空氣源熱泵技術(shù)的應(yīng)用與設(shè)計實例

羅 強(qiáng) / 四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系

空氣源熱泵技術(shù)的應(yīng)用與設(shè)計實例

羅 強(qiáng) / 四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系

為了更好地了解我國空氣源熱泵方面的發(fā)展動態(tài),本文將對近年來我國關(guān)于空氣源熱泵的研究進(jìn)行分析,并在此基礎(chǔ)上指出空氣源熱泵所存在的問題及有待改進(jìn)的方向。最后通過工程實例分析，說明恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計是空氣源熱泵系統(tǒng)順利得以應(yīng)用的關(guān)鍵。

空氣源熱泵；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用

一、熱泵工作原理

一臺壓縮式熱泵裝置，主要有蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中或空氣中（如圖1所示）。

圖1

熱泵在工作時，把環(huán)境介質(zhì)中的能量QA在蒸發(fā)器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機(jī)耗電QB；通過工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進(jìn)行放熱QC，QC=QA+QB，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機(jī)做的功QB和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量QA；其制熱系數(shù)為εh=QC/ QB，可見εh值恒大于1。因此，采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量的電能。

熱泵的分類多種多樣，按與熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器換熱的介質(zhì)不同分類，熱泵可以分為：空氣源熱泵、地源熱泵、水源熱泵等等。

二、我國空氣源熱泵的研究現(xiàn)狀

空氣源熱泵是以空氣作為高溫(低溫) 熱源來進(jìn)行供熱(供冷)的裝置。相對于其它熱泵類型而言，我國對空氣源熱泵的研究起步較早，研究內(nèi)容也較多。以環(huán)境空氣作為低品位熱源，可以取之不盡，用之不竭。空氣源熱泵安裝靈活、使用方便、初投資相對較低，且比較適用于分戶安裝，這也就使得我國空氣源熱泵冷熱水機(jī)組市場空前繁榮，生產(chǎn)研制已經(jīng)比較成型，產(chǎn)品規(guī)格齊全，品牌繁多。隨著空氣源熱泵在我國應(yīng)用的日趨廣泛，了解我國空氣源熱泵的研究狀況對于后續(xù)研究而言具有重要的意義。

1、空氣源熱泵結(jié)霜、化霜問題的研究

由于空氣源熱泵冬季采用空氣作為熱源，所以，隨著室外溫度的降低，其蒸發(fā)溫度也隨之降低，蒸發(fā)器表面溫度隨之下降，甚至低于0 ℃。此時，當(dāng)室外空氣在流經(jīng)蒸發(fā)器被冷卻時，其所含的水分就會析出并依附于蒸發(fā)器表面形成霜層。結(jié)霜對熱泵是極其不利的，隨著霜層的形成，蒸發(fā)器傳熱熱阻增加，蒸發(fā)溫度下降，機(jī)組的性能下降，工況惡化，制熱量也將下降，這將嚴(yán)重影響壓縮機(jī)以及熱泵整體的性能。同時，除霜帶來的額外費(fèi)用還將降低空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性。盡管空氣源熱泵具有很多優(yōu)點，但受室外環(huán)境的限制也比較大，這也是空氣源熱泵目前僅在我國黃河以南地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用的主要原因。而在黃河以北地區(qū)，應(yīng)用空氣源熱泵則根據(jù)所處地區(qū)不同有其特殊要求。

結(jié)霜機(jī)理、化霜方法一直是空氣源熱泵研究與應(yīng)用中要解決的重點與難點。目前，有不少關(guān)于空氣源熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行狀況的研究，主要分析供熱時不同工況下空氣盤管表面濕空氣結(jié)霜、結(jié)露及干冷卻特性，并結(jié)合結(jié)霜過程進(jìn)行試驗和模擬，分析了迎面風(fēng)速、環(huán)境溫濕度、翅片間距、管排數(shù)等參數(shù)對結(jié)霜性能的影響及其可能產(chǎn)生的一系列后果。了解結(jié)霜機(jī)理的主要目的是要解決如何除霜的問題，傳統(tǒng)的除霜控制方法主要包括:定時除霜法、時間—溫度（壓力）法、空氣壓差控制除霜法、霜層傳感器控制除霜法、聲音震蕩器控制除霜法、最大平均供熱量控制除霜法、最佳除霜時間控制法等。近年來由于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將模糊控制技術(shù)引入空氣源熱泵除霜問題的研究，作為一項先進(jìn)可行的新技術(shù)，逐漸引起了人們的注意。這主要是因為空氣源熱泵結(jié)霜問題的影響是多因素、非線性的，而模糊控制技術(shù)的優(yōu)勢就是處理多維、非線性、時變問題。將模糊控制技術(shù)引入空氣源熱泵的除霜控制，通過對除霜過程的系統(tǒng)響應(yīng)分析，可以使除霜控制能夠自動適應(yīng)機(jī)組工作環(huán)境的變化，達(dá)到智能除霜的控制要求。此外，還有考慮環(huán)境工況變化的雙溫度傳感器智能化除霜控制方法等。`

