低溫空氣源熱泵的設計及應用研究

李勇

摘? 要：熱泵是當前新能源技術應用的重要支撐，其能將低位熱能轉化為高位熱能，滿足人們的實際應用需要。本文在闡述低溫條件對空氣源熱泵影響的基礎上，就低溫空氣源熱泵的設計及應用要點展開分析，期望能為低溫空氣源熱泵高效應用提供保證。

關鍵詞：低溫空氣源;熱泵;設計;應用

可持續發展理念下，熱泵系統作為一種全新化的熱能源應用設備而得到了廣泛應用。然從低溫氣候空氣源熱泵運作效率來看，其在蒸發器、冷凝器、節流結構、除霜方式等方面上存在一定問題，這使得設備的運作性能和穩定性受到較大影響，有必要進行低溫空氣源熱泵系統的優化設計。

一、低溫條件對空氣源熱泵的影響

空氣源熱泵由蒸發器、壓縮機、冷凝器、節流機構四大組件構成。在實際運作中，壓縮機會排出具有較高溫度和壓力的冷媒，這些冷媒會在冷凝器中冷凝液化，進而釋放大量的熱能。同時，節流后的冷媒會在蒸發器中蒸發，從環境中吸收大量熱能，由此實現了低溫熱源向高溫熱源的有效轉化。

低溫條件對空氣源熱泵的運作具有較大影響。其中，蒸發器、冷凝器是影響最強烈的兩個單元。就蒸發器而言，一旦采用低溫空氣作為空氣源，則蒸發器的翅片會因為設計因素而導致易結霜;同時當制冷劑流向設計、風扇位置存在缺陷時，蒸發器還會出現換熱不均問題，使結霜現象更加惡化;此外，低溫條件下熱泵系統的冷媒循環量會減小，也會使得蒸發器出現分液不均。這些都降低了空氣源熱泵系統運作的穩定性和高效性。而在冷凝器使用中，當冷凝溫度較低時也會導致蒸發器頻繁結霜，因此冷凝溫度需要盡可能高點。但冷凝溫度高，壓縮機的排氣溫度也高，這樣一方面增加了壓縮機的能耗，降低了熱泵系統的運作效率;另一方面，當壓機的排氣溫度過高時，可調速壓機出于自身保護會進行降速，這樣熱泵系統的輸出能力又減小了。這些都使得既有空氣源熱泵機組在低環溫運行時，性能都大打折扣，甚至不能運作。

二、基于低溫空氣源的熱泵系統設計

1、熱泵蒸發器設計

對于熱泵蒸發器的設計，翅片間距跟形狀、迎風管排數和風速、空氣濕度、制冷劑流向等都是較為主要的影響因素;其中，翅片間距和形狀的影響較為強烈。就翅片的間距而言，間距過小會使得蒸發器結霜的速度較快，從而增加了空氣流動的阻力;對此在系統設計中，應基于蒸發器和空氣間的換熱、流動性能最優來設計翅片間距，通常情況下，翅片的間距應不小于1.8mm[1]。其次，在翅片設計中，可考慮使用外加電場的方法來延緩結霜速度。此外，翅片表面還可通過噴親水顏料的方式來延緩結霜，以及在機組底盤設置加熱裝置，不斷提升蒸發器的運作性能。

2、熱泵冷凝器設計

冷凝器在空氣源的熱泵作業中發揮著重要作用。在低溫空氣條件下，熱泵所產生的熱能會比正常條件下少很多，在這種情況下，冷凝器很少會出現能力不足問題。熱泵系統若未采用變頻設計，則不需要對冷凝器進行特別的設計。而當系統采用了變頻設計或多級壓縮作業方式，則熱泵所產生的熱能與冷凝器結構具有對應性，此時應根據具體系統對應考慮冷凝器的面積，以此來實現冷凝換熱的最佳性能。

3、熱泵節流結構設計

低溫空氣源熱泵使用時，其低位熱源溫度差異較大，這對熱泵系統的節流機構提出了新的較高要求。既有空氣源熱泵采用的熱力膨脹閥不能滿足低溫空氣源熱泵系統的調節需求。基于新需求，設計可采用雙電子膨脹閥進行冷媒流量的變化調節。在熱泵系統運作中，當低位熱源溫度發生較大變化時，電子膨脹閥會結合所采集的數據當前工況進行分析，隨后進行精細調節，從而確保空氣源熱泵運作的穩定性。

