单级压缩式热泵系统在冬季环境温度低时,系统的压缩比过大、容积效率降低、性能系数下降。双级压缩式热泵系统性能要优于单级压缩式热泵系统,但在环境温度低于-25℃时,双级压缩热泵系统的性能系数趋近于1,制热效果差。复叠式热泵系统的性能要优于双级压缩式热泵系统,在环境温度低于-25℃时,复叠式热泵系统仍保持高效运行,因此在低环境温度下高效运行的复叠式热泵系统具有很好的发展前景。本课题采用理论分析和实验研究的方法,对复叠式热泵系统在低环境温度下的制热性能进行了研究。理论研究的主要内容为:通过热力循环对复叠式热泵系统进行热力学分析,得到在不同环境温度以及中间温度下,系统各项性能参数的变化规律。结果表明:当环境温度升高时,系统蒸发温度升高,制热系数也随之增大;当蒸发温度、冷凝温度一定时,随着中间温度的升高,系统制热系数呈现先增大后减小的变化趋势,因此,当运行工况发生变化时,需改变高低温级制冷剂流量比,调节系统中间温度,使系统在最佳COP下稳定运行,中间温度的改变是通过调节压缩机频率以及系统制冷剂流量实现的。在设备选型时,高低温级压缩机选用变频压缩机,以R410A制冷剂为高低温级工质,并且在实验中是以高温级蒸发温度作为复叠式热泵系统的中间温度进行研究,实验结果如下:(1)在冷凝温度以及高低温级压缩机频率一定的工况下,环境温度的变化范围是-30℃~-24℃,当环境温度升高时,低温级压缩比降低的幅度依次是5.3%、3.1%、2.8%,高温级压缩比降低的幅度依次是5.9%、3.8%、2.6%,低温级压缩比降低的幅度要小于高温级压缩比降低的幅度,并且复叠式热泵系统中间温度是逐渐升高的,中间换热温差的变化依次是5.1℃、4.8℃、4.6℃、4.5℃,复叠式热泵系统的中间换热温差随环境温度的升高逐渐减小。(2)在蒸发温度和冷凝温度一定的工况下,固定高温级压缩机频率,低温级压缩机频率变化范围是50Hz~80Hz,系统的中间换热温差在4.5℃左右,高温级压缩比变化范围是3.92~3.71,低温级压缩比变化范围是4.41~4.67。固定低温级压缩机频率,高温级压缩机频率变化范围是50Hz~80Hz,系统的中间换热温度差在5.1℃左右,高温级压缩比变化范围是3.88~4.01,低温级压缩比变化范围是4.54~4.45。低温级变频时系统制热系数要大于高温级变频时系统制热系数,因此低温级压缩机频率改变对系统性能的影响要优于高温级压缩机频率的改变。(3)在冷凝温度50℃,高温级压缩机频率一定的工况下,当蒸发温度一定时,随着低温级压缩机频率的增加,系统COP呈现先增加后减小的变化趋势;当系统在最佳频率下运行时,蒸发温度从-38℃增加到-32℃,最佳COP的增长幅度为7.7%、3.8%、1.8%,随着蒸发温度的升高,系统制热系数COP增长速度变缓;当蒸发温度升高时,系统在最优COP下运行的低温级压缩机最佳频率减小。综上所述,复叠式热泵系统解决了单级压缩和双级压缩式热泵系统在低环境温度下压缩比大、制热效果差、性能系数低的问题,并且系统在不同工况下,通过调节压缩机频率,改变高低温级制冷剂流量,在低环境温度下可实现高效、稳定的运行。