空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在寒冷地區(qū)的應(yīng)用研究

黎志瑜

（廣東瑞星新能源科技有限公司，廣東 江門 529700）

目前，空氣源熱泵系統(tǒng)作為一種熱能再生系統(tǒng)，它可以有效的將熱量進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)熱量傳輸?shù)哪康?。但是，空氣源熱泵系統(tǒng)作為一種常用的熱能再生系統(tǒng)，其設(shè)備系統(tǒng)本身不會產(chǎn)生熱量，主要工作機(jī)理是將空氣熱源進(jìn)行處理與存儲，然后經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)備的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)換目的。設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，以智能技術(shù)的方式將有用熱能可以直接轉(zhuǎn)換成可直接應(yīng)用的熱能，滿足人類熱源的需求。因此，使用暖通空調(diào)或者熱水供應(yīng)的用戶，可以直接從空氣源熱泵系統(tǒng)中獲得有用熱能，基于此，我們才將空氣源熱泵系統(tǒng)稱為是一種熱能再生系統(tǒng)。同時空氣源熱泵系統(tǒng)在遵循能量的循環(huán)利用原則基礎(chǔ)上，將室內(nèi)的熱量通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳播到室外的大氣中，形成室內(nèi)熱損失。從另一角度分析，空氣源熱泵系統(tǒng)也可以作為低溫?zé)嵩炊伪淮髿庵械臒崃课?，從而維護(hù)人們?nèi)粘Ｋ枰氖覂?nèi)溫度，這種循環(huán)方式解決了傳統(tǒng)供暖方式中的高耗能問題。因此，使用空氣源熱泵供暖，其應(yīng)用前景廣闊。

1 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組設(shè)計

1.1 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組設(shè)計概述

以LWH-500HMCRN1H 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組為例，對空氣側(cè)換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。所設(shè)計的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組采用可單臺/多臺并聯(lián)方式，在制冷工況下，單臺的輸入功率為40W；在制熱工況下，單臺的輸入功率為43W，在辦公樓、商場、賓館或酒店中使用。LWH-500HMCRN1H 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組采用R410A 作為制冷工質(zhì)，以制冷工作模式作為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，以制熱工作模式進(jìn)行校驗，其工作條件和設(shè)計工況如表1所示。

1.2 循環(huán)系統(tǒng)及工作原理

LWH-500HMCRN1H 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的循環(huán)原理如圖1 所示。整個循環(huán)的方式為當(dāng)?shù)蜏氐蛪褐评鋭┱魵馔ㄟ^壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體后，通過四通換氣閥進(jìn)入翅片管風(fēng)冷換熱器放熱，將釋放的氣體冷凝成液體，低溫低壓制冷劑通過第一電子膨脹閥內(nèi)的節(jié)流與氣液混合，通過管殼式換熱器吸熱，通過四通換氣閥進(jìn)入氣液分離器，然后返回壓縮機(jī)，完成整個制冷循環(huán)的過程。

圖1 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)熱力過程分析

2.1 制冷模式下的熱力過程分析

根據(jù)表1 設(shè)定的條件，將制冷量設(shè)置為130kW，制熱量設(shè)置為140kW，冷熱機(jī)組是由不同的子系統(tǒng)組成，每一個子系統(tǒng)的制冷量為32.5kW，制熱量為35kW。根據(jù)條件，在設(shè)計的過程中需要注意：不同管路之間的連接壓降可忽略；制冷工質(zhì)中，冷凝和過冷都在冷凝器中進(jìn)行；壓縮機(jī)的冷卻和散熱也在冷凝器中進(jìn)行；過熱過程在蒸發(fā)器中進(jìn)行。

表1 機(jī)組工作條件和設(shè)計工況

制冷循環(huán)相關(guān)參數(shù)如下：

冷凝壓力與蒸發(fā)壓力比：

單位質(zhì)量制冷量：Q0=h1-h5=1.52.45kJ/Kg

表示進(jìn)出口焓值。

單位容積制冷量：qv=q0/v1=4779.0kg/m3

v1表示進(jìn)氣口比體積。

單位質(zhì)量理論功：w0=h2s-h51=35.7kJ/Kg

2.2 計算輸氣系數(shù)

