空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區的應用研究

黎志瑜

（廣東瑞星新能源科技有限公司，廣東 江門 529700）

目前，空氣源熱泵系統作為一種熱能再生系統，它可以有效的將熱量進行處理與轉移，從而實現熱量傳輸的目的。但是，空氣源熱泵系統作為一種常用的熱能再生系統，其設備系統本身不會產生熱量，主要工作機理是將空氣熱源進行處理與存儲，然后經過系統設備的轉換，實現熱量的轉換目的。設備系統運行的過程中，以智能技術的方式將有用熱能可以直接轉換成可直接應用的熱能，滿足人類熱源的需求。因此，使用暖通空調或者熱水供應的用戶，可以直接從空氣源熱泵系統中獲得有用熱能，基于此，我們才將空氣源熱泵系統稱為是一種熱能再生系統。同時空氣源熱泵系統在遵循能量的循環利用原則基礎上，將室內的熱量通過圍護結構傳播到室外的大氣中，形成室內熱損失。從另一角度分析，空氣源熱泵系統也可以作為低溫熱源二次被大氣中的熱量吸收，從而維護人們日常所需要的室內溫度，這種循環方式解決了傳統供暖方式中的高耗能問題。因此，使用空氣源熱泵供暖，其應用前景廣闊。

1 空氣源熱泵冷熱水機組設計

1.1 空氣源熱泵冷熱水機組設計概述

以LWH-500HMCRN1H 空氣源熱泵冷熱水機組為例，對空氣側換熱器進行優化設計。所設計的空氣源熱泵冷熱水機組采用可單臺/多臺并聯方式，在制冷工況下，單臺的輸入功率為40W；在制熱工況下，單臺的輸入功率為43W，在辦公樓、商場、賓館或酒店中使用。LWH-500HMCRN1H 空氣源熱泵冷熱水機組采用R410A 作為制冷工質，以制冷工作模式作為基準進行設計，以制熱工作模式進行校驗，其工作條件和設計工況如表1所示。

1.2 循環系統及工作原理

LWH-500HMCRN1H 空氣源熱泵冷熱水機組的循環原理如圖1 所示。整個循環的方式為當低溫低壓制冷劑蒸氣通過壓縮機壓縮成高溫高壓氣體后，通過四通換氣閥進入翅片管風冷換熱器放熱，將釋放的氣體冷凝成液體，低溫低壓制冷劑通過第一電子膨脹閥內的節流與氣液混合，通過管殼式換熱器吸熱，通過四通換氣閥進入氣液分離器，然后返回壓縮機，完成整個制冷循環的過程。

圖1 空氣源熱泵冷熱水機組系統原理圖

2 系統熱力過程分析

2.1 制冷模式下的熱力過程分析

根據表1 設定的條件，將制冷量設置為130kW，制熱量設置為140kW，冷熱機組是由不同的子系統組成，每一個子系統的制冷量為32.5kW，制熱量為35kW。根據條件，在設計的過程中需要注意：不同管路之間的連接壓降可忽略；制冷工質中，冷凝和過冷都在冷凝器中進行；壓縮機的冷卻和散熱也在冷凝器中進行；過熱過程在蒸發器中進行。

表1 機組工作條件和設計工況

制冷循環相關參數如下：

冷凝壓力與蒸發壓力比：

單位質量制冷量：Q0=h1-h5=1.52.45kJ/Kg

表示進出口焓值。

單位容積制冷量：qv=q0/v1=4779.0kg/m3

v1表示進氣口比體積。

單位質量理論功：w0=h2s-h51=35.7kJ/Kg

2.2 計算輸氣系數

渦旋式壓縮機與其它同類機器相比，其具有噪音低、運行可靠、振動小、體積小的顯著特點，因此具有超靜壓縮機的稱號，在工業、農業以及醫療器械等方面得到了廣泛應用。由于渦旋式壓縮機的結構與運行機制存在著一定特殊性，因此溶劑系統λ=1 另外，該壓縮機在結構組成上并沒有設置吸氣閥，整個壓縮機的吸氣過程中，吸氣壓力損失較小，所以，壓力系數為λp=1，發生泄露的幾率較小，而且容積效率保持在95%以上，因此可以將泄露系數設置為λ1=0.95。

