空氣源熱泵的性能分析與工藝設計研究

張紹黎

[摘 要]空氣源熱泵不僅性能優(yōu)越，工作效率高，耗能低，且環(huán)保無污染，因而社會普遍認可。但是空氣源熱泵受氣候影響較大，在氣溫極低的冬季，其性能受到很大限制。因此，如何改善其工藝設計理念，使其性能得到最大限度的發(fā)揮，是當中重要的研究課題。本文通過對空氣源熱泵的性能進行分析，并對其工藝設計進行研究。

[關鍵詞]空氣源熱泵；性能分析；工藝設計研究

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）12-0046-01

前言：以往由于我國片面地追求經(jīng)濟發(fā)展，忽略了對環(huán)境的保護。隨著我國社會經(jīng)濟的不但發(fā)展，人們的環(huán)保意識不斷增強，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為當今時代發(fā)展的主題。在建筑耗能中，熱水器的耗能居高不下，降低熱水器的耗能是節(jié)能減排的重要手段。空氣源熱泵通過對大氣中的熱量的再利用，不僅節(jié)能環(huán)保，同時提高了資源的利用率，降低能耗，使當前熱水器首選的裝置。

一、空氣源熱泵的性能與發(fā)展現(xiàn)狀

空氣源熱泵的熱源主要是來自于周圍的環(huán)境，空氣源熱泵的采暖系統(tǒng)從大氣中吸收熱量進而為室內的裝置供熱。一般情況下，尋常人家里使用的空氣源熱泵是把小型的壓縮機再次進行壓縮，進而使問題提高到四五十度，這樣就可以把它當做中央空調來取暖，或者把它做成熱水器。這種方式在我國南方?jīng)]有暖氣的地方廣為使用?？諝庠礋岜玫南到y(tǒng)與其他熱水器的系統(tǒng)相比，首先，安全性更好；其次，耗能小，輸出的熱量多，并且可以通過計算機對溫度和時間進行調節(jié)，避免造成不必要的浪費；最后與建筑的適應性強，不受建筑影響。用戶使用空氣源熱菜系統(tǒng)的節(jié)能效率年平均可達60%～70%[1]。

盡管空氣源熱泵有很多優(yōu)點，但是其自身也存在著一定的缺陷急需解決。由于空氣源氣泵利用的空氣中的熱量，因此，在冬季北方比較冷的地區(qū)不能正常使用，當室外氣溫比較低的空氣熱源被空氣源熱泵吸收后，會在系統(tǒng)內部結霜，進而造成空氣流動不通，阻礙其性能的正常發(fā)揮。為了改變這種現(xiàn)狀，國內外對空氣源熱泵進行系統(tǒng)優(yōu)化，日本已經(jīng)推出了雙級壓縮VRV系統(tǒng)，當室外溫度下降到的零下十度的情況下，依然可以成長使用。

二、空氣源熱泵的優(yōu)化設計

空氣源熱泵是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的技術，隨著科學技術的不斷發(fā)展，對空氣源熱泵的運行系統(tǒng)不斷優(yōu)化和升級，使其即使在溫度很低的情況也不影響其性能的正常發(fā)揮。在對空氣源熱泵的優(yōu)化設計的研究中，很多研究者更注重于對于參數(shù)的調配、零件的選取以及如何降低其生產(chǎn)成本等方面的問題，但是關于如何優(yōu)化其運行裝置，提高運行的性能，改善變工況下的熱力學性能滿足能量需求的多樣化方面，卻很少研究。除此之外，根據(jù)空氣源熱泵在實際運行中的特點，在變工的情況下，很難全面的反應熱力學的特性，因此，為了充分發(fā)揮其性能，根據(jù)空氣源熱泵的系統(tǒng)在變工情況下的特點，建立相應的模型，進而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在運行過程中存在的不足，并針對其不足進行改進。因此，在設計空氣源熱泵系統(tǒng)的過程中可以通過以下幾方面進行優(yōu)化。

（一）對于冷凝器面積的設置

對于冷凝器可以使用小型家用空氣源熱泵的裝置，通過仿真實驗的方式，進一步研究周圍的環(huán)境以及系統(tǒng)的裝置對其性能的影響，根據(jù)研究結果來對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。通過相關研究表明，如果冷凝器與蒸發(fā)器的面積比可以控制在0.1到0.118之間，空氣源熱泵的性能可以達到最佳狀態(tài)。