渦旋式壓縮機(jī)與其它同類機(jī)器相比，其具有噪音低、運(yùn)行可靠、振動小、體積小的顯著特點(diǎn)，因此具有超靜壓縮機(jī)的稱號，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及醫(yī)療器械等方面得到了廣泛應(yīng)用。由于渦旋式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)制存在著一定特殊性，因此溶劑系統(tǒng)λ=1 另外，該壓縮機(jī)在結(jié)構(gòu)組成上并沒有設(shè)置吸氣閥，整個壓縮機(jī)的吸氣過程中，吸氣壓力損失較小，所以，壓力系數(shù)為λp=1，發(fā)生泄露的幾率較小，而且容積效率保持在95%以上，因此可以將泄露系數(shù)設(shè)置為λ1=0.95。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得到渦旋式壓縮機(jī)的輸入系數(shù)為：λ=λvλpλrλ1=0.95。

2.3 COP 計算

空調(diào)使用的渦旋式壓縮機(jī)指示效率在75%左右，因此壓縮機(jī)的指示效率為：

Pi=p0/ηi=10.01kW

其中，ηi表示指示效率；P 表示指示功率。

空調(diào)使用的渦旋式壓縮機(jī)機(jī)械機(jī)械效率大概在90%左右，因此壓縮機(jī)的軸功率為：

Pe=pi/ηm=11.13kW

其中，ηm表示機(jī)械效率。

電動機(jī)的效率一般保持在90%以內(nèi)，因此壓縮機(jī)的輸入功率為：

P=Pe/ηcl=11.13/0.96=11.59kW其中，ηcl表示取電效率。

綜上所述，可得COP 的值為：COP=F0/P=2.08

3 空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用

3.1 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組在我國的應(yīng)用

空氣源熱泵冷熱水機(jī)組是我國常用的一種熱泵，也是最早的熱泵機(jī)組。20 世紀(jì)80 年代，我國擁有了第一套水熱泵空調(diào)系統(tǒng)，8F10S 冰箱作為主機(jī)為商場供熱/供冷，運(yùn)行效果良好，但尚未完全推廣。直至20 世紀(jì)80 年代末，我國信息技術(shù)的不斷發(fā)展，開始促進(jìn)了空氣源熱水泵系統(tǒng)的升級與改造，諸多科學(xué)研究者開始嘗試將新的技術(shù)系統(tǒng)放置在原有的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組之中，從而加大了空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的運(yùn)行效能。新的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組研發(fā)使用，逐漸取代傳統(tǒng)的活塞式空氣源熱泵冷熱水機(jī)組。在隨后的發(fā)展中，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組隨著生產(chǎn)廠家的增加和市場的繁榮，在國內(nèi)受到了極大的歡迎。

目前，空氣源熱水泵在我國的使用呈現(xiàn)出爆發(fā)趨勢，其主要廣泛地應(yīng)用于商場、寫字樓、公共場所等建筑領(lǐng)域空間內(nèi)容。并且，隨著空氣源熱水泵的系統(tǒng)完善與升級，其應(yīng)用范圍越來越廣，尤其是在北風(fēng)寒冷的地區(qū)，在京津地區(qū)、山東、河南、河北、西安等地區(qū)，采用空氣源熱泵作為冷熱源。這些地區(qū)冬季氣溫低，需要供暖，供暖周期長，需求量大。北方冬季氣候干燥，室外相對濕度基本保持在45%-65%之間，具體如表2 所示。

