空氣源熱泵技術的應用與設計實例

羅強

四川職業(yè)技術學院電子電氣工程系

【摘 要】為了更好地了解我國空氣源熱泵方面的發(fā)展動態(tài)，本文將對近年來我國關于空氣源熱泵的研究進行