2、空氣源熱泵節(jié)能問題的研究

?是對系統(tǒng)能的質(zhì)與量的綜合評價。對系統(tǒng)進(jìn)行?分析可以揭示出系統(tǒng)中?損失的部位、類型和數(shù)量，以便設(shè)法減少這些損失。通過?計算分析可知，壓縮功只有20%被利用，有80%被損失，其中，壓縮機(jī)?損失占30.7%，冷凝器占20.14%，蒸發(fā)器占17.15%，毛細(xì)管占10%。由此我們可以看出，空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能的主要部件是壓縮機(jī)，提高壓縮機(jī)本身的技術(shù)指標(biāo)，是提高整個系統(tǒng)?效率的關(guān)鍵，而冷凝器和蒸發(fā)器?優(yōu)化措施主要是設(shè)法降低傳熱溫差。當(dāng)然，系統(tǒng)的節(jié)能改進(jìn)與經(jīng)濟(jì)性是相互制約的，僅從能效進(jìn)行分析有一定的局限性。從這個角度出發(fā)，有關(guān)研究人員提出供熱最佳經(jīng)濟(jì)平衡點的概念，以期在此最佳經(jīng)濟(jì)平衡點溫度條件下， 整個供熱系統(tǒng)（熱泵+ 輔助熱源）的初投資與運(yùn)行費(fèi)最少，從而合理實現(xiàn)熱泵節(jié)能優(yōu)化。此外，通過空氣源熱泵機(jī)組與水冷冷水+鍋爐機(jī)組、溴化鋰吸收式機(jī)組3種方案的經(jīng)濟(jì)性比較可以得出，空氣源熱泵相對于其它兩種形式而言，經(jīng)濟(jì)性上具有顯著的優(yōu)越性。

3、計算機(jī)模擬在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷普及，計算機(jī)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用也日益廣泛。前面所述及的一些研究中有很多也都應(yīng)用了計算機(jī)技術(shù)，關(guān)于計算機(jī)模擬在暖通空調(diào)中具有代表性的應(yīng)用主要有以下幾個方面:

（1）對壓縮機(jī)的計算模擬

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對空氣源熱泵中螺桿式壓縮機(jī)的冬季運(yùn)行特性進(jìn)行模擬，并結(jié)合誤差反向傳播算法（BP算法）進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果表明，采用該方法對壓縮機(jī)進(jìn)行建模模擬可以達(dá)到較高的精度要求，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。

（2）對蒸發(fā)器的計算模擬

通過對空氣源熱泵的蒸發(fā)器結(jié)霜問題進(jìn)行動態(tài)模擬計算，可以詳細(xì)分析蒸發(fā)器結(jié)霜和制冷劑充灌量對系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。另外，對于采用ε-NTU 法（效率—傳熱單元數(shù)法）對空氣源熱泵蒸發(fā)器肋片管在干工況、濕工況及結(jié)霜工況下的傳熱傳質(zhì)計算方法也有相關(guān)探討。

（3）系統(tǒng)仿真研究

通過建立房間空調(diào)器熱泵運(yùn)行時的瞬態(tài)仿真的數(shù)學(xué)模型，可以得出房間空調(diào)器熱泵運(yùn)行時的制冷系統(tǒng)參數(shù)及房間溫度變化的曲線，這對實現(xiàn)空氣源熱泵系統(tǒng)的自控有很大的意義。

（4）系統(tǒng)能耗分析軟件

關(guān)于空氣源熱泵全年能耗分析應(yīng)用軟件的開發(fā)應(yīng)用在相關(guān)文獻(xiàn)中有所介紹，該軟件在求解熱泵供冷全年能耗時，綜合考慮了空調(diào)冷負(fù)荷、室外干球溫度、熱泵出水溫度這3個因素，在求熱泵供熱能耗時，還將室外空氣相對濕度這個重要參數(shù)考慮進(jìn)去，這就使得熱泵供熱能耗計算更為準(zhǔn)確，也為空氣源熱泵的應(yīng)用提供了一個很好的分析方法。