表2 部分城市采暖溫度與室外相對濕度

根據(jù)表2 可得，這些地區(qū)進(jìn)行供暖十分有必要，在這些地區(qū)選用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組作為冷熱源，可以讓冬天保持在一個相對平均的室內(nèi)溫度。目前，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組廣泛的應(yīng)用于我國的商場、銀行、寫字樓等領(lǐng)域中，但是，其應(yīng)用環(huán)境一般都是普通溫度環(huán)境。一旦空氣源熱泵冷熱水機(jī)組遭遇低溫環(huán)境，其設(shè)備運(yùn)行效果就會降低，如何加強(qiáng)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的低溫適應(yīng)性已經(jīng)成為研究應(yīng)用的焦點(diǎn)。以當(dāng)前空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的應(yīng)用現(xiàn)狀為例，其提高該設(shè)備的低溫適用性方法通常有：當(dāng)室外氣溫較低時，可用變速風(fēng)機(jī)啟動高速運(yùn)轉(zhuǎn)，增加吸熱，減少結(jié)霜。如果在寒冷地區(qū)，建筑物的排風(fēng)可以作為低溫?zé)嵩?，改善低層熱源；?dāng)室外環(huán)境溫度較低時，可以通過提高壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來增加供熱。當(dāng)廢氣溫度較高時，可以通過排出液體來吸收冷卻溫度，從而降低廢氣溫度。

3.2 空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的應(yīng)用

3.2.1 現(xiàn)狀分析

從目前我國空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，仍然存在著較為明顯的應(yīng)用局限性、設(shè)備環(huán)境適應(yīng)差的現(xiàn)象。雖然單從空氣源熱泵的功能機(jī)制來看，其具有明顯的優(yōu)點(diǎn)與功能特點(diǎn)，但是，空氣源熱泵系統(tǒng)本身受溫度環(huán)境的影響性較大。而在我國北方地區(qū)，冬季時溫度會極具下降，如東北地區(qū)，這就導(dǎo)致空氣源熱泵的系統(tǒng)效能受限，甚至?xí)υO(shè)備的穩(wěn)定性、壽命造成影響。并且，空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱能力會隨著室外溫度的變化而變化，室外溫度越低，供暖性能越差。一旦溫度低于空氣源熱泵的原設(shè)定工作溫度值時，就會導(dǎo)致整臺設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行異常或作業(yè)停止。且如果熱泵系統(tǒng)的假除霜情況加劇或者除霜時間過長，室內(nèi)溫度會發(fā)生變化，用戶總會感覺有冷風(fēng)吹過。機(jī)組低溫啟動時間長，啟動階段或除霜階段后容易燒毀。同時也會造成較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。如果新風(fēng)機(jī)組無法正常工作，容易影響到室內(nèi)的空氣質(zhì)量，讓長期生活在室內(nèi)的人們出現(xiàn)相應(yīng)的負(fù)面影響。據(jù)相關(guān)調(diào)查，傳統(tǒng)的新風(fēng)機(jī)組的防凍方式也無法解決新風(fēng)機(jī)組存在的防凍問題。

3.2.2 具體應(yīng)用

隨著空調(diào)系統(tǒng)的普及與應(yīng)用范圍延伸，空調(diào)通風(fēng)能耗增加。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗占建筑總能耗的20% ，而新風(fēng)能耗占建筑總能耗的4%～12%。因此，要改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，不能只通過減少新風(fēng)量來節(jié)省能耗，而要通過增加新風(fēng)量的供給來節(jié)省能耗。當(dāng)空氣的風(fēng)平衡和熱平衡達(dá)到合理狀態(tài)時，新鮮空氣的能耗就會排到外面。在寒冷地區(qū)，新鮮空氣的熱量會根據(jù)室內(nèi)外的溫差而增加，這樣可以從排放口獲得更多的可用熱量來使用。通過設(shè)置熱回收裝置，可以降低新風(fēng)所需的能量，使機(jī)組負(fù)荷達(dá)到平衡狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能的目的。在圖2 中可以清晰的看見熱泵制熱性能數(shù)值的變化。

