針對天津市一實際地下耦合地源熱泵示范工程，在對所采用的地源熱泵機組中的單螺桿式壓縮機產品樣本數據分析的基礎上，具體擬合出了單螺桿式壓縮機運行的輸氣系數和絕熱效率與壓縮比之間的關系式，并與往復活塞式壓縮機相比較，結果表明單螺桿式壓縮機可獲得較高的輸氣系數。同時分析了不同工作溫度對單螺桿式壓縮機循環性能的影響，所得結論為單螺桿式熱泵系統數值模擬和運行特性分析提供了基礎數據。關鍵詞：單螺桿壓縮機地源熱泵循環性能

前言

1.輸氣系數和總效率

所研究的熱泵機組采用的是MS-14M半封閉單螺桿式壓縮機，壓縮機的理論排量為158.24m3/h,ARI額定工況下的制冷量為159.3KW，制冷劑為R22，壓縮機電機輸入功率為35.84KW，電機轉速為2880rpm。

1.1輸氣系數

λ＝（Qeνs）/((Vn/3600)qe)(1)

式中Qe——蒸發器吸熱量，kW

Vn——理論排量，m3/h

νs——吸氣狀態的比容，m3/kg

擬合出關聯Pc/Pe的輸氣系數表達式（2）,關聯式的線性相關度為93.6％，均方差為2.1×10-2。

λ＝1.06165-0.02411（Pc/Pe）-0.00383（Pc/Pe）2（2）

由圖1可見，壓縮機工作時其壓力比Pc/Pe不能太高，即冷凝壓力Pc（也就是冷凝溫度tc）不宜太高，蒸發壓力Pe（也就是蒸發溫度te）不宜太低，否則，輸氣系數λ就會降低。對于單螺桿式壓縮機輸氣系數在壓縮比為3時可達0.95。單螺桿式壓縮機與活塞式壓縮機的對比曲線，其中活塞式壓縮機輸氣系數按(3)式計算[2]。可以看出，在常用的熱泵運行工況范圍內，單螺桿式壓縮機的輸氣系數都要高于活塞式壓縮機。

(3)

1.2絕熱效率

絕熱效率是指壓縮機的理論耗功與實際耗功之比[2]。同樣由樣本提供的數據根據制冷劑物性參數計算程序和公式（4）分別計算出相應的壓縮機效率。

（4）

根據計算結果，擬合成以下關聯式：

η＝-0.14585+0.60256（Pc/Pe）-0.14352（Pc/Pe）2+0.01028（Pc/Pe）3(5)

關聯式的線性相關度為88.125％，均方差為1.47×10-2。

2.工作溫度的變化對單螺桿式壓縮機性能的影響

地源熱泵系統的顯著特征就是用地下埋管換熱器回收土壤熱源。該換熱器的傳熱受到地區氣候、土壤等因素的影響。不同地區的土壤環境條件，就會產生不同的埋管傳熱效果。而這一傳熱過程的強弱必然使埋地換熱器的進出口水溫發生變化，變化的水溫又將導致熱泵系統的冷凝器或蒸發器的工作溫度發生變化，從而影響整個熱泵系統的工作性能[3]。本科研工程采用的地源熱泵機組中的單螺桿式壓縮機，其轉速、理論輸氣量是不變的，但是由于季節的變化，引起負荷的改變，其工作溫度也在發生變化。工作溫度變化時，單位質量制冷量qe、理論壓縮功wt、循環制冷劑流量Gr都要發生改變，從而使制冷量Q0和消耗的功率發生改變，因為制冷量為：

Qe＝qeλ(Vh/3600)/νs(6)

式中Qe——蒸發器吸熱量，kW

qe——單位質量制冷量，kJ/kg

Vn——理論排量，m3/h

νs——吸氣狀態的比容，m3/kg；

消耗的有效功率為：

Wt=wλ(Vh/3600)/（νsη）(7)

