空氣能熱泵在低溫工況下應(yīng)用的可行性分析

尹 園

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

空氣能熱泵是在少量電能的作用下，將從空氣中獲取的低品位熱量轉(zhuǎn)化為高品位熱量的設(shè)備。主要由節(jié)流裝置、蒸發(fā)器、冷凝器和壓縮機組成，各個單元通過管道連接成為一個封閉系統(tǒng)。當(dāng)液態(tài)制冷劑流經(jīng)節(jié)流裝置時，蒸發(fā)器對其加熱，使其汽化，從而吸收空氣中的低品位熱量；汽化的制冷劑被壓縮機吸收，并將其壓縮為高溫高壓的狀態(tài)；再通過冷凝器，使制冷劑由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，進而轉(zhuǎn)化為高品位熱量。液態(tài)的制冷劑再經(jīng)過節(jié)流裝置降壓，進入蒸發(fā)器，如此往復(fù)循環(huán)[1]。

空氣能熱泵具有節(jié)約能源和成本、環(huán)境友好、適用范圍廣、便于操作和安全性高等諸多優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于烘干農(nóng)產(chǎn)品、藥材、煙葉、木材等領(lǐng)域[2-4]。但是在較低溫度環(huán)境下使用時，一旦蒸發(fā)器處于低于0 ℃環(huán)境時，表面就會發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象。霜層不僅會阻礙空氣流通，降低制冷劑的換熱效率，還會造成傳熱面積變小，變相增加換熱熱阻，從而使供熱量減少。當(dāng)霜層累積較厚，會導(dǎo)致電能耗量增高，甚至?xí)绊戇\轉(zhuǎn)的可靠性，故在低溫工況下推廣應(yīng)用仍存在一定限制[5]。

近年來，國內(nèi)外大量學(xué)者致力于研究如何保障空氣能熱泵在低溫工況仍具有良好的運行效率，很多新技術(shù)應(yīng)用于空氣能熱泵，主要集中于除霜技術(shù)和改進空氣能熱泵系統(tǒng)兩方面[6]。

1 除霜技術(shù)分析

1.1 熱氣旁通除霜

熱氣旁通除霜廣泛應(yīng)用于各種類型的空氣能熱泵，它是通過在壓縮機出口與室外換熱器入口之間安置管路，使壓縮機排出的高溫高壓氣體進入室外換熱器，氣體所帶的熱量便可使霜層融化[7]。采用此方法除霜時，四通換向閥不需轉(zhuǎn)換方向，系統(tǒng)壓力不會發(fā)生較大波動，因此對機體不會產(chǎn)生沖擊，也不造成氣流噪音[8]。此外，采用該種方法時，所需能量源于壓縮機，不僅不會吸收室內(nèi)的熱量，還可向室內(nèi)提供一定的熱量，室溫變化小。大量研究表明，采用熱氣旁通除霜，在提高了供熱能力和COP(制熱能效比)的同時，還大大降低了能耗[9]。

1.2 逆循環(huán)除霜

逆循環(huán)除霜是在四通換向閥的作用下，切換室內(nèi)和室外換熱器的模式，即室內(nèi)由制熱模式變換為制冷模式，室外由制冷模式變換為制熱模式，通過室外換熱器即可融化所結(jié)霜層。霜層融化后，再切換回原來模式。僅通過改變四通換向閥便可完成除霜，簡便易行，應(yīng)用比較廣泛。然而，在切換模式的過程中，當(dāng)室內(nèi)切換至制冷模式時，室內(nèi)溫度也會相應(yīng)降低。為解決這一問題，有些研究改進了節(jié)流機構(gòu)，還有研究進行了制冷劑補償，以上方式使室內(nèi)溫度降低問題是有所改善，并提高了除霜效率[10-11]。

1.3 蓄能除霜

與傳統(tǒng)空氣能熱泵不同的是，蓄能除霜增設(shè)了蓄熱器，把蓄能技術(shù)和除霜技術(shù)融合在一起，將熱泵產(chǎn)生的余熱儲存，再應(yīng)用此部分的熱量進行除霜工作。解決了傳統(tǒng)除霜方法所需熱量只依靠壓縮機的問題，保障充足的能量來源，使熱泵運行更加穩(wěn)定。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，蓄能除霜在很大程度上節(jié)約了能量、提高了效率、增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。