4、壓機的選型設計

基于低溫環境條件對熱泵系統性能的影響，為充分滿足應用需求，可采用低溫性能較好的噴氣增焓型壓縮機，避免普通壓機低環溫下排氣過高和能力輸出不足的問題。

5、氣液分離器和儲液罐設計

低溫空氣源條件下，針對空氣源熱泵的設計，還應注重氣液分離器、儲液罐的有效規劃。具體而言，在低溫條件下，一旦熱泵系統長時間停機，則制冷劑會局部地往蒸發器內發生轉移;在熱泵下次開啟瞬間，壓縮機內部會流入較多的液體，這不僅降低了壓縮機的運作性能，而且容易使得壓縮機發生損壞。基于此應增設氣液分離器進行保護。就氣液分離器而言，可將其設置在壓縮機之前，避免熱泵開機前液體進入到壓縮機當中。此外，針對儲液罐的設計，要求盡可能地增大冷凝器的容積，同時確保其容積接近蒸發器容積，這樣就可取消儲液器設計，實現設備結構的簡化;而當冷凝器容積無法再進行調整時，則應根據前端液體的實際流量，增設儲液罐進行冷媒管理。需注意的是，儲液罐應留有一定富余，同時應合理設置儲液罐引流裝置，及時清理儲液罐，為壓縮機的實際運作創造有利條件。

6、除霜方式設計

低溫環境條件容易使得空氣源熱泵在運作中出現冷凝霜，因此還需注重除霜方式的有效設計。就目前而言，熱氣旁通除霜、電除霜、四通閥反向除霜等都是較為常用的除霜方式。就熱氣旁通除霜而言，其在系統內部的壓縮機出口處增加一個旁通的閥門，該閥門聯通蒸發器，隨后通過升溫條件控制即可達到除霜目的。電除霜中，人們為蒸發器增設除霜盤管，隨后通過電加熱方式進行除霜。此外，還可通過四通閥來切換熱泵的工作狀態，有效去除熱泵中的冷凝霜，提升設備運作效率。低溫空氣源熱泵系統帶四通閥時當優先采用四通閥反向除霜的方式，當其不帶四通閥時優先考慮熱氣旁通除霜。翅片電除霜一般較少考慮。

三、低溫空氣源熱泵的實際應用

1、項目概況

某建筑為工程管理站辦公樓，建筑地上5層，總建筑面積為2800m2，從建筑結構布局形體來看，建筑為南北朝向，熱工性能符合《公共建筑節能設計標準》的要求。在建筑采暖設計中，工程采用空氣源熱泵采暖系統，在冬季，該地區室外溫度為零下14℃，而室內溫度要求保持在20℃，為低溫空氣源熱泵采暖應用。

2、低溫空氣源熱泵應用過程控制

基于低溫環境對熱泵運作性能的影響，本項目在空氣源熱泵應用初期，先進性房間負荷的確定及空氣源熱泵選型的確定。就房間負荷而言，考慮建筑總熱負荷需要及節能需要，然后根據熱源富余量不超過10%的要求，進行空氣源熱泵機組選型。同時，合理布局熱泵機組擺放形式，確保整個機組安裝部位無障礙物，無遮擋，同時通風狀況良好，項目將熱泵機組安裝在陽臺或屋頂等部位，并且確保安裝位置能承受室外機自重的2～3倍重量，為機組的高效運作創造了有利條件。最后，對熱泵的實際運行進行管理，針對白天夜間不同的環境溫度設置不同的采暖目標溫度，確保該低溫空氣源熱泵滿足項目采暖需要的同時盡可能的節能。

3、項目應用效果

項目投入運行后，經過1個完整采暖季節的運行，該低溫空氣源熱泵系統運行穩定、效果良好，能滿足用戶采暖需求，也受到了用戶的好評。從后臺監控數據看，采暖季房間溫度白天平均維持在28℃，夜間維持在22℃，日平均運行時間約16小時。

結論

低溫環境條件對于空氣源熱泵系統應用具有較大影響。只有充分認識到低溫環境條件對熱泵系統的影響，然后在熱泵蒸發器、熱泵冷凝器、熱泵節流機構、壓縮機、氣液分離器和儲液罐、除霜方式等要素針對設計的同時，加大空氣源熱泵機組應用管理，才能有效提升空氣源熱泵系統應用效率和穩定性，實現低位熱能向高位熱能的有效轉化。

參考文獻

[1]? 王超，趙蕾，李延，等.制冷劑噴入技術在空氣源熱泵中的應用研究現狀[J].制冷學報，2019（5）：13-25.