4、變頻技術(shù)在空氣源熱泵中的應(yīng)用

變頻技術(shù)在空氣源熱泵中的應(yīng)用是一項新技術(shù)，根據(jù)對變頻控制熱泵式VRV空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷運(yùn)行時的節(jié)能特性所做的一系列實驗研究，可以獲得夏季部分負(fù)荷運(yùn)行特性。通過在節(jié)能方面與普通空氣源熱泵進(jìn)行比較，證明應(yīng)用變頻技術(shù)以后的空氣源熱泵機(jī)組比普通機(jī)組更加節(jié)能。

三、空氣源熱泵的特點

1、空調(diào)系統(tǒng)冷熱源合一，且置于建筑物屋面，不需要設(shè)專門的冷凍機(jī)房、鍋爐房，也省去了煙囪和冷卻水管道所占有的建筑空間。對于寸土寸金的城市繁華地段的建筑，或無條件設(shè)鍋爐房的建筑，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組無疑是一個比較合適的選擇。

2、無冷卻水系統(tǒng)，無冷卻水系統(tǒng)動力消耗，無冷卻水損耗。水冷式冷水機(jī)組的水損失不僅有蒸發(fā)損失、漂水損失、還有排污損失、冬季防凍排水損失，夏季啟用時的系統(tǒng)沖洗損失，化學(xué)清洗稀釋損失等等，所有這些損失總和約折合冷卻水循環(huán)水量的2～5%，根據(jù)不同性質(zhì)的冷水機(jī)組，折合單位制冷量的損耗量為2～4t/100RT·h。

3、系統(tǒng)設(shè)備少而集中，操作、維護(hù)管理簡單方便。一些小型系統(tǒng)可以做到通過室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管的啟停控制熱泵機(jī)組的開關(guān)。

4、單機(jī)容量從3RT至400RT，規(guī)格齊全，工程適應(yīng)性強(qiáng)，利于系統(tǒng)細(xì)化劃分，可分層、分塊、分用戶單元獨立設(shè)置系統(tǒng)等。

5、作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源方面的設(shè)備投資，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組造價較高，比水冷式機(jī)組加鍋爐的方案的系統(tǒng)綜合造價貴20～30%。

6、空氣源熱泵冷熱水機(jī)組常年暴露在室外，運(yùn)行條件比水冷式冷水機(jī)組差，其壽命也相應(yīng)要比水冷式冷水機(jī)組短。

7、熱泵機(jī)組的噪音較大，對環(huán)境及相鄰房間有一定影響。熱泵通常直接置于裙樓或頂層屋面，合理的位置設(shè)置與隔振隔音措施的到位，熱泵噪音的影響可以基本消除。

8、空氣源熱泵的性能隨室外氣候變化明顯。室外空氣溫度高于40～45℃或低于-10～-15℃時，熱泵機(jī)組不能正常工作。

四、空氣源熱泵有待解決的問題

對于空氣源熱泵而言，除了具有種種優(yōu)點之外，仍存在很多不足及有待解決的問題。空氣源熱泵的性能受室外氣候條件變化影響較大。夏季，隨著室外空氣溫度的升高，制冷負(fù)荷增大，但熱泵系統(tǒng)冷凝溫度升高，熱泵溫差增加，機(jī)組整體效率降低；冬季，隨著空氣溫度的降低，供熱負(fù)荷增大，而蒸發(fā)溫度隨之降低，熱泵溫差增大，導(dǎo)致機(jī)組整體效率降低。進(jìn)一步研究應(yīng)考慮采取相應(yīng)措施來合理改善機(jī)組的性能。

空氣源熱泵另一個突出的問題就是蒸發(fā)器冬季結(jié)霜問題。這不但導(dǎo)致系統(tǒng)供熱性能的急劇下降，還將對壓縮機(jī)等重要部件產(chǎn)生不良影響（如冰堵），使系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時，結(jié)霜還將使機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用增加。盡管我國在這方面已經(jīng)做了很多研究工作，但關(guān)于結(jié)霜的控制措施及除霜技術(shù)的研究方面，還需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究和實驗論證。另外，如何對機(jī)組本身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少蒸發(fā)器結(jié)霜，如何采用更好的除霜方式來提高空氣源熱泵的運(yùn)行效率，節(jié)約機(jī)組的費(fèi)用，這些都值得探討。

