提供了更寬的工作范圍。變頻和多級壓縮機通常針對特定速度或負載點進行優化，其效率在設計參數之外的條件下可能會下降，尤其是在接近工作極限時。相比之下，配置為兩種不同容量的串聯壓縮機可以方便地與常見的兩階段恒溫器配合使用，提供操作靈活性和可靠的低溫性能，同時僅帶來適度的效率損失。
本研究與制造商合作，將已在商業暖通空調（HVAC）系統中驗證的串聯單速壓縮機應用于住宅寒冷氣候熱泵（CCHP）原型，包括是否采用蒸汽噴射（VI）技術。優化措施包括針對極端排氣溫度進行定制的壓縮機設計、為雙容量效率優化換熱器尺寸，以及開發與標準兩階段恒溫器兼容的控制策略。這些原型設計的目標是在-25°C時至少保持額定供暖能力的75%，并在8.3°C時實現大于4.0的供暖COP。研究通過控制下的實驗室測試以及俄亥俄州代頓和阿拉斯加費爾班克斯的現場驗證，評估了系統的容量保持能力、效率、除霜行為以及在實際運行條件下的補充加熱需求。
方法論
本節首先介紹了采用串聯壓縮機的CCHP系統，包括帶有蒸汽噴射（VI）以提升供暖性能的配置。接著概述了用于評估典型和極端條件下的供暖能力、COP和運行特性的實驗室測試方法。最后介紹了現場研究，將評估范圍擴展到實際運行情況，考察了串聯壓縮機在不同條件下的季節性能。
結果與討論
本節首先展示了帶有和不帶有蒸汽噴射（VI）的串聯壓縮機原型的實驗室測試結果，并進行了比較。隨后分析了每種原型在實際運行條件下的現場表現。
結論與未來工作
通過針對性的住宅規模調整、定制工程設計以及全鏈條驗證（包括實驗室熱濕測試和低至-34.4°C的極端現場試驗），帶有和不帶有蒸汽噴射（VI）的串聯壓縮機CCHP原型均達到了美國能源部（DOE）設定的寒冷氣候目標。蒸汽噴射技術顯著提升了低溫性能，使得供暖能力提高了15%，供暖COP提高了9%，供暖季節性能因子（HSPF）提高了5.6–9.1%。現場測試驗證了這些技術的實際可行性：
作者貢獻聲明
胡一峰：撰寫初稿、驗證工作。沈波：撰寫、審稿與編輯、可視化處理、驗證、項目監督、軟件開發、資源協調、方法論設計、研究實施、資金籌措、數據分析、概念構思。
利益沖突聲明
作者聲明不存在任何可能影響本文研究結果的已知財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了美國能源部建筑技術辦公室的支持，由Wyatt Merritt博士負責HVAC&WH領域的領導工作。Brian Goins、Jeff Taylor、Brent Massey、Mike Day、Charles Pierce和Tim Dyer為實驗基礎設施提供了支持。