圖2 熱泵制熱性能指數(shù)跟隨時間變化

為了讓空氣源熱泵可以在低溫的環(huán)境下高效運(yùn)行，國內(nèi)外都對其性能展開了技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品升級。在針對廢熱回收利用方面的研究較早，因此發(fā)展也較為迅速，在國外的發(fā)達(dá)國家，大型空調(diào)熱回收的研究已經(jīng)非常成熟，并對熱回收熱泵的可行性進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，熱回收熱泵的經(jīng)濟(jì)價值可以在5 年內(nèi)得到很好的利用。同時，可以根據(jù)余熱回收時間縮短熱泵的回收周期，從而提高經(jīng)濟(jì)價值。為了解決熱量回收問題，國內(nèi)外各大空調(diào)廠商都下大力氣對機(jī)組進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了多輪節(jié)能產(chǎn)品研發(fā)。比如熱回收型雙管束冷凝器熱泵機(jī)組和風(fēng)冷型熱回收型雙管束冷凝器制冷機(jī)組，兩者都屬于冷凝熱回收產(chǎn)品，雙管束使用兩個冷凝器回收冷凝熱，但這種熱回收型機(jī)組的適用場所有限。因此，為了解決熱回收型機(jī)組的使用場所有限性問題，一些廠家相繼開發(fā)了新的空氣源熱泵系統(tǒng)，主要采用翅片式冷凝器V 型結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)而提升系統(tǒng)的散熱效果。在壓縮機(jī)的選擇上，主要通過安裝閉渦旋壓縮機(jī)，提升壓縮機(jī)及整個設(shè)備的抗液擊能力，并通過在機(jī)組中設(shè)計微電腦系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對整個機(jī)組的智能化控制，這從技術(shù)創(chuàng)新上提高了熱泵設(shè)備的適用范圍，又提高COP 的輸出值，從而達(dá)到更好的節(jié)能效果。

目前，我國一直致力于新的熱泵技術(shù)研究，國內(nèi)市場上所采用的空氣源熱水泵與傳統(tǒng)的空氣源熱水泵相比，其具有風(fēng)量大、噪音低、壽命長、通用性強(qiáng)、作業(yè)效率高、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，其廣泛地應(yīng)用于賓館、商業(yè)住宅樓、醫(yī)院、大型商場、辦公樓、別墅、科研機(jī)構(gòu)等場所。并且，現(xiàn)行的空氣源熱泵系統(tǒng)都進(jìn)行重新設(shè)計與優(yōu)化，每個制冷系統(tǒng)各自獨(dú)立分工，任何一個制冷環(huán)路發(fā)生異常情況均不會影響到其它環(huán)路；其安裝現(xiàn)場組合成完成的機(jī)組，模塊單元重量輕、體積小，可根據(jù)用戶要求以及空調(diào)的使用面積進(jìn)行模塊間自由組合。經(jīng)過國內(nèi)主流的空氣源熱泵運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)狀各個領(lǐng)域采用的空氣源熱水泵最起碼都能夠在-25℃的溫度下正常運(yùn)行，而這一使用數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的空氣源熱水泵相比，顯然是適用穩(wěn)定性提升明顯。因此，目前中國對熱水技術(shù)的研究雖然與國外一些發(fā)達(dá)國家相比存在著一段差距，但是整體的技術(shù)水平卻保持在世界的中端及以上。而近年來，國內(nèi)的研究重點(diǎn)主要集中在如何利用空氣源熱泵回收空調(diào)系統(tǒng)的排熱，該研究也是解決當(dāng)前暖通空調(diào)環(huán)境問題的有效方法之一。

4 結(jié)論

熱泵裝置系統(tǒng)功能強(qiáng)大，而空氣源熱泵作為熱泵系統(tǒng)中的一個重要組件，與其他熱泵技術(shù)相比，其發(fā)展不可限量。不僅僅是因為空氣源熱泵具有節(jié)能環(huán)保的功能，更重要的是空氣源熱泵在整個供暖的過程中可以實(shí)現(xiàn)熱量的循環(huán)，以一種能量閉路循環(huán)使用的方式進(jìn)行使用。如果是在建筑物中進(jìn)行使用，建筑物會將室內(nèi)的熱量散播到周圍的大氣中，讓空氣源熱泵可以在大氣中得到充足的熱量吸收，繼而再將品位送還至建筑物中，以彌補(bǔ)損失的熱量，維系室內(nèi)的溫度。因此，空氣源熱泵供暖作為生態(tài)供暖的重要組成，其發(fā)展前景廣闊，可以得到大力使用和推廣。