由上述可見，同一臺熱泵壓縮機制冷量Qe、有效功率Wt分別與輸氣系數λ及單位容積制冷量qe，壓縮機的總效率η，及單位容積壓縮功w等數值有關。

2.1工作溫度變化對單螺桿式壓縮機制熱系數COP的影響

工作溫度變化對地源熱泵系統來講通常是由于地區的不同及季節的改變所引起的，圖4示出了不同的蒸發溫度下冷凝溫度改變引起的制熱系數COP的變化。可以看出，制熱系數COP隨著冷凝溫度的降低而降低，因此再次說明冷凝溫度不宜過高。從圖上還可以看出此種單螺桿壓縮機很適合用于地源熱泵機組中，因為對地源熱泵系統來講，冬季制熱工況下，在土壤、回填材料特性和遠界土壤溫度一定的情況下，為滿足吸熱量的要求，埋管周圍土壤和埋管內流體的溫度必然處于一個較低的水平上。較低的埋管換熱器進、出水溫，一方面導致了熱泵機組蒸發溫度的降低和循環性能系數的降低；另一方面，過低的埋管換熱器進水溫度，有可能產生結冰現象。因此，冬季供暖季節通常將蒸發溫度控制在0℃左右，有圖4可以看出在熱泵工作工況范圍內壓縮機COP可達3.5以上。夏季制冷工況下，地下埋管與熱泵機組冷凝器相接，室內冷凍水管與蒸發器相接。通過制冷劑循環，不斷的將室內熱量釋放到地下低溫土壤中。排熱量的大小取決于埋管內的介質與土壤之間的熱交換，最終取決于埋管周圍土壤之間的熱質交換。由試驗觀察表明，夏季熱泵機組運行時，蒸發溫度可和通常的空調制冷系統一樣，按5℃的工況運行，由圖4可見夏季壓縮機COP可達4.5以上。

2.2工作溫度變化對吸熱量、放熱量和輸入功率的影響

熱泵機組冬季運行時，蒸發器的吸熱量最終取自埋管周圍土壤之間的熱質交換。當以水為管內換熱介質時，為防止結冰，蒸發器水的出口溫度應保持在0℃以上。根據實驗觀察，在保證蒸發溫度為0℃時，蒸發器的水的出口溫度在2℃左右。根據以上工況，按照擬和出的輸氣系數和總效率公式，分別計算出單螺桿式熱泵機組隨冷凝溫度變化的吸熱量、放熱量和輸入功率結果，見圖5。夏季熱泵機組運行時，按5℃的工況運行，同樣按照擬和出的輸氣系數和總效率公式，分別計算出夏季單螺桿式熱泵機組隨冷凝溫度變化的吸熱量、放熱量和輸入功率結果。

地源熱泵的運行工況要適應冬夏季空調末端負荷的需要，事實上，對于熱泵空調系統而言，冬季冷凝溫度穩定在55℃已經可以滿足供水溫度的要求[4]，由圖5，此時機組從地下吸熱量為107KW；而夏季冷凝溫度可以確定在45℃[4]，此時機組向地下排熱量為199.2KW，通過比較可以發現，夏季向土壤的排熱量幾乎是冬季自土壤的吸熱量的2倍。但是由于夏季較高的循環性能系數，其輸入功率反而低于冬季的輸入功率。

3.結論

1)根據單螺桿式壓縮機產品樣本數據分析，具體擬合出了單螺桿式壓縮機運行的輸氣系數和絕熱效率與壓縮比之間的關系式，并與往復活塞式壓縮機相比較，結果表明單螺桿式壓縮機可獲得較高的輸氣系數。

2)分析了不同工作溫度對單螺桿式壓縮機循環性能的影響，所得結果表明單螺桿壓縮機應用于地源熱泵機組中可獲得較高的制熱系數，并說明熱泵機組運行過程中冷凝溫度不易過高。

3）通過對R22單螺桿式壓縮機循環性能分析研究，所得結論為單螺桿式熱泵系統數值模擬和運行特性分析提供了基礎數據。

參考文獻：

[1]Jeon,,JamesLi,:9,Issue:4,July,1995,

[2]楊磊.制冷原理與技術[M].北京：科學技術出版社，1988，2.

[3]周亞素、張旭、陳沛霖土壤源熱泵機組冬季供熱性能的數值模擬與實驗研究東華大學學報（自然科學版）

[4]王景剛自然工質熱泵循環和地源熱泵運行特性研究：[博士論文].天津：天津大學，2003.