1概述空气源热泵作为高效节能装置被广泛应用于建筑环境冷热舒适调节。随着环境温度降低，空气源热泵会出现压缩机排气温度升高、制热量急剧衰减甚至不制热的问题[1]，严重影响空气源热泵的制热可靠性。空气源热泵如何满足高出水温度、提供高品质热源成为热泵领域研究的热点，有必要开展空气源热泵低环境温度适应、高出水温度制热的研究。压缩机的相关研究逐渐成熟，喷入制冷剂（喷液冷却和补气增焓）成为空气源热泵制热性能提升的可靠途径[2]。杨文军[3]等在制冷剂喷入式空气源热泵的排气温度控制试验中指出，喷液和补气在提升热泵制热性能方面具有各自的优势，低环境温度适应性好。马麟[4]等针对低环境温度热泵开发了喷液冷却和喷气增焓R410A涡旋压缩机，对二者的技术特点进行了对比，指出制冷剂喷入技术可以提高热泵低环境温度工况制热量及制热性能。禹志强[5]等借助补气增焓和喷液冷却低环境温度空气源热泵，开展了出水温度为45 ℃、环境温度为-25~21 ℃的制热对比试验，喷液冷却热泵更适合被应用于较高出水温度情况，补气增焓热泵在低温区域更具优势。蔡志敏[6]等对比了喷气增焓和喷液冷却热泵的热力学差异，研究出水温度为41 ℃、环境温度为-30~10 ℃时热泵的制热性能，制冷剂喷入压缩机能够显著提升空气源热泵的制热性能。现有研究表明制冷剂喷入技术能够有效提升低环境温度空气源热泵的制热性能，抑制热泵制热量衰减，但数值模拟和试验研究多围绕制冷剂喷入式空气源热泵低环境温度变化开展，高出水温度（50 ℃以上）的相关试验较少，尤其是喷液冷却技术的应用。开展低环境温度下喷液冷却空气源热泵高出水温度试验测试，验证喷液冷却技术应用于低环境温度、高出水温度空气源热泵的制热可靠性，探究高出水温度制热的运行特性。2喷液冷却式空气源热泵系统运行原理引入喷液冷却技术使压缩机压缩过程由“单级压缩”变为“准二级压缩”，喷入压缩机的液体制冷剂在降低压缩机排气温度的同时显著提升了系统的制热量。喷液冷却式空气源热泵的系统原理图和p-h关系曲线如图1、图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.012.F001图1喷液冷却式空气源热泵10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.012.F002图2喷液冷却式空气源热泵p-h关系曲线由图1可知，喷液冷却式空气源热泵系统运行时，冷凝器出口处的高压制冷剂液体（点5）被分为主、辅两路，主路经过电子膨胀阀节流降压为低压制冷剂液体（点6），进入蒸发器与空气换热，低压制冷剂液体（点6）吸热蒸发为低温低压制冷剂气体（点1），进入压缩机被压缩；辅路经过电磁阀在喷液电子膨胀阀处节流降压为中压制冷剂液体（点5'），被喷入压缩机，冷却来自蒸发器的已被压缩的制冷剂气体，混合后的制冷剂气体（点3）继续被压缩为高温高压制冷剂气体（点4），高温高压制冷剂气体（点4）进入冷凝器放热凝结，完成空气源热泵制热循环。压缩机排气出口处设置温度传感器，温控器通过感知压缩机的排气温度调节喷液电子膨胀阀的开度，防止压缩机排气温度过高。3试验装置与测试方法喷液冷却式空气源热泵以R410A为制冷剂，主要由喷液式压缩机、壳管式换热器、板翅式换热器、电子膨胀阀、喷液电子膨胀阀等组成。喷液冷却式空气源热泵的主要配置参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.012.T001表1喷液冷却式空气源热泵的主要配置参数项目说明工况蒸发温度/℃3.0 ℃冷凝温度/℃50.0 ℃过冷度/过热度/℃5.0 ℃系统组成压缩机PSH030（12HP），两台。冷凝器干式壳管换热器蒸发器板翅换热器，内螺纹换热管。风机参数风量13 000 m3/h，风机电机功率0.75 kW，两台。节流装置UKV-32电子膨胀阀为了探究喷液冷却技术对空气源热泵低环境温度、高出水温度制热性能的影响，搭建喷液冷却式空气源热泵测试样机，在不同环境温度（2 ℃、-10 ℃、-20 ℃）下进行样机变出水温度（45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃）试验。除了测试样机预设测点布置外，主要测量压缩机排气出口制冷剂的温度值和压力值、壳管式冷凝器热媒水进口温度值和流量值以及出口温度值、测试样机输入功率（压缩机、风机、水泵的总功率）。试验待测物理量与仪器参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.012.T002表2试验待测物理量与仪器参数物理量单位测量仪器仪器精度/%压缩机排气温度℃Pt100铂电阻±0.1压缩机排气压力kPa压力传感器±0.2壳管式换热器进/出口水温℃Pt100铂电阻±0.1热媒水流量m3/h孔板式流量计±0.5功率W电功率计±0.5根据样机测量各物理量值可以明晰不同环境温度下喷液冷却式空气源热泵变出水温度的制热特性，进而优化热泵。