空氣源熱泵在暖通空調(diào)中的應(yīng)用與發(fā)展研究

摘要：建筑能耗問題嚴(yán)峻，促使暖通空調(diào)技術(shù)革新，空氣源熱泵應(yīng)運(yùn)而生。其基于逆卡諾循環(huán)，通過蒸發(fā)器等核心部件實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移，應(yīng)用形式豐富多樣。在實(shí)際應(yīng)用中，精準(zhǔn)選型適配建筑與氣候條件，智能聯(lián)控優(yōu)化運(yùn)行能效，管道精細(xì)布局減少傳輸損耗，科學(xué)運(yùn)維管理延長設(shè)備壽命。盡管存在低溫環(huán)境適應(yīng)性等不足，但持續(xù)的技術(shù)研發(fā)有望突破局限，推動其在建筑能源管理領(lǐng)域發(fā)揮更大效能。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵 暖通空調(diào) 蒸發(fā)器 智能聯(lián)控

Application and Development Research of Air Source Heat Pump in HVAC

LI Ying

China Power Construction Group Hebei Electric Power Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Shijiazhuang， Hebei Province， 050011 China

Abstract： The serious problem of building energy consumption has prompted the innovation of HVAC technology， leading to the emergence of air source heat pumps. It is based on the reverse Carnot cycle and achieves heat transfer through core components such as evaporators， with a wide range of applications. In practical applications， precise selection adapts building and climate conditions， intelligent joint control optimizes operational energy efficiency， fine pipeline layout reduces transmission losses， and scientific operation and maintenance management extends equipment life. Despite shortcomings such as low temperature adaptability， continuous technological research and development are expected to break through limitations and promote greater efficiency in the field of building energy management.

Key Words： Air source heat pump; HVAC; Evaporator; Intelligent joint control

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展與城市化進(jìn)程的持續(xù)加速，建筑能耗在社會總能耗中所占比例亦不斷攀升。在建筑能耗結(jié)構(gòu)中，暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗占據(jù)了相當(dāng)大的份額，據(jù)統(tǒng)計(jì)，其能耗占比可達(dá)建筑總能耗的40%～60%。開發(fā)與應(yīng)用高效、環(huán)保且可持續(xù)的暖通空調(diào)技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急，在此背景下，空氣源熱泵技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，并在近年來受到了廣泛的關(guān)注與深入研究。

1空氣源熱泵概述

空氣源熱泵是一種基于逆卡諾循環(huán)原理工作的高效熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備，在暖通空調(diào)領(lǐng)域扮演著極為關(guān)鍵的角色（如圖1所示）。其核心部件主要包括蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥。在運(yùn)行過程中，首先，蒸發(fā)器從周圍空氣中吸取熱量，使液態(tài)制冷劑蒸發(fā)為氣態(tài)，這一過程借助了空氣中蘊(yùn)含的熱能。其次，氣態(tài)制冷劑被壓縮機(jī)壓縮，壓力與溫度大幅升高，形成高溫高壓氣體^[1]。再次，高溫高壓的制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器，向室內(nèi)環(huán)境或熱水系統(tǒng)釋放熱量，從而實(shí)現(xiàn)供暖或提供熱水的功能，在此過程中制冷劑重新凝結(jié)為液態(tài)。最后，液態(tài)制冷劑通過膨脹閥降壓，恢復(fù)到初始的低壓低溫狀態(tài)，再次進(jìn)入蒸發(fā)器開始新一輪循環(huán)。

從能源利用角度來看，空氣源熱泵具有顯著優(yōu)勢。它能夠從空氣中提取熱量并加以提升溫度后利用，而不是單純依靠電能或其他高品位能源直接轉(zhuǎn)化為熱能，其制熱性能系數(shù)（[ 3]"CoefficientofPerformance，COP）通常在2～5之間，這意味著相較于傳統(tǒng)的電加熱設(shè)備，其可以節(jié)省大量電能消耗，具有卓越的節(jié)能效果。

空氣源熱泵的應(yīng)用形式豐富多樣，可以分為空氣源熱泵熱水器、空氣源熱泵供暖系統(tǒng)、空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)等。空氣源熱泵熱水器能夠高效地為家庭或商業(yè)場所提供生活熱水；空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在冬季可以滿足建筑物的供暖需求，尤其適用于分戶供暖和小型區(qū)域供暖場景。空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)則兼具制冷和制熱功能，可以實(shí)現(xiàn)全年室內(nèi)環(huán)境的溫濕度調(diào)節(jié)。

