双级压缩变容积比空气源热泵技术与应用

格力电器首次提出了在单台滚动转子式压缩机上实现变容积比的双级压缩技术，成功研发出了世界上首台三缸双级变容积比滚动转子式压缩机，并实现了产业化。本书内容涵盖原理剖析、设计实现以及经典案例，是格力电器多年该技术领域成果的展示。 

空气源热泵主要用于建筑采暖，具有环保、节能和舒适等优势，但传统的单级压缩空气源热泵因环境温度适应性差而难以向寒冷及严寒建筑气候区推广使用。双级压缩变容积比空气源热泵突破了传统空气源热泵的技术障碍，环境温度适应性得到显著提高，非常适用于寒冷及严寒地区分散式清洁供暖。本书是双级压缩变容积比空气源热泵技术研究和应用成果的总结，采用理论与实践相结合的方式，系统地介绍了双级压缩变容积比空气源热泵技术的基本原理、三缸双级压缩变容积比滚动转子式制冷压缩机的工作原理和设计方法、热泵系统运行控制策略，以及多种类型低温空气源热泵产品的系统实现方法和变工况性能比较等方面的内容。

黄辉，1963生，教授级高级工程师。现任珠海格力电器股份有限公司执行总裁，华中科技大学兼职教授及博士后合作导师，中国制冷学会副理事长，广东省制冷学会副理事长，广东省轻工业协会副理事长，国际制冷学会B2委员会委员等。
入选“国家百千万人才工程”、“广东特支计划杰出人才（南粤百杰）”，并被授予“国家有突出贡献中青年专家”称号，享受国务院政府特殊津贴。先后荣获 “广东省五一劳动奖章”、“全国五一劳动奖章”等荣誉。
长期从事制冷和热泵、压缩机、电机等领域的研究工作，主持、参与了国家科技支撑计划、国家火炬计划等9项课题。曾获国家科学技术进步二等奖、广东省科学技术特等奖、广东省科学技术一等奖、中国制冷学会技术发明特等奖、中国专利奖、广东省专利金奖等奖项。

前言
第１章　概论１
　１.１　空气源热泵的组成及类型２ 　
　１.１.１　空气源热泵的组成２
　　１.１.２　空气源热泵的类型２
　１.２　空气源热泵存在的问题与现状４
　　１.２.１　空气源热泵存在的问题４
　　１.２.２　空气源热泵制热量衰减分析５ 　
　１.２.３　低温空气源热泵技术方案６
　　１.２.４　制热除霜方法１１
　１.３　双级压缩变容积比空气源热泵技术１４ 　
　１.３.１　现有空气源热泵技术的局限１４
　　１.３.２　双级压缩变容积比空气源热泵技术１５
　参考文献１７
第２章　双级压缩变容积比热泵循环的理论及计算分析１８
　２.１　蒸汽压缩式热泵循环基础知识１８
　　２.１.１　逆卡诺循环１８ 　
２.１.２　蒸汽压缩热泵循环１９
　２.２　双级压缩热泵循环方式及基本原理２５
　　２.２.１　双级压缩中间补气热泵循环的实现方式２５
　　２.２.２　双级压缩二级节流中间不完全冷却循环的基本原理２８
　２.３　双级压缩热泵循环的热力特性分析２９ 　
　２.３.１　双级压缩循环的理论模型及计算方法２９
　　２.３.２　容积比的计算及分析３３
　　２.３.３　双级压缩循环热力参数影响分析３７
　　２.３.４　容积比对双级压缩循环影响分析４３
　　２.３.５　双级压缩循环制冷剂物性影响分析４５
　　２.３.６　双级压缩循环中间补气带液影响分析４８
　　２.３.７　双级压缩循环中间压力和温度４８
　２.４　双级压缩变容积比压缩机的容积比确定５１

