低溫空氣源熱泵的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

李勇

摘? 要：熱泵是當(dāng)前新能源技術(shù)應(yīng)用的重要支撐，其能將低位熱能轉(zhuǎn)化為高位熱能，滿足人們的實(shí)際應(yīng)用需要。本文在闡述低溫條件對(duì)空氣源熱泵影響的基礎(chǔ)上，就低溫空氣源熱泵的設(shè)計(jì)及應(yīng)用要點(diǎn)展開分析，期望能為低溫空氣源熱泵高效應(yīng)用提供保證。

關(guān)鍵詞：低溫空氣源;熱泵;設(shè)計(jì);應(yīng)用

可持續(xù)發(fā)展理念下，熱泵系統(tǒng)作為一種全新化的熱能源應(yīng)用設(shè)備而得到了廣泛應(yīng)用。然從低溫氣候空氣源熱泵運(yùn)作效率來看，其在蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流結(jié)構(gòu)、除霜方式等方面上存在一定問題，這使得設(shè)備的運(yùn)作性能和穩(wěn)定性受到較大影響，有必要進(jìn)行低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、低溫條件對(duì)空氣源熱泵的影響

空氣源熱泵由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)四大組件構(gòu)成。在實(shí)際運(yùn)作中，壓縮機(jī)會(huì)排出具有較高溫度和壓力的冷媒，這些冷媒會(huì)在冷凝器中冷凝液化，進(jìn)而釋放大量的熱能。同時(shí)，節(jié)流后的冷媒會(huì)在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，從環(huán)境中吸收大量熱能，由此實(shí)現(xiàn)了低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹挠行мD(zhuǎn)化。

低溫條件對(duì)空氣源熱泵的運(yùn)作具有較大影響。其中，蒸發(fā)器、冷凝器是影響最強(qiáng)烈的兩個(gè)單元。就蒸發(fā)器而言，一旦采用低溫空氣作為空氣源，則蒸發(fā)器的翅片會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)因素而導(dǎo)致易結(jié)霜;同時(shí)當(dāng)制冷劑流向設(shè)計(jì)、風(fēng)扇位置存在缺陷時(shí)，蒸發(fā)器還會(huì)出現(xiàn)換熱不均問題，使結(jié)霜現(xiàn)象更加惡化;此外，低溫條件下熱泵系統(tǒng)的冷媒循環(huán)量會(huì)減小，也會(huì)使得蒸發(fā)器出現(xiàn)分液不均。這些都降低了空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性和高效性。而在冷凝器使用中，當(dāng)冷凝溫度較低時(shí)也會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器頻繁結(jié)霜，因此冷凝溫度需要盡可能高點(diǎn)。但冷凝溫度高，壓縮機(jī)的排氣溫度也高，這樣一方面增加了壓縮機(jī)的能耗，降低了熱泵系統(tǒng)的運(yùn)作效率;另一方面，當(dāng)壓機(jī)的排氣溫度過高時(shí)，可調(diào)速壓機(jī)出于自身保護(hù)會(huì)進(jìn)行降速，這樣熱泵系統(tǒng)的輸出能力又減小了。這些都使得既有空氣源熱泵機(jī)組在低環(huán)溫運(yùn)行時(shí)，性能都大打折扣，甚至不能運(yùn)作。

二、基于低溫空氣源的熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、熱泵蒸發(fā)器設(shè)計(jì)

對(duì)于熱泵蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)，翅片間距跟形狀、迎風(fēng)管排數(shù)和風(fēng)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(qiáng)烈。就翅片的間距而言，間距過小會(huì)使得蒸發(fā)器結(jié)霜的速度較快，從而增加了空氣流動(dòng)的阻力;對(duì)此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)基于蒸發(fā)器和空氣間的換熱、流動(dòng)性能最優(yōu)來設(shè)計(jì)翅片間距，通常情況下，翅片的間距應(yīng)不小于1.8mm[1]。其次，在翅片設(shè)計(jì)中，可考慮使用外加電場(chǎng)的方法來延緩結(jié)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(jié)霜，以及在機(jī)組底盤設(shè)置加熱裝置，不斷提升蒸發(fā)器的運(yùn)作性能。

2、熱泵冷凝器設(shè)計(jì)

冷凝器在空氣源的熱泵作業(yè)中發(fā)揮著重要作用。在低溫空氣條件下，熱泵所產(chǎn)生的熱能會(huì)比正常條件下少很多，在這種情況下，冷凝器很少會(huì)出現(xiàn)能力不足問題。熱泵系統(tǒng)若未采用變頻設(shè)計(jì)，則不需要對(duì)冷凝器進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)。而當(dāng)系統(tǒng)采用了變頻設(shè)計(jì)或多級(jí)壓縮作業(yè)方式，則熱泵所產(chǎn)生的熱能與冷凝器結(jié)構(gòu)具有對(duì)應(yīng)性，此時(shí)應(yīng)根據(jù)具體系統(tǒng)對(duì)應(yīng)考慮冷凝器的面積，以此來實(shí)現(xiàn)冷凝換熱的最佳性能。

3、熱泵節(jié)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低溫空氣源熱泵使用時(shí)，其低位熱源溫度差異較大，這對(duì)熱泵系統(tǒng)的節(jié)流機(jī)構(gòu)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(tǒng)的調(diào)節(jié)需求?；谛滦枨?，設(shè)計(jì)可采用雙電子膨脹閥進(jìn)行冷媒流量的變化調(diào)節(jié)。在熱泵系統(tǒng)運(yùn)作中，當(dāng)?shù)臀粺嵩礈囟劝l(fā)生較大變化時(shí)，電子膨脹閥會(huì)結(jié)合所采集的數(shù)據(jù)當(dāng)前工況進(jìn)行分析，隨后進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，從而確?？諝庠礋岜眠\(yùn)作的穩(wěn)定性。

