制冷原理

制冷原理 / Principles of Refrigeration

暖通研发最核心的专业知识。涵盖蒸气压缩制冷循环、压焓图、关键参数、能效指标与多种循环变型。

4.1 蒸气压缩制冷循环 4 个过程

过程	英文	位置	状态变化	主要部件
压缩	Compression	1 → 2	低压气 → 高压气（升温）	压缩机
冷凝	Condensation	2 → 3	高压气 → 高压液（放热）	冷凝器
节流	Expansion	3 → 4	高压液 → 低压液气混合物	膨胀阀
蒸发	Evaporation	4 → 1	低压液气 → 低压气（吸热）	蒸发器

4.2 压焓图 Pressure-Enthalpy (log p-h) Diagram

制冷剂研发的”地图”。横轴：比焓 h (kJ/kg)；纵轴：压力 p (MPa，对数坐标)。

• 饱和区 Saturation Region / Dome：钟形区域，区内气液共存
• 临界点 Critical Point：钟形顶端，气液不分
• 等温线 Isotherms：饱和区内水平，等压
• 等熵线 Isentropes：垂直向上（理想压缩过程）
• 循环矩形：压缩 → 冷凝 → 节流 → 蒸发 4 个状态点构成
• 过冷区 Subcooled Liquid、过热区 Superheated Vapor

4.3 关键参数 Key Operating Parameters

• 蒸发温度 T_evap Evaporating Temperature：比被冷却对象低 5-10℃（常规空调）/ 8-12℃（低温工况）。冷水机组通常 5-7℃。
• 冷凝温度 T_cond Condensing Temperature：比冷却介质高 5-10℃。风冷 +10-15℃；水冷 +5-7℃。
• 过热度 SH Superheat：吸气温度 - 蒸发温度（对应饱和温度）。常规 5-10℃，保护压缩机不进液。
• 过冷度 SC Subcooling：冷凝温度 - 液体温度。常规 3-8℃，提升制冷量。
• 压比 PR Pressure Ratio：p_discharge / p_suction。涡旋 PR≤8；螺杆 ≤12；活塞 ≤10。
• 吸气过热度 SS Suction Superheat、排气温度 T_dis Discharge Temperature。

4.4 性能指标 Performance Metrics

COP = Q_evap / W_comp   (Coefficient of Performance)

家用空调 COP 3.0-4.5；空气源热泵制热 COP 2.5-4.0；冷水机组 COP 4.5-6.5；地源热泵 COP 4.0-6.0；一级能效 COP 高于 3.4（GB 21454-2021）。

EER = Q_evap (BTU/h) / W_comp (W)

能效比 Energy Efficiency Ratio，北美惯用 BTU/h 制。注意 ≠ COP（数值差 0.86 倍）。

IPLV = Σ(q_i × COP_i × t_i) / Σ(q_i × t_i)

综合部分负荷值 IPLV。冷水机组关键指标，AHRI/ASHRAE 550/590 测试。一级能效要求 IPLV ≥ 5.5（GB 19576）。

SCOP / APF (全年能源消耗效率)

Seasonal COP / Annual Performance Factor，考虑全年不同负荷、气候区的综合能效。多联机与家用空调使用 APF（中国 GB 21455-2019）与 SEER（北美）。

HSPF / SCOP_heating (制热季节性能系数)

北美 HSPF = 总制热量 / 总耗电量；欧洲 SCOP 区分低温/中温气候区。

4.5 主要循环变型 Cycle Variants

• 基本循环 Basic Vapor Compression Cycle
• 带液体过冷的循环 Cycle with Liquid Subcooling：过冷提升 Q_evap
• 带回热的循环 Cycle with Suction-Line Heat Exchanger：增加 SH 防液击，COP 略降
• 经济器循环 / 中间冷却 Economizer Cycle / Flash Gas Bypass：板换过冷，提升容量与 COP（多联机常用）
• 喷气增焓 EVI / Vapour Injection Enhanced Vapour Injection：低温热泵核心，制冷量提升 10-20%
• 两级压缩 Two-Stage Compression：压比大时降低排气温度、提升 COP
• 复叠系统 Cascade：高温级 + 低温级串联，用于 -40℃ 以下
• 跨临界 CO₂ 循环 Transcritical CO₂ Cycle：高压侧在临界点之上

研发应用

• 系统选型 System Sizing：在 p-h 图上画循环，看 COP 是否达标
• 故障诊断 Fault Diagnosis：实测吸排气压力 → 对照 p-h 图判断合理性
• 改进设计 Design Improvement：增大过冷度 → Q_evap↑；减小压比 → W_comp↓
• 变频策略 Variable Speed Strategy：随负荷下降，降低压缩机转速（变频）、降低冷凝温度（变水量）
• EVI 喷气增焓：低温 -15℃ 工况制热量提升 15-25%
• 低压腔压缩机 Low-Side Shell Compressor：吸气过热度小，壳体内冷却更好，热泵常用

Concepts Referenced

蒸气压缩循环, p-h图, COP, EER, IPLV, 喷气增焓, 过热度, 过冷度

Entities Referenced

压缩机, 冷凝器, 蒸发器, 电子膨胀阀, R134a, R410A, R32, R744

Notes

张子慧《制冷原理与设备》、Stoecker《Industrial Refrigeration》。必须会用 p-h 图，建议打印一张常用制冷剂（R410A/R32/R134a/R290/R744）的 p-h 图贴在工位。

2024-2026 标准提示:ASHRAE 90.1-2025 / EU F-Gas 2024/573 / AIM Act 2025 / GB 19576。详见 暖通-2026更新 与 hvac-quick-ref。