由于室外空氣一年四季甚至一天當(dāng)中的溫度波動較大，這就對實現(xiàn)整個空氣源熱泵系統(tǒng)的自動控制提出了很大的挑戰(zhàn)，關(guān)于這一方面的研究尚不多見，還有待于逐漸探索和完善。

五、空氣源熱泵的應(yīng)用

1、某現(xiàn)代化寫字樓，大樓建筑面積約3.5萬m2，建筑總高度95米，其中地下一層，地上23層，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為全玻璃幕墻。大樓選用6臺美國約克公司AWHC-200熱泵機(jī)組，裝機(jī)額定制冷量為3672KW（1044RT），面積冷指標(biāo)為105W/m2，熱泵額定制熱量為107W/m2。熱泵機(jī)組置于主樓頂層屋面，系統(tǒng)配置8臺水泵，每臺泵的循環(huán)水量為200m3/h，揚(yáng)程為32mH2O。熱泵與水泵分別并聯(lián)再串聯(lián)，各熱泵進(jìn)出水管直接與分集水器連接，水泵置于室內(nèi)。

熱泵機(jī)組采用彈簧減振器減振，水泵也采用彈簧減振臺座減振。空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)計為變水量，主機(jī)為定水量臺數(shù)控制。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和測量，大樓工作人員對空調(diào)滿意度較高，夏季某天在吸氣溫度40℃情況下（局部排除有短路吸入現(xiàn)象），系統(tǒng)出水7.58℃，回水12℃，水溫差為4.42℃（熱泵運(yùn)行5臺，水泵運(yùn)行3臺，尚有少數(shù)樓層未投入使用），室內(nèi)基本滿足26℃的設(shè)計要求。冬季某天下大雪，現(xiàn)場測得系統(tǒng)供水溫度在39～40℃范圍波動，某南面房間室內(nèi)溫度維持在23℃。冬季惡劣氣候，人工設(shè)定化霜時間間隔為30分鐘，化霜時間持續(xù)5分鐘。個別天氣出現(xiàn)早上不能正常開機(jī)時，管理人員先設(shè)定制冷化霜工況，再進(jìn)入供熱工況。由于熱泵機(jī)組置于主樓敞開屋頂，通風(fēng)條件良好。但因女兒墻較高，個別熱泵出現(xiàn)了部分氣流短路的現(xiàn)象。約克公司標(biāo)準(zhǔn)型熱泵機(jī)組（200RT）的噪音在82dB(A)左右，但由于熱泵位置較為合適，土建處理、減振措施都較為妥當(dāng)（女兒墻較高，熱泵與疏散樓梯為水泵房所隔，與疏散樓梯口有一定的水平距離），這些綜合措施使熱泵機(jī)組較大的噪音并未對大樓產(chǎn)生明顯影響，在熱泵所在樓層的電梯廳測得的噪音在45dB（A）左右，在緊貼熱泵下部的辦公室，噪音也在45dB(A)左右，吊頂內(nèi)噪音約為50dB(A)左右。可見該工程減振隔音的綜合措施收到明顯效果。

2、某酒店建筑面積約7800M2，其中20%左右為酒店公共用房，80%左右為客房。酒店共選用3臺110RT熱泵。冬季使用效果良好，某晚，室外溫度0～2℃，熱泵出水溫度維持在39～41℃，客房內(nèi)溫度可達(dá)25℃。使用至今曾有過一、二次結(jié)霜比較嚴(yán)重，自動除霜困難，管理人員用頂層生活用鍋爐熱水沖淋后，一切正常。熱泵置于酒店頂層屋頂，三臺水泵置于熱泵旁的室外平臺，與熱泵一一對應(yīng)，即每臺泵與熱泵串聯(lián)后再并聯(lián)。與熱泵相鄰的樓層為酒店內(nèi)部辦公用房，其室內(nèi)噪音約為45～50dB(A)，冬天個別雨霧寒冷天，由于橡膠隔振墊被凍，隔振效果減弱，其緊貼樓層噪音有所增加。但由于熱泵未緊貼客房布置，客房未受明顯影響。實際運(yùn)行表明，系統(tǒng)開2臺熱泵已足以滿足空調(diào)要求，冬天極個別的惡劣天氣才需開3臺熱泵。

羅 強(qiáng)（1976- ），男，四川遂寧人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系講師。研究方向：熱能工程。