　　２.４.１　双容积比的确定５２
　　２.４.２　双级压缩变容积比压缩机气缸工作容积的确定６２
　２.５　双级压缩循环中间压力的理论分析６２
　　２.５.１　无中间补气时的中间压力６３
　　２.５.２　补气对中间压力的影响６６
　　２.５.３　中间压力与补气参数的关系分析６８
　参考文献７０
第３章　三缸双级压缩变容积比滚动转子式制冷压缩机７１
　３.１　滚动转子式制冷压缩机的工作原理及特点７１
　　３.１.１　压缩机构７２ 　
　３.１.２　工作过程７３
　　３.１.３　特点７５
　３.２　双级压缩变容积比压缩机的工作原理及结构７６
　　３.２.１　工作原理及容积比切换的方法７６
　　３.２.２　双级压缩变容积比压缩机的结构７９
　３.３　热力性能计算８３
　　３.３.１　气缸工作腔容积与工作压力８３
　　３.３.２　气缸容积效率及其影响因素８６
　　３.３.３　压缩机的容积效率９０
　　３.３.４　压缩机的输气量９１
　　３.３.５　指示功和功率９２
　３.４　运动机构的动力学分析９６ 　
　３.４.１　气缸运动机构的运动及受力分析９６
　　３.４.２　偏心轮轴的受力分析１０７
　　３.４.３　总阻力矩１１０
　　３.４.４　转子的动平衡１１２
　３.５　主要结构参数１１７
　　３.５.１　气缸的结构参数１１７
　　３.５.２　结构尺寸１１８
　３.６　润滑及影响因素１２０
　　３.６.１　润滑油的作用和要求以及选择方法１２０
　　３.６.２　排油及控制方法１２５
　　３.６.３　回油及控制方法１２８
　　３.６.４　回液的危害及控制措施１３０
　参考文献１３７
Ⅵ
双级压缩变容积比空气源热泵技术与应用
第４章　系统控制的基本原理１３９
　４.１　节流模块控制方法１４０
　　４.１.１　双级压缩一级节流中间不完全冷却热泵系统的节流控制方法１４１
　　４.１.２　双级压缩二级节流中间不完全冷却热泵系统的节流控制方法１４５
　４.２　压缩机模块的控制１５８ 　
　４.２.１　起动阶段的控制策略１５８
　　４.２.２　运行阶段的控制策略１６２
　　４.２.３　除霜运行控制策略１６７ 　
　４.２.４　回油运行控制策略１６９
第５章　低温空气源热泵系统优化分析１７１
　５.１　电子膨胀阀的优化分析１７１ 　
　５.１.１　电子膨胀阀通用流量关系式１７１
　　５.１.２　双级压缩二级节流用一、二级电子膨胀阀优化１７２ 　
　５.１.３　双级压缩一级节流用主、支路电子膨胀阀优化１７５
　５.２　换热器的优化分析１７７
　　５.２.１　制冷剂物性分析１７７
　　５.２.２　翅片管换热器的仿真分析１７８
　５.３　吸气管的优化分析１８１ 　
参考文献１８５
第６章　低温空气源热泵空调１８６ 　
６.１　分体式热泵型房间空调器１８６
　　６.１.１　系统方案１８６ 　
　６.１.２　循环系统控制策略１８７
　　６.１.３　性能对比分析１９２
　６.２　侧出风低温空气源多联式热泵机组１９９
　　６.２.１　系统方案２００ 　
　６.２.２　循环系统控制策略２０１
　　６.２.３　性能对比分析２０２
　６.３　上出风低温空气源多联式热泵机组２０６
　　６.３.１　系统方案２０６
　　６.３.２　系统配置２０７ 　
　６.３.３　循环系统控制策略２０７
　　６.３.４　性能对比分析２１３
　６.４　模块化低温空气源多联式热泵

空气源热泵主要用于建筑采暖，具有环保、节能和舒适等优势，但传统的单级压缩空气源热泵因环境温度适应性差而难以向寒冷及严寒建筑气候区推广使用。
十多年来，著者所领导的团队致力于双级压缩空气源热泵技术的研究和应用。
先后完成了中间补气双缸双级压缩、三缸双级压缩和单／双级压缩切换滚动转子式制冷压缩机等多项技术的研究工作，并将这些技术应用于低温空气源热泵系统中，在－２０℃的低温环境下，热泵制热量与单级压缩空气源热泵相比可提高４０％左右，开发的低温空气源热泵产品在寒冷地区得到了广泛应用，并参与中国北方多地的煤改电采暖改造工程，获得了良好的社会效益和经济效益。
在上述研究成果的基础上，著者于２０１３年提出了在单个压缩机上实现三缸双级压缩变容积比空气源热泵技术方案，经过几年的研究和产品开发，已经形成了系列化产品。这一技术方案与双级压缩空气源热泵技术相比，具有更高的低温热泵制热量和制热性能系数，适用于寒冷及严寒地区。目前，采用三缸双级压缩变容积比空气源热泵技术的产品已经在中国北方、北美以及蒙古乌兰巴托等严寒地区投入实际使用，并经过了－４０℃的低环境温度考验，其热泵制热量完全满足了用户的热量需求。
实际结果表明，三缸双级压缩变容积比空气源热泵技术突破了传统空气源热泵技术障碍，环境温度适应性得到显著提高。基于三缸双级压缩变容积比滚动转子式制冷压缩机的空气源热泵是一种应用于寒冷及严寒地区分散式清洁供暖极具优势的技术。
本书是双级压缩变容积比空气源热泵技术研究和应用成果的总结，采用理论与实践相结合的方式，系统地介绍双级压缩变容积比空气源热泵技术的基本原理、三缸双级压缩变容积比滚动转子式制冷压缩机的工作原理和设计方法、热泵系统运行控制策略，以及多种类型低温空气源热泵产品的实现方法和性能比较等方面的内容。
本书可供从事空气源热泵技术研究、产品开发与推广应用的科研人员、工程技术人员、能源管理与政策研究人员使用，也可供高等学校能源动力相关专业本科生、研究生参考使用。
全书共分为７章，第１章由黄辉、梁祥飞、郑波写作，第２章由梁祥飞、黄辉写作，第３章由黄辉写作，第４章由赵桓、黄辉、张有林写作，第５章由梁祥飞、黄辉写作，第６章由黄辉、赵桓写作，第７章由黄辉、林海佳写作。全书由黄辉统Ⅲ稿修订。
感谢吴健、谭锋、胡强、尚瑞、刘彩赢、庄嵘、沈军、胡余生、魏会军、杨欧翔、史正良、徐嘉、罗惠芳、林金煌等同事在写作、校对和实验数据提供方面给予的帮助。感谢所有参与本技术的研究人员和产品开发人员，是他们的努力使这项技术能够迅速地由设想变成产品投放市场。
同时，感谢清华大学江亿院士、杨旭东教授及其领导的团队，他们对用户使用情况进行了长期的跟踪测试，并多次在国际、国内学术会议上介绍和推广这一技术。感谢美国科学院院士、加州大学伯克利分校全球环境与健康学院ＫｉｒｋＳｍｉｔｈ教授，是他促成了双级压缩变容积比空气源热泵技术在蒙古乌兰巴托的应用，以解决当地燃煤采暖带来的空气质量问题。
书中引用了国内外热泵和压缩机等方面的文献资料，在此向相关作者表示感谢。
由于水平有限，书中的不妥之处，欢迎批评指正。
黄辉２０１８年５月