4、壓機(jī)的選型設(shè)計(jì)

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

5、氣液分離器和儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)

低溫空氣源條件下，針對(duì)空氣源熱泵的設(shè)計(jì)，還應(yīng)注重氣液分離器、儲(chǔ)液罐的有效規(guī)劃。具體而言，在低溫條件下，一旦熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，則制冷劑會(huì)局部地往蒸發(fā)器內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移;在熱泵下次開啟瞬間，壓縮機(jī)內(nèi)部會(huì)流入較多的液體，這不僅降低了壓縮機(jī)的運(yùn)作性能，而且容易使得壓縮機(jī)發(fā)生損壞?；诖藨?yīng)增設(shè)氣液分離器進(jìn)行保護(hù)。就氣液分離器而言，可將其設(shè)置在壓縮機(jī)之前，避免熱泵開機(jī)前液體進(jìn)入到壓縮機(jī)當(dāng)中。此外，針對(duì)儲(chǔ)液罐的設(shè)計(jì)，要求盡可能地增大冷凝器的容積，同時(shí)確保其容積接近蒸發(fā)器容積，這樣就可取消儲(chǔ)液器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化;而當(dāng)冷凝器容積無法再進(jìn)行調(diào)整時(shí)，則應(yīng)根據(jù)前端液體的實(shí)際流量，增設(shè)儲(chǔ)液罐進(jìn)行冷媒管理。需注意的是，儲(chǔ)液罐應(yīng)留有一定富余，同時(shí)應(yīng)合理設(shè)置儲(chǔ)液罐引流裝置，及時(shí)清理儲(chǔ)液罐，為壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)作創(chuàng)造有利條件。

6、除霜方式設(shè)計(jì)

低溫環(huán)境條件容易使得空氣源熱泵在運(yùn)作中出現(xiàn)冷凝霜，因此還需注重除霜方式的有效設(shè)計(jì)。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(tǒng)內(nèi)部的壓縮機(jī)出口處增加一個(gè)旁通的閥門，該閥門聯(lián)通蒸發(fā)器，隨后通過升溫條件控制即可達(dá)到除霜目的。電除霜中，人們?yōu)檎舭l(fā)器增設(shè)除霜盤管，隨后通過電加熱方式進(jìn)行除霜。此外，還可通過四通閥來切換熱泵的工作狀態(tài)，有效去除熱泵中的冷凝霜，提升設(shè)備運(yùn)作效率。低溫空氣源熱泵系統(tǒng)帶四通閥時(shí)當(dāng)優(yōu)先采用四通閥反向除霜的方式，當(dāng)其不帶四通閥時(shí)優(yōu)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(shí)際應(yīng)用

1、項(xiàng)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(jié)構(gòu)布局形體來看，建筑為南北朝向，熱工性能符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。在建筑采暖設(shè)計(jì)中，工程采用空氣源熱泵采暖系統(tǒng)，在冬季，該地區(qū)室外溫度為零下14℃，而室內(nèi)溫度要求保持在20℃，為低溫空氣源熱泵采暖應(yīng)用。

2、低溫空氣源熱泵應(yīng)用過程控制

基于低溫環(huán)境對(duì)熱泵運(yùn)作性能的影響，本項(xiàng)目在空氣源熱泵應(yīng)用初期，先進(jìn)性房間負(fù)荷的確定及空氣源熱泵選型的確定。就房間負(fù)荷而言，考慮建筑總熱負(fù)荷需要及節(jié)能需要，然后根據(jù)熱源富余量不超過10%的要求，進(jìn)行空氣源熱泵機(jī)組選型。同時(shí)，合理布局熱泵機(jī)組擺放形式，確保整個(gè)機(jī)組安裝部位無障礙物，無遮擋，同時(shí)通風(fēng)狀況良好，項(xiàng)目將熱泵機(jī)組安裝在陽臺(tái)或屋頂?shù)炔课?，并且確保安裝位置能承受室外機(jī)自重的2～3倍重量，為機(jī)組的高效運(yùn)作創(chuàng)造了有利條件。最后，對(duì)熱泵的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行管理，針對(duì)白天夜間不同的環(huán)境溫度設(shè)置不同的采暖目標(biāo)溫度，確保該低溫空氣源熱泵滿足項(xiàng)目采暖需要的同時(shí)盡可能的節(jié)能。

3、項(xiàng)目應(yīng)用效果

項(xiàng)目投入運(yùn)行后，經(jīng)過1個(gè)完整采暖季節(jié)的運(yùn)行，該低溫空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、效果良好，能滿足用戶采暖需求，也受到了用戶的好評(píng)。從后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)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(yùn)行時(shí)間約16小時(shí)。

結(jié)論

低溫環(huán)境條件對(duì)于空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用具有較大影響。只有充分認(rèn)識(shí)到低溫環(huán)境條件對(duì)熱泵系統(tǒng)的影響，然后在熱泵蒸發(fā)器、熱泵冷凝器、熱泵節(jié)流機(jī)構(gòu)、壓縮機(jī)、氣液分離器和儲(chǔ)液罐、除霜方式等要素針對(duì)設(shè)計(jì)的同時(shí)，加大空氣源熱泵機(jī)組應(yīng)用管理，才能有效提升空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用效率和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能的有效轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn)

[1]? 王超，趙蕾，李延，等.制冷劑噴入技術(shù)在空氣源熱泵中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].制冷學(xué)報(bào)，2019（5）：13-25.