空氣源熱泵技術(shù)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)實(shí)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(guó)空氣源熱泵方面的發(fā)展動(dòng)態(tài),本文將對(duì)近年來(lái)我國(guó)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(wèn)題及有待改進(jìn)的方向。最后通過(guò)工程實(shí)例分析，說(shuō)明恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)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(tái)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(guò)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(guò)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(shí)，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(guò)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(guó)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(lái)進(jìn)行供熱(供冷)的裝置。相對(duì)于其它熱泵類型而言，我國(guó)對(duì)空氣源熱泵的研究起步較早，研究?jī)?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?？諝庠礋岜冒惭b靈活、使用方便、初投資相對(duì)較低，且比較適用于分戶安裝，這也就使得我國(guó)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組市場(chǎng)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(guó)應(yīng)用的日趨廣泛，了解我國(guó)空氣源熱泵的研究狀況對(duì)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(wèn)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(shí)，當(dāng)室外空氣在流經(jīng)蒸發(fā)器被冷卻時(shí)，其所含的水分就會(huì)析出并依附于蒸發(fā)器表面形成霜層。結(jié)霜對(duì)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(shí)，除霜帶來(lái)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(diǎn)，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(guó)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(diǎn)與難點(diǎn)。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(shí)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(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)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(duì)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(wèn)題，傳統(tǒng)的除霜控制方法主要包括:定時(shí)除霜法、時(shí)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(shí)間控制法等。近年來(lái)由于計(jì)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(wèn)題的研究，作為一項(xiàng)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?yàn)榭諝庠礋岜媒Y(jié)霜問(wèn)題的影響是多因素、非線性的，而模糊控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就是處理多維、非線性、時(shí)變問(wèn)題。將模糊控制技術(shù)引入空氣源熱泵的除霜控制，通過(guò)對(duì)除霜過(guò)程的系統(tǒng)響應(yīng)分析，可以使除霜控制能夠自動(dòng)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(wèn)題的研究

?是對(duì)系統(tǒng)能的質(zhì)與量的綜合評(píng)價(jià)。對(duì)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(guò)?計(jì)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(gè)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(gè)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(diǎn)的概念，以期在此最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)溫度條件下， 整個(gè)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(shí)現(xiàn)熱泵節(jié)能優(yōu)化。此外，通過(guò)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(duì)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(jì)算機(jī)模擬在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷普及，計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)，關(guān)于計(jì)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(gè)方面:

（1）對(duì)壓縮機(jī)的計(jì)算模擬

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

（2）對(duì)蒸發(fā)器的計(jì)算模擬

通過(guò)對(duì)空氣源熱泵的蒸發(fā)器結(jié)霜問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，可以詳細(xì)分析蒸發(fā)器結(jié)霜和制冷劑充灌量對(duì)系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。另外，對(duì)于采用ε-NTU 法（效率—傳熱單元數(shù)法）對(duì)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(jì)算方法也有相關(guān)探討。

（3）系統(tǒng)仿真研究

通過(guò)建立房間空調(diào)器熱泵運(yùn)行時(shí)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(shí)的制冷系統(tǒng)參數(shù)及房間溫度變化的曲線，這對(duì)實(shí)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(shí)，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(gè)因素，在求熱泵供熱能耗時(shí)，還將室外空氣相對(duì)濕度這個(gè)重要參數(shù)考慮進(jìn)去，這就使得熱泵供熱能耗計(jì)算更為準(zhǔn)確，也為空氣源熱泵的應(yīng)用提供了一個(gè)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(xiàng)新技術(shù)，根據(jù)對(duì)變頻控制熱泵式VRV空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷運(yùn)行時(shí)的節(jié)能特性所做的一系列實(shí)驗(yàn)研究，可以獲得夏季部分負(fù)荷運(yùn)行特性。通過(guò)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(diǎn)

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(duì)于寸土寸金的城市繁華地段的建筑，或無(wú)條件設(shè)鍋爐房的建筑，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組無(wú)疑是一個(gè)比較合適的選擇。

2、無(wú)冷卻水系統(tǒng)，無(wú)冷卻水系統(tǒng)動(dòng)力消耗，無(wú)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(shí)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(jiǎn)單方便。一些小型系統(tǒng)可以做到通過(guò)室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管的啟?？刂茻岜脵C(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(dú)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(jià)較高，比水冷式機(jī)組加鍋爐的方案的系統(tǒng)綜合造價(jià)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(duì)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(shí)，熱泵機(jī)組不能正常工作。

四、空氣源熱泵有待解決的問(wèn)題

對(duì)于空氣源熱泵而言，除了具有種種優(yōu)點(diǎn)之外，仍存在很多不足及有待解決的問(wèn)題?？諝庠礋岜玫男阅苁苁彝鈿夂驐l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(lái)合理改善機(jī)組的性能。

空氣源熱泵另一個(gè)突出的問(wèn)題就是蒸發(fā)器冬季結(jié)霜問(wèn)題。這不但導(dǎo)致系統(tǒng)供熱性能的急劇下降，還將對(duì)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(shí)，結(jié)霜還將使機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用增加。盡管我國(guó)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(shí)驗(yàn)論證。另外，如何對(duì)機(jī)組本身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少蒸發(fā)器結(jié)霜，如何采用更好的除霜方式來(lái)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(dòng)較大，這就對(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)空氣源熱泵系統(tǒng)的自動(dòng)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(wàn)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(tái)美國(guó)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(tái)水泵，每臺(tái)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(tái)座減振?？照{(diào)系統(tǒng)末端設(shè)計(jì)為變水量，主機(jī)為定水量臺(tái)數(shù)控制。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)量，大樓工作人員對(duì)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(tái)，水泵運(yùn)行3臺(tái)，尚有少數(shù)樓層未投入使用），室內(nèi)基本滿足26℃的設(shè)計(jì)要求。冬季某天下大雪，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得系統(tǒng)供水溫度在39～40℃范圍波動(dòng)，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(shí)間間隔為30分鐘，化霜時(shí)間持續(xù)5分鐘。個(gè)別天氣出現(xiàn)早上不能正常開機(jī)時(shí)，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(gè)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(duì)大樓產(chǎn)生明顯影響，在熱泵所在樓層的電梯廳測(cè)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(tái)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?jī)?nèi)溫度可達(dá)25℃。使用至今曾有過(guò)一、二次結(jié)霜比較嚴(yán)重，自動(dòng)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(tái)水泵置于熱泵旁的室外平臺(tái)，與熱泵一一對(duì)應(yīng)，即每臺(tái)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(gè)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(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)開2臺(tái)熱泵已足以滿足空調(diào)要求，冬天極個(gè)別的惡劣天氣才需開3臺(tái)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。