根據以上數據可以得到渦旋式壓縮機的輸入系數為：λ=λvλpλrλ1=0.95。

2.3 COP 計算

空調使用的渦旋式壓縮機指示效率在75%左右，因此壓縮機的指示效率為：

Pi=p0/ηi=10.01kW

其中，ηi表示指示效率；P 表示指示功率。

空調使用的渦旋式壓縮機機械機械效率大概在90%左右，因此壓縮機的軸功率為：

Pe=pi/ηm=11.13kW

其中，ηm表示機械效率。

電動機的效率一般保持在90%以內，因此壓縮機的輸入功率為：

P=Pe/ηcl=11.13/0.96=11.59kW其中，ηcl表示取電效率。

綜上所述，可得COP 的值為：COP=F0/P=2.08

3 空氣源熱泵在嚴寒地區的應用

3.1 空氣源熱泵冷熱水機組在我國的應用

空氣源熱泵冷熱水機組是我國常用的一種熱泵，也是最早的熱泵機組。20 世紀80 年代，我國擁有了第一套水熱泵空調系統，8F10S 冰箱作為主機為商場供熱/供冷，運行效果良好，但尚未完全推廣。直至20 世紀80 年代末，我國信息技術的不斷發展，開始促進了空氣源熱水泵系統的升級與改造，諸多科學研究者開始嘗試將新的技術系統放置在原有的空氣源熱泵冷熱水機組之中，從而加大了空氣源熱泵冷熱水機組的運行效能。新的空氣源熱泵冷熱水機組研發使用，逐漸取代傳統的活塞式空氣源熱泵冷熱水機組。在隨后的發展中，空氣源熱泵冷熱水機組隨著生產廠家的增加和市場的繁榮，在國內受到了極大的歡迎。

目前，空氣源熱水泵在我國的使用呈現出爆發趨勢，其主要廣泛地應用于商場、寫字樓、公共場所等建筑領域空間內容。并且，隨著空氣源熱水泵的系統完善與升級，其應用范圍越來越廣，尤其是在北風寒冷的地區，在京津地區、山東、河南、河北、西安等地區，采用空氣源熱泵作為冷熱源。這些地區冬季氣溫低，需要供暖，供暖周期長，需求量大。北方冬季氣候干燥，室外相對濕度基本保持在45%-65%之間，具體如表2 所示。

表2 部分城市采暖溫度與室外相對濕度

根據表2 可得，這些地區進行供暖十分有必要，在這些地區選用空氣源熱泵冷熱水機組作為冷熱源，可以讓冬天保持在一個相對平均的室內溫度。目前，空氣源熱泵冷熱水機組廣泛的應用于我國的商場、銀行、寫字樓等領域中，但是，其應用環境一般都是普通溫度環境。一旦空氣源熱泵冷熱水機組遭遇低溫環境，其設備運行效果就會降低，如何加強空氣源熱泵冷熱水機組的低溫適應性已經成為研究應用的焦點。以當前空氣源熱泵冷熱水機組的應用現狀為例，其提高該設備的低溫適用性方法通常有：當室外氣溫較低時，可用變速風機啟動高速運轉，增加吸熱，減少結霜。如果在寒冷地區，建筑物的排風可以作為低溫熱源，改善低層熱源；當室外環境溫度較低時，可以通過提高壓縮機的轉速來增加供熱。當廢氣溫度較高時，可以通過排出液體來吸收冷卻溫度，從而降低廢氣溫度。

3.2 空氣源熱泵在寒冷地區的應用

3.2.1 現狀分析

從目前我國空氣源熱泵在寒冷地區的應用現狀來看，仍然存在著較為明顯的應用局限性、設備環境適應差的現象。雖然單從空氣源熱泵的功能機制來看，其具有明顯的優點與功能特點，但是，空氣源熱泵系統本身受溫度環境的影響性較大。而在我國北方地區，冬季時溫度會極具下降，如東北地區，這就導致空氣源熱泵的系統效能受限，甚至會對設備的穩定性、壽命造成影響。并且，空氣源熱泵系統的制熱能力會隨著室外溫度的變化而變化，室外溫度越低，供暖性能越差。一旦溫度低于空氣源熱泵的原設定工作溫度值時，就會導致整臺設備系統的運行異常或作業停止。且如果熱泵系統的假除霜情況加劇或者除霜時間過長，室內溫度會發生變化，用戶總會感覺有冷風吹過。機組低溫啟動時間長，啟動階段或除霜階段后容易燒毀。同時也會造成較為嚴重的經濟損失。如果新風機組無法正常工作，容易影響到室內的空氣質量，讓長期生活在室內的人們出現相應的負面影響。據相關調查，傳統的新風機組的防凍方式也無法解決新風機組存在的防凍問題。