2空氣源熱泵在暖通空調(diào)中的應(yīng)用策略

2.1精準(zhǔn)選型適配，優(yōu)化系統(tǒng)配置

2.1.1對冷熱負(fù)荷展開精準(zhǔn)計(jì)算

設(shè)計(jì)人員需要對建筑的冷熱負(fù)荷展開精準(zhǔn)計(jì)算。建筑的類型、面積、朝向、圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性等均會對冷熱負(fù)荷產(chǎn)生顯著影響，并且不同地區(qū)的氣候條件差異也不容忽視^[2]。設(shè)計(jì)人員需運(yùn)用專業(yè)的熱工計(jì)算方法與軟件，精確確定建筑在不同季節(jié)的實(shí)際冷熱負(fù)荷數(shù)值。

2.1.2 探究空氣源熱泵的各項(xiàng)性能參數(shù)

設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入探究空氣源熱泵的各項(xiàng)性能參數(shù)。不同品牌與型號的空氣源熱泵在制熱量、制冷量、能效比、運(yùn)行功率等方面存在很大差別。設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)已算出的建筑冷熱負(fù)荷，仔細(xì)研究熱泵在不同環(huán)境溫度下的性能表現(xiàn)曲線，挑選出與建筑需求和當(dāng)?shù)貧夂驐l件最為匹配的機(jī)組。例如：在高海拔寒冷地區(qū)，普通空氣源熱泵可能因氣壓與氣溫影響導(dǎo)致制熱效率大幅下降，此時(shí)，設(shè)計(jì)人員就應(yīng)選擇專為高海拔低溫環(huán)境設(shè)計(jì)的高效熱泵產(chǎn)品。

2.1.3多臺機(jī)組并聯(lián)或分布式布置

對于大型綜合性建筑，單臺熱泵機(jī)組往往難以滿足整體需求，設(shè)計(jì)人員需要采用多臺機(jī)組并聯(lián)或分布式布置^[3]。并聯(lián)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)通過優(yōu)化管道連接與控制系統(tǒng)，確保各機(jī)組間的流量分配均勻，避免出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，使各機(jī)組能協(xié)同高效運(yùn)行。分布式布局時(shí)，設(shè)計(jì)人員則需要根據(jù)建筑各區(qū)域功能與負(fù)荷特點(diǎn)，合理規(guī)劃機(jī)組位置，以減少熱量傳輸損失，提升局部區(qū)域的溫濕度調(diào)節(jié)精度。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考量空氣源熱泵與其他暖通空調(diào)設(shè)備的兼容性。風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)處理機(jī)組、冷卻塔等都要與空氣源熱泵在水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)無縫對接。

2.2智能聯(lián)控集成，提升運(yùn)行能效

工程師首先應(yīng)構(gòu)建全面的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)需涵蓋數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與控制指令輸出等功能模塊。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)收集室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，如室內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量，室外氣溫、濕度、太陽輻射強(qiáng)度等信息。這些數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸線路或無線通信方式傳至中央處理器。中央處理器運(yùn)用特定算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而精準(zhǔn)判斷建筑的實(shí)時(shí)熱濕負(fù)荷需求以及環(huán)境變化趨勢。

基于數(shù)據(jù)處理結(jié)果，工程師應(yīng)實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵與其他設(shè)備的集成聯(lián)控。在制冷工況下，當(dāng)室外溫度較低且室內(nèi)冷負(fù)荷較小時(shí)，智能控制系統(tǒng)可以降低空氣源熱泵的壓縮機(jī)頻率，同時(shí)相應(yīng)減少與之相連的風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，以降低系統(tǒng)整體能耗。若建筑內(nèi)安裝有新風(fēng)系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)二氧化碳濃度和室外空氣品質(zhì)，合理調(diào)節(jié)新風(fēng)量，并協(xié)調(diào)空氣源熱泵對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷或預(yù)熱處理，確保在滿足室內(nèi)空氣質(zhì)量要求的前提下，最大程度地減少能量消耗。

在制熱工況時(shí)，智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)室外氣溫和室內(nèi)熱負(fù)荷需求，提前預(yù)測熱泵的啟動時(shí)間和運(yùn)行模式^[4]。同時(shí)，對地板輻射采暖系統(tǒng)或散熱器等室內(nèi)末端設(shè)備的水溫進(jìn)行精準(zhǔn)控制，避免過度加熱造成能源浪費(fèi)。

2.3管道精細(xì)布局，降低傳輸損耗

2.3.1遵循短直設(shè)計(jì)原則

[A5]"安裝人員在設(shè)計(jì)管道線路時(shí)，應(yīng)遵循短直原則，即盡可能地縮短管道的總長度并減少彎頭與變徑的數(shù)量。因?yàn)楣艿涝介L、彎頭和變徑越多，水流或氣流在其中流動時(shí)所受到的阻力就越大^[5]。安裝人員需要結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)備安裝位置，運(yùn)用專業(yè)的管道設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬優(yōu)化，確定最為合理的走向，以減少不必要的阻力損失。

