《Energy and Buildings》：High?performance cold?climate heat pump with tandem compressors with and without vapor injection: Laboratory investigation and field demonstration
编辑推荐：
提高极寒地区住宅热泵性能：双压缩机系统与蒸气注入技术的研究与验证
胡一峰|沈波
橡树岭国家实验室建筑技术研究与集成中心，美国田纳西州橡树岭，邮编37830
摘要
在寒冷气候下，空气源热泵必须能够在较低的环境温度下保持供暖能力和稳定运行，以满足住宅应用的需求。本研究采用了在商业系统中经过验证的串联单速压缩机，并结合了变流量（VI）技术，通过实验室测试和极端现场条件下的验证，实现了寒冷气候下的目标性能。具体而言，该系统在-25°C时的供暖能力需达到额定值的≥75%，而在8.3°C时的供暖性能系数（COP）需大于4.0。实验室测试表明，这两种配置均在可接受的排气温度范围内满足了这些目标。与非变流量配置相比，变流量系统在相同条件下提供了高达15%的额外供暖能力和9%的更高供暖COP，从而使得供暖季节性能因子（HSPF）提高了5.6–9.1%。在俄亥俄州和阿拉斯加进行的现场测试中，室外最低温度分别为-25°C和-34°C，结果显示系统运行稳定，补充供暖需求极低（<3.2%），除霜过程中的性能损失也较小，输出功率始终稳定。串联压缩机架构在寒冷气候下的住宅供暖应用中展现出巨大潜力。
引言
全球建筑领域的能源消耗持续增长，其中空间供暖和制冷占总需求的很大一部分。住宅和商业建筑中近一半的能源用于空间供暖和制冷[1]；在美国，住宅空间供暖和空调分别占家庭能源使用的约42%和6%[2]。
传统上，空间供暖和制冷主要依靠分体式空气源热泵（ASHP）或天然气炉来实现。ASHP因其简单性和成本效益而被广泛使用，但在寒冷气候下，它们的供暖能力会下降，性能系数（COP）也会降低[3]。为了解决这些问题，研究人员研究了多种技术，如蒸汽喷射、多级压缩机和变频压缩机以及级联系统。
大多数关于寒冷气候热泵（CCHP）的实验室研究都集中在商用设备上，而专门为极端寒冷气候设计的专用原型相对较少[4],[5],[6],[7],[8],[9],[10]。最近的研究涵盖了多种配置，包括蒸汽喷射系统、多级压缩机、变频压缩机和级联系统，以及不同的制冷剂和容量组合，如表1所示。这些研究显示了系统在最低工作温度、供暖能力和COP方面的多样性，强调了需要开发能够在极低环境温度下同时保持高效率和可靠性能的系统。
与变频或多级压缩机相比，单速串联压缩机在允许的压力比和排气温度范围内提供了更宽的工作范围。变频和多级压缩机通常针对特定速度或负载点进行优化，其效率在设计参数之外的条件下可能会下降，尤其是在接近工作极限时。相比之下，配置为两种不同容量的串联压缩机可以方便地与常见的两阶段恒温器配合使用，提供操作灵活性和可靠的低温性能，同时仅带来适度的效率损失。
本研究与制造商合作，将已在商业暖通空调（HVAC）系统中验证的串联单速压缩机应用于住宅寒冷气候热泵（CCHP）原型，包括是否采用蒸汽喷射（VI）技术。优化措施包括针对极端排气温度进行定制的压缩机设计、为双容量效率优化换热器尺寸，以及开发与标准两阶段恒温器兼容的控制策略。这些原型设计的目标是在-25°C时至少保持额定供暖能力的75%，并在8.3°C时实现大于4.0的供暖COP。研究通过控制下的实验室测试以及俄亥俄州代顿和阿拉斯加费尔班克斯的现场验证，评估了系统的容量保持能力、效率、除霜行为以及在实际运行条件下的补充加热需求。
方法论
本节首先介绍了采用串联压缩机的CCHP系统，包括带有蒸汽喷射（VI）以提升供暖性能的配置。接着概述了用于评估典型和极端条件下的供暖能力、COP和运行特性的实验室测试方法。最后介绍了现场研究，将评估范围扩展到实际运行情况，考察了串联压缩机在不同条件下的季节性能。
结果与讨论
本节首先展示了带有和不带有蒸汽喷射（VI）的串联压缩机原型的实验室测试结果，并进行了比较。随后分析了每种原型在实际运行条件下的现场表现。
结论与未来工作
通过针对性的住宅规模调整、定制工程设计以及全链条验证（包括实验室热湿测试和低至-34.4°C的极端现场试验），带有和不带有蒸汽喷射（VI）的串联压缩机CCHP原型均达到了美国能源部（DOE）设定的寒冷气候目标。蒸汽喷射技术显著提升了低温性能，使得供暖能力提高了15%，供暖COP提高了9%，供暖季节性能因子（HSPF）提高了5.6–9.1%。现场测试验证了这些技术的实际可行性：
作者贡献声明
胡一峰：撰写初稿、验证工作。沈波：撰写、审稿与编辑、可视化处理、验证、项目监督、软件开发、资源协调、方法论设计、研究实施、资金筹措、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了美国能源部建筑技术办公室的支持，由Wyatt Merritt博士负责HVAC&WH领域的领导工作。Brian Goins、Jeff Taylor、Brent Massey、Mike Day、Charles Pierce和Tim Dyer为实验基础设施提供了支持。
