低溫環境下提升熱泵效率 - 噴氣增焓
低溫環境下熱泵制熱量顯著降低，效率降低，制熱需求卻隨著溫差加大上升，導致制熱量不足。更需要熱量的時候，卻是熱泵表現變差的時候，這是制約熱泵在純電動車上應用的一個重要。研究能在低溫環境下提升熱泵效率的技術，對熱泵在純電動車上的普及有巨大推動作用。噴氣增焓（vapor injection），就是經常被提起的一項相關技術。
噴氣增焓大致可分為兩種：使用內部熱交換器（internal heat exchanger，IHX）和使用閃蒸器（flash tank，就是個氣液分離器）。效率提升原理很相似，實現過程不同。據說使用內部熱交換器的設計製冷劑流量控制更容易實現。
下圖是使用內部熱交換器的噴氣增焓循環壓焓圖。從冷凝器出來的液態製冷劑被分出很小的一股，在經過膨脹閥降壓之後變成兩相（5-7），然後在內部熱交換器中與從冷凝器流出的製冷劑主流進行熱交換。由於事先進行了降壓，在7這個點的製冷劑溫度比5要低，於是經過換熱之後，那一股小的製冷劑被氣化，其後注入（injection）到壓縮機中與壓縮機中已經完成第一級壓縮（壓強相同）的製冷劑（溫度更高）混合至中間溫度（3這個點），再一同進行下一級壓縮；製冷劑的主流得到了更低的溫度更高的過冷度（5-6）。兩級壓縮的過程可以由兩個壓縮機完成，也可以由特製的渦旋壓縮機（scroll compressor）獨立完成。兩種實現方法本質一樣，用一個壓縮機自然成本更節省，代價可能是效率的一點損失。
噴氣增焓實現效率提升主要在如下幾個方面：
- 減少壓縮機做功，壓縮機出口溫度降低。沒有vapor injection，壓縮機的壓縮過程在壓焓圖上得沿著圖2的1-2這個方向繼續向右上延伸，而非現在第二級的3-4。從2出發升高同樣的壓強，相比從3出發氣體溫度更高，需要做功更多。本質上，vapor injection使得循環更貼近卡諾循環，減少了溫差帶來的損失，工程實現上壓縮機的效率也會更高。同時，7-8這一股小的製冷劑流量，先是把自身本可以貢獻的製冷量給了5-6這一股製冷劑主流（沒有被浪費），在實現自身價值變成氣態後（氣態製冷劑對製冷量貢獻接近0）直接注入壓縮機，沒有先膨脹到低壓（蒸發器壓強）再壓縮回來的過程，壓縮機第一級只需要壓縮更少的流量，這也是節省壓縮機做功的原因。
- 提升換熱效率。不管是使用flash tank還是IHX，進入到換熱器的製冷劑蒸汽量（vapor quality）更低，可能可以減輕製冷劑在某些換熱器中的分佈不均問題以及減少換熱器dryout更有效利用換熱面積，獲得更高換熱效率，換熱器壓降也會減少。不過主要的效率提升貢獻應該還是來源於1。
本質上說，噴氣增焓是一種提升製冷制熱循環效率的方法，應用和好處並不單單侷限於低溫環境下對熱泵效率的提升，在其他工況下也對效率有幫助；但是一般在越是低溫的環境下，噴氣增焓帶來的系統表現提升幅度更大（當然主要也是因為基數比較低）。根據 Wang et al. (2008)在11kW 家用R410A熱泵上的實驗結果，在室外環境溫度為-17.8°C的情況下，使用噴氣增焓可以提升制熱量約30%，系統COP提升約20%。在室外環境溫度為8.3°C的情況下，制熱量和COP也分別有約10%和5%的提升。
參考資料：
Kwon, C., Kim, M. S., Choi, Y., & Kim, M. S. (2017). Performance evaluation of a vapor injection heat pump system for electric vehicles. International Journal of refrigeration, 74, 138-150.
Navarro, E., Redón, A., Gonzálvez-Macia, J., Martinez-Galvan, I. O., & Corberán, J. M. (2013). Characterization of a vapor injection scroll compressor as a function of low, intermediate and high pressures and temperature conditions.International journal of refrigeration,36(7), 1821-1829.
Jain, Siddharth; Jain, Gaurav; and Bullard, Clark W., "Vapor Injection in Scroll Compressors" (2004). International Compressor Engineering Conference. Paper 1642.
Jang, Yonghee; Lee, Eungyeol; Chin, Simon; and Ha, Samchul, "Effects of Flash and Vapor Injection on the Air-to-Air Heat Pump System" (2010). International Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 1138.
Wang, Xudong; Hwang, Yunho; and Radermacher, Reinhard, "Performance Investigation of Refrigerant Vapor-Injection Technique for Residential Heat Pump Systems" (2008). International Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 901.
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