2.3.2優(yōu)選管道管徑降低傳輸損耗

安裝人員應(yīng)選擇合適的管道管徑降低傳輸損耗。管徑過大，雖然流體阻力較小，但會增加管道材料成本和流體的蓄熱量，不利于系統(tǒng)的快速響應(yīng)與節(jié)能運(yùn)行；管徑過小，則會導(dǎo)致流速過快，引起較大的摩擦阻力，增加水泵或風(fēng)機(jī)的能耗。安裝人員應(yīng)根據(jù)空氣源熱泵的流量、揚(yáng)程和整個(gè)系統(tǒng)的阻力特性，依據(jù)流體力學(xué)原理與相關(guān)工程規(guī)范，精確計(jì)算并選擇適配的管徑，確保管道內(nèi)流體處于經(jīng)濟(jì)合理的流速范圍，平衡建設(shè)成本與運(yùn)行能耗。

2.3.3保溫材料的選用與施工

[A6]"保溫材料的選用與施工是管道精細(xì)布局中的重要環(huán)節(jié)。安裝人員應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際需求，挑選導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫性能好、耐久性強(qiáng)的保溫材料，如橡塑保溫管、玻璃棉保溫管等。在施工過程中，安裝人員應(yīng)確保保溫材料的包裹完整性與厚度均勻性，尤其在閥門、三通、彎頭等部位，不能出現(xiàn)保溫層脫落或縫隙，防止熱量從這些薄弱環(huán)節(jié)散失。

2.4運(yùn)維科學(xué)管理，延長設(shè)備壽命

運(yùn)維人員應(yīng)制訂完善的日常巡檢計(jì)劃。每日按照既定的巡檢路線與內(nèi)容，對空氣源熱泵的各個(gè)部件進(jìn)行細(xì)致檢查。檢查項(xiàng)目包括壓縮機(jī)的運(yùn)行聲音、振動情況和有無異常發(fā)熱，蒸發(fā)器和冷凝器的表面清潔度、有無結(jié)霜或結(jié)冰現(xiàn)象，制冷劑管路的連接是否牢固、有無泄漏跡象，電氣線路的接線端子是否松動、電線外皮有無破損等。

定期保養(yǎng)工作也是運(yùn)維管理的重要環(huán)節(jié)。運(yùn)維人員應(yīng)依據(jù)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)長和廠家建議，定期對空氣源熱泵進(jìn)行深度保養(yǎng) ^[6]。定期檢查和更換空氣過濾器，防止灰塵堵塞過濾器導(dǎo)致風(fēng)量減少，影響設(shè)備運(yùn)行效率。對壓縮機(jī)的潤滑油進(jìn)行檢測和更換，確保壓縮機(jī)在良好的潤滑環(huán)境下工作，減少機(jī)械磨損。

在故障維修方面，運(yùn)維人員需要建立快速響應(yīng)機(jī)制。一旦設(shè)備出現(xiàn)故障報(bào)警，應(yīng)立即趕赴現(xiàn)場進(jìn)行故障排查。利用專業(yè)的檢測工具和技術(shù)手段，準(zhǔn)確判斷故障原因，如確定是某個(gè)部件損壞，應(yīng)及時(shí)更換原廠配件或符合技術(shù)要求的替代配件。在維修完成后，運(yùn)維人員應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行全面測試和調(diào)試，確保其恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

運(yùn)維人員還應(yīng)注重對設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集與分析。通過安裝在設(shè)備上的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如溫度、壓力、流量、能耗等數(shù)據(jù)。定期對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，繪制運(yùn)行曲線，從而了解設(shè)備的運(yùn)行趨勢和性能變化情況。

3結(jié)語

綜上所述，全球建筑能耗持續(xù)攀升的態(tài)勢下，空氣源熱泵在暖通空調(diào)領(lǐng)域的重要性愈發(fā)顯著。從其基于逆卡諾循環(huán)原理運(yùn)作，核心部件協(xié)同實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移以達(dá)成供暖、制冷與熱水供應(yīng)等多樣功能，到依據(jù)建筑特性與氣候條件精準(zhǔn)選型、智能聯(lián)控提升能效、精細(xì)布局管道降低損耗、科學(xué)運(yùn)維延長壽命等一系列應(yīng)用策略的深入探究，充分展現(xiàn)空氣源熱泵的卓越特性與廣闊前景。盡管在低溫環(huán)境等方面仍面臨挑戰(zhàn)，但技術(shù)的不斷突破與創(chuàng)新將助力其克服局限。

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