3.2.2 具體應用

隨著空調系統的普及與應用范圍延伸，空調通風能耗增加。傳統空調系統的能耗占建筑總能耗的20% ，而新風能耗占建筑總能耗的4%～12%。因此，要改善室內空氣質量，不能只通過減少新風量來節省能耗，而要通過增加新風量的供給來節省能耗。當空氣的風平衡和熱平衡達到合理狀態時，新鮮空氣的能耗就會排到外面。在寒冷地區，新鮮空氣的熱量會根據室內外的溫差而增加，這樣可以從排放口獲得更多的可用熱量來使用。通過設置熱回收裝置，可以降低新風所需的能量，使機組負荷達到平衡狀態，達到節能的目的。在圖2 中可以清晰的看見熱泵制熱性能數值的變化。

圖2 熱泵制熱性能指數跟隨時間變化

為了讓空氣源熱泵可以在低溫的環境下高效運行，國內外都對其性能展開了技術研發和產品升級。在針對廢熱回收利用方面的研究較早，因此發展也較為迅速，在國外的發達國家，大型空調熱回收的研究已經非常成熟，并對熱回收熱泵的可行性進行了測試。結果表明，熱回收熱泵的經濟價值可以在5 年內得到很好的利用。同時，可以根據余熱回收時間縮短熱泵的回收周期，從而提高經濟價值。為了解決熱量回收問題，國內外各大空調廠商都下大力氣對機組進行了改進，并進行了多輪節能產品研發。比如熱回收型雙管束冷凝器熱泵機組和風冷型熱回收型雙管束冷凝器制冷機組，兩者都屬于冷凝熱回收產品，雙管束使用兩個冷凝器回收冷凝熱，但這種熱回收型機組的適用場所有限。因此，為了解決熱回收型機組的使用場所有限性問題，一些廠家相繼開發了新的空氣源熱泵系統，主要采用翅片式冷凝器V 型結構設計，進而提升系統的散熱效果。在壓縮機的選擇上，主要通過安裝閉渦旋壓縮機，提升壓縮機及整個設備的抗液擊能力，并通過在機組中設計微電腦系統，從而實現對整個機組的智能化控制，這從技術創新上提高了熱泵設備的適用范圍，又提高COP 的輸出值，從而達到更好的節能效果。

目前，我國一直致力于新的熱泵技術研究，國內市場上所采用的空氣源熱水泵與傳統的空氣源熱水泵相比，其具有風量大、噪音低、壽命長、通用性強、作業效率高、系統穩定等特點，其廣泛地應用于賓館、商業住宅樓、醫院、大型商場、辦公樓、別墅、科研機構等場所。并且，現行的空氣源熱泵系統都進行重新設計與優化，每個制冷系統各自獨立分工，任何一個制冷環路發生異常情況均不會影響到其它環路；其安裝現場組合成完成的機組，模塊單元重量輕、體積小，可根據用戶要求以及空調的使用面積進行模塊間自由組合。經過國內主流的空氣源熱泵運行數據統計，現狀各個領域采用的空氣源熱水泵最起碼都能夠在-25℃的溫度下正常運行，而這一使用數據與傳統的空氣源熱水泵相比，顯然是適用穩定性提升明顯。因此，目前中國對熱水技術的研究雖然與國外一些發達國家相比存在著一段差距，但是整體的技術水平卻保持在世界的中端及以上。而近年來，國內的研究重點主要集中在如何利用空氣源熱泵回收空調系統的排熱，該研究也是解決當前暖通空調環境問題的有效方法之一。

4 結論

熱泵裝置系統功能強大，而空氣源熱泵作為熱泵系統中的一個重要組件，與其他熱泵技術相比，其發展不可限量。不僅僅是因為空氣源熱泵具有節能環保的功能，更重要的是空氣源熱泵在整個供暖的過程中可以實現熱量的循環，以一種能量閉路循環使用的方式進行使用。如果是在建筑物中進行使用，建筑物會將室內的熱量散播到周圍的大氣中，讓空氣源熱泵可以在大氣中得到充足的熱量吸收，繼而再將品位送還至建筑物中，以彌補損失的熱量，維系室內的溫度。因此，空氣源熱泵供暖作為生態供暖的重要組成，其發展前景廣闊，可以得到大力使用和推廣。