1.4 加熱除霜

根據(jù)能量的來源不同，加熱除霜又可分為電加熱除霜和太陽能輔助除霜。其原理為：在室外換熱器表面安裝電熱絲，以電能或太陽能作為能量來源，使電熱絲發(fā)熱，進行除霜或達到延緩結(jié)霜的效果。采用電加熱方式進行除霜的過程中，盡管操作簡單，除霜徹底，但是能耗較大。而太陽能既為可再生能源，又為清潔能源，在高效除霜的前提下，降低了能耗。但加熱除霜所采用的電加熱絲在使用過程中，易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，存在隱患[13-14]。

2 空氣能熱泵系統(tǒng)分析

2.1 噴氣增焓技術(shù)

噴氣增焓技術(shù)是在中間壓力作用時，吸氣孔吸入一部分來自中間壓力的氣體，同時，部分制冷劑被壓縮，二者混合后再被壓縮，從而僅通過單臺壓縮機便可完成兩級壓縮，在提高冷凝器中制冷劑流量的同時，使主循環(huán)回路的焓差增加，因此，顯著提高了壓縮機的效率。噴氣增焓壓縮機可以在-25 ℃的低溫下工作，還可以提高熱泵系統(tǒng)的制熱量和COP，為空氣能熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用提供了可能[15]。

2.2 雙級壓縮技術(shù)

雙級壓縮技術(shù)是在高級壓縮和低級壓縮間增置一個補氣系統(tǒng)，此系統(tǒng)可分為經(jīng)濟器系統(tǒng)和中間冷卻系統(tǒng)，能使制冷劑冷卻，并顯著降低經(jīng)高級壓縮后的排氣溫度。與普通空氣能熱泵相比，雙級壓縮空氣能熱泵在適應(yīng)高壓縮比工況的同時，還能提供更高的熱量。有研究表明，雙級壓縮空氣能熱泵在室外溫度為-25 ℃及室內(nèi)溫度為21 ℃的狀態(tài)下，大幅度降低排氣溫度，且性能系數(shù)和制熱量有所提升[16]。

2.3 制冷劑蒸汽噴射技術(shù)

制冷劑蒸汽噴射技術(shù)是將壓力較高的制冷劑送入主噴射器中發(fā)生絕熱膨脹，產(chǎn)生高速氣流，通過此高速氣流不斷從蒸發(fā)器中抽氣，使蒸發(fā)器達到一定真空度。流經(jīng)冷凝器被冷卻的制冷劑通過節(jié)流裝置被減壓進入蒸發(fā)器，一部分制冷劑被蒸發(fā)并吸收剩余制冷劑的熱量達到降溫的效果。制冷劑經(jīng)過降溫后，通過泵排出，再經(jīng)過節(jié)流裝置提供冷量，如此實現(xiàn)循環(huán)利用。同時，蒸汽(噴射器和蒸發(fā)器)通過擴壓管道，壓力升高，但仍處于真空狀態(tài)，流入冷凝器中，與制冷劑混合并凝結(jié)。冷凝器殘存的不凝氣體，在輔助噴射器的作用下被抽離，因此冷凝器仍處于一定的真空狀態(tài)。水蒸氣進入其中并通過傳熱管冷卻為冷凝水，再通過冷水泵注入鍋爐，重復(fù)使用。為了證明制冷劑蒸汽噴射技術(shù)能夠改善空氣能熱泵的低溫適應(yīng)性，有學(xué)者先后在-20 ℃和-17.8 ℃下測試樣機，研究結(jié)果表明，與常規(guī)空氣能熱泵相比，制熱量和COP均有所提升[17]。

3 空氣能熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用的可行性分析

隨著科技的發(fā)展，能源危機和環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，空氣能熱泵無需消耗化石能源且無污染，具有廣闊的市場前景。但是由于低溫適應(yīng)性差，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用與發(fā)展。為了促進空氣能熱泵在低溫工況下的推廣，國內(nèi)外展開了大量的研究。盡管對除霜技術(shù)和空氣能熱泵系統(tǒng)有一定的改善，但是仍存在一定漏洞，包括：熱氣旁通除霜效率較低；逆循環(huán)除霜動力不足；蓄能除霜易出現(xiàn)供熱中斷的問題且成本較高；電加熱除霜能耗過大；噴氣增焓技術(shù)壓縮機壓縮比大、排氣溫度高；雙級壓縮技術(shù)溫跨范圍有限等。可見，空氣能熱泵在低溫工況下的實際應(yīng)用條件依然不夠充分。后續(xù)研究中，可結(jié)合結(jié)霜原理進行深入的研究，進一步完善除霜方式，優(yōu)化空氣能熱泵系統(tǒng)，爭取早日實現(xiàn)空氣能熱泵在低溫工況下的穩(wěn)定運行。

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