增强蒸气喷射空气源热泵在青藏高原极低温度下的技术性能

《Cleaner Energy Systems》：Technical performance of air source heat pump with enhanced vapor injection under extremely low temperature in Qinghai-Xizang Plateau

　　

空气源热泵（Air Source Heat Pump, ASHP）是清洁建筑供暖的核心节能技术，但传统模型在高海拔超低温环境中由于压缩比过高、排气温度过高以及制热能力和效率急剧衰减而面临严重限制。本研究建立并验证了增强蒸气喷射（Enhanced Vapor Injection, EVI）空气源热泵的准两级压缩热力学模型，研究了关键参数对其低温性能的耦合效应，并通过高海拔工程案例进行了全周期定量分析。结果表明，喷射比（injection ratio）和辅助蒸发温度（auxiliary evaporation temperature）具有显著的协同优化效应。合理的参数匹配可降低排气温度，提高制热能力和性能系数（Coefficient of Performance, COP）。该案例在?25 °C极低温度下通过5区工况控制实现了稳定制热和高效全周期运行，与燃煤锅炉相比CO₂减排率达99.7%，充分验证了其在严寒地区的适用性，并为清洁供暖改造提供了参考。

在全球能源结构转型和“双碳”目标推进的背景下，建筑供暖清洁化成为关键需求。空气源热泵（ASHP）凭借高能效比和零污染物排放的优势，成为核心支撑技术。然而，传统ASHP在高海拔超低温环境中面临压缩比过高、排气温度过高、制热能力和效率严重衰减等瓶颈，尤其在青藏高原这类极端气候区，现有研究多集中于平原或低海拔寒冷地区，缺乏对增强蒸气喷射（EVI）热泵在高原低气压、超低温环境下性能演变规律和参数耦合机制的系统分析，且缺少全周期定量评价案例。为此，研究人员开展了本研究，旨在建立适应高海拔低压环境的EVI热泵准两级压缩热力学模型，揭示其参数协同优化效应，并通过工程案例验证其适用性。论文发表在《Cleaner Energy Systems》。

研究人员开展了以下研究：建立了准两级压缩热力学模型，耦合MATLAB与REFPROP 9.1进行求解，引入高海拔低压环境修正（空气侧换热系数修正因子和风机功率修正因子），并采用基于压比的变等熵效率模型。通过模型验证与文献对比，相对偏差小于10%。在此基础上，以青海省兴海县（海拔约3300 m）一商业综合体为应用对象，进行全周期（5088小时，5区工况控制）定量分析，对比燃煤锅炉、天然气锅炉等方案的环境效益。主要关键技术方法包括：准两级压缩热力学模型（含高海拔低压修正）、顺序迭代法结合二分法求解、变等熵效率模型（基于R410A压缩机实验数据拟合）、5区工况控制策略（根据室外温度分区设定喷射比和辅助蒸发温度）。

研究结果如下：
**5. 结果与讨论**：通过不同变量维度分析，揭示了喷射比（α）和辅助蒸发温度（T_eva,i）对系统性能的协同影响。在固定主回路蒸发温度?20 °C、冷凝温度60 °C、环境温度?25 °C条件下：排气温度随α增大而持续降低（降低大于5 °C），随T_eva,i升高而下降（高α时更显著）；压缩机功耗随α增大而上升，随T_eva,i升高而下降，两者存在协同效应；制热能力随α增大线性上升（提升近20%），随T_eva,i升高缓慢下降；COP随α增大而上升（最高提升6%），随T_eva,i升高而上升（仅α=0.05时先降后升）。敏感性分析表明，流动阻力和换热器热损失会导致COP降低约3%～7%，但定性规律不变。

**6. 案例研究**：以青海兴海县商业综合体（总面积121,186.56 m2，海拔约3300 m）为对象，采用5区工况控制策略（T_out＜?15 °C时α=0.3，T_eva,i=?15 °C；?15 °C至?7 °C时α=0.2，T_eva,i=?10 °C；?7 °C至2 °C时α=0.1，T_eva,i=0 °C；2 °C至10 °C时α=0.05，T_eva,i=10 °C；＞10 °C时正常热泵运行）。全周期（212天）实现?25 °C极低温度下稳定制热，压缩机总功耗约790,580 kW·h，总电费约471,269元。环境效益分析显示，与燃煤锅炉相比，一次能源节约率达56.43%，CO₂减排率高达99.7%，且SO₂、NO_x、烟尘排放降至近零，极低温条件下服务寿命15～20年，设备可回收率超85%。

**讨论部分**：研究讨论了模型假设（稳态、忽略流阻、等熵效率恒定）带来的偏差（约3%～6%），以及建筑热负荷模型忽略围护结构蓄热导致峰值负荷高估10%～12%的影响，但这些偏差不改变核心结论。研究结果可推广至其他严寒地区，通过修正边界条件实现。未来将引入瞬态模拟模型，结合现场实测数据进行全周期动态优化，并探索新型制冷剂和循环结构改进。

**结论部分翻译**：
（1）增强蒸气喷射技术有效突破了常规空气源热泵在高海拔超低温环境中的应用瓶颈，从根本上缓解了传统机组在极端低温制热工况下压缩比过高、排气温度过高、性能急剧衰减的核心问题。
（2）EVI空气源热泵系统的核心运行参数表现出显著的协同优化效应。在典型?25 °C极低温条件下，合理参数匹配（喷射比从0.05增至0.30）可将压缩机排气温度降低超过5 °C，制热能力提升近20%，COP最高提升6%，在保证机组安全的同时充分释放系统低温性能潜力。
（3）基于全周期特性的精细化分区运行控制策略使系统在?25 °C极低温下实现稳定制热和高效运行。应用于青海兴海工程案例，该策略实现全供暖季电费约47万元，运行经济性优良，对类似高海拔严寒地区项目具有可复制的参考价值。
（4）与传统燃煤锅炉方案相比，该系统在全供暖周期内CO₂减排率高达99.7%，碳减排效果极为显著，低碳优势突出。