热泵制热量Q为：Q=qvρ(Cp,ttout-Cp,ttin) (1)热泵系数COP为：COP=QW (2)式中：qv——壳管式换热器进口热媒水的体积流量，m3/s；ρ——热媒水进、出口平均温度下的密度值，kg/m3；Cp,t——t温度时的定压比热容，kJ/(kg·℃)；tout——壳管式换热器热媒水出口温度，℃；tin——壳管式换热器热媒水进口温度，℃；W——样机的总功率（含压缩机、风机、水泵的能耗功率）。4结果与分析不同环境温度下的实测进、出水温度工况如表3、表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.012.T003表3不同环境温度下的实测进水温度工况理论环境温度实测环境温度理论出水温度4550556021.9~2.339.944.748.254.9-10-9.5~-9.739.345.250.154.7-20-19.5~-19.839.845.750.6—℃10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.012.T004表4不同环境温度下的实测出水温度工况理论环境温度实测环境温度理论出水温度4550556021.9~2.343.849.152.959.1-10-9.5~-9.744.248.953.958.5-20-19.5~-19.844.148.854.0—℃压缩机排气温度随环境温度、出水温度的变化关系如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.012.F003图3压缩机排气温度随环境温度、出水温度的变化关系由图3可知，压缩机排气温度随出水温度的升高呈上升趋势，相同出水温度下，环境温度为-20 ℃的压缩机排气温度依次高于-10 ℃、2 ℃的压缩机排气温度。压缩机排气温度随热泵蒸发温度/冷凝温度的差值增大而增大，分析认为热泵循环温差增大，对应的循环压比增大，压缩机排气压力升高，随之对应的排气温度升高。环境温度在-20 ℃、出水温度在55 ℃的压缩机排气温度为115.2 ℃，低于R410A制冷剂的压缩机排气上限温度(125 ℃)，表明喷液冷却空气源热泵具备制热安全可靠性，循环温差大于75 ℃的低环境温度、高出水温度工况下热泵可运行。热泵制热量随环境温度、出水温度的变化关系如图4所示。随着出水温度的升高，热泵制热量总体呈现下降的趋势，环境温度为2 ℃的制热量明显高于-10 ℃、-20 ℃的制热量，表明热泵循环温差是影响热泵制热量的主要因素。环境温度降低和冷凝侧出水温度升高均会导致热泵制热量减小，环境温度降低引起热泵蒸发温度的降低，出水温度升高对应冷凝温度升高，单位质量、体积的制冷量减小，导致蒸发侧吸热量减小，引起热泵制热量降低。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.012.F004图4热泵制热量随环境温度、出水温度的变化关系功率消耗随环境温度、出水温度的变化关系如图5所示。热泵功率消耗随出水温度的升高而增加，环境温度在-20 ℃的功率消耗依次高于2 ℃、-10 ℃的功率消耗，表明环境温度的降低会导致热泵功耗增加，随着出水温度升高，热泵功率消耗增加明显。冷凝器出水温度的升高对应冷凝温度和冷凝压力升高，热泵循环压比增大，压缩机的单位耗功增加，进而导致热泵总功率消耗增加。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.012.F005图5功率消耗随环境温度、出水温度的变化关系COP随环境温度、出水温度的变化关系如图6所示。热泵COP值随出水温度的升高而降低，环境温度在2 ℃的COP值依次高于-10 ℃、-20 ℃的COP值，表明环境温度的降低和出水温度的升高均会减小热泵COP值。环境温度越低，热泵COP值随出水温度升高的减小越为明显。热泵COP值受热泵制热量和功率消耗的综合影响，环境温度降低和出水温度的升高均会导致热泵制热量的减小，COP值减小，热泵循环温差受环境温度降低或出水温度升高的影响而增大，从逆卡诺循环角度分析，条件不利于循环进行，COP值减小。环境温度为-20 ℃、出为水温度55 ℃（循环温差大于75 ℃）时的COP值为1.275，表明喷液冷却空气源热泵具备低温适应高出水制热可靠性。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.012.F006图6COP随环境温度、出水温度的变化关系5结语（1）压缩机排气温度和热泵功率消耗随出水温度的升高而升高，室外温度-20 ℃、出水温度55 ℃工况下压缩机排气温度115.2 ℃低于R410A的排温上限125 ℃，喷液冷却空气源热泵具有制热安全可靠性。（2）热泵制热量随出水温度的升高呈现下降的趋势，环境温度降低导致热泵制热量减少。（3）环境温度降低和出水温度升高均会导致热泵COP值降低。环境温度越低，热泵COP值随出水温度升高的降低趋势越明显，室外温度-20 ℃、出水温度55 ℃工况的COP值为1.275，喷液冷却空气源热泵具有低温适应高出水制热可靠性。