（二）對于水箱入水口的設計

循環(huán)水在水箱入口的位置的時候，對系統(tǒng)運行的性能具有重要影響。循環(huán)水的高度與COP呈正相關，循環(huán)水的高度越高，系統(tǒng)的COP也就越高。在其他條件不變的情況下，如果箱內循環(huán)水的高度從0.17升到水箱的頂端，系統(tǒng)的COP就會從3.8升到3.9。雖然在這個過程中隨著水箱的溫度隨著循環(huán)水的升高而下降，但是下降的幅度很小，基本上可以忽略不計。因此，可以將水箱的進水口設置在水箱的頂部，這樣系統(tǒng)的COP可以發(fā)揮到最大。

（三）對于壓縮機的設計

根據(jù)空氣源熱泵熱水裝置變工況運營的特點，建立相應的仿真實驗，實驗結果表明，如果空氣源熱泵熱水裝置環(huán)境周圍的氣溫在7攝氏度的時候，如果在其他條件都不變的情況下，把壓縮機的絕熱效率從0.6升至0.85，壓縮機有效能損失減少三分之二，系統(tǒng)有效能效率從35%增加到45.5%，系統(tǒng)不可逆程度改善10.5%[2]。如果壓縮機的絕熱效率在0.78的時候，是壓縮機為有效能損失最大的節(jié)點。如果其他條件不變，冷凝器的溫差與系統(tǒng)的有效能呈負相關，當冷凝器的溫差下降4攝氏度，系統(tǒng)的有效能效率有會提高4.7%。如果其他條件不變，系統(tǒng)的蒸發(fā)器換熱差與系統(tǒng)的有效能效率也呈負相關，如果蒸發(fā)器的換人插下降5攝氏度，系統(tǒng)有效能效率就會相應的提高4.9%。因此，壓縮機的平均有效能損失系數(shù)最高，冷凝器平均有效能損失所占的比例僅次于壓縮機損失所占的比例[3]。

但是要是提高壓縮機的效率，就要從整體設計整個工藝，是一個長期工程，不可能在短時間內將其實現(xiàn)，所以，可以通過改變熱力循環(huán)的方式，從冷凝器的換熱的環(huán)節(jié)入手，不僅簡單易行，而且效果顯著。

（四）設置定時、定溫模式

在實際操作的過程中，要充分考慮到晝夜溫差以及不同的用戶對熱水的需求各不相同，為了使空氣源熱泵的性能發(fā)揮到最大，可以與計算機技術相結合，為系統(tǒng)設置定時、定溫兩種智能控制模式。在設置定時的模式時，對其影響最大的兩個因素是晝夜溫差以及峰谷電價政策。設置水溫時，直接影響到熱泵系統(tǒng)的熱力學特性和熱水的供應能力，但是熱泵系統(tǒng)的熱力學特性和熱水的供應能力是相互矛盾的。因此，需要通過引進送水系數(shù)來解決這個矛盾。如果將水溫設置在45攝氏度的時候，這個時候熱水放出來的量與居民對熱水的需求之間的比值就是居民的滿足程度。水溫的設定的高低與送水系數(shù)呈正相關，與系統(tǒng)COP呈負相關。但是，當送水系數(shù)達到百分之百的時候，即使再進一步提高水溫，送水系數(shù)也不會再改變。所以，可以將送水系數(shù)設置在百分之百，既能滿足用戶的需求，同時節(jié)能的效果也最為明顯。

結論

總而言之，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的生活水平與生活質量也在不斷提高，在選擇家具用品的時候，不僅考慮其運行性能，還要綜合考慮其是否環(huán)保節(jié)能等因素?？諝庠礋岜眉夹g剛好滿足人們的需求，為了使其性能進一步優(yōu)化，通過仿真實驗的方式，根據(jù)其運行的特點，對其系統(tǒng)進一步優(yōu)化設計，使其性能得到最大限度的發(fā)揮。

參考文獻

[1] MicheleVID.關于空氣源熱泵機組的值暖通空調技術[J]，上海市暖通情報網(wǎng)，1998.

[2] 江輝民，王洋，馬最良，姚楊.帶熱水供應的家用空調器的探討[J].建筑熱能通風空調，2004（1）：48-51.

[3] 郭俊杰.空氣源熱泵熱水裝置優(yōu)化分析與運行策略研究[D].上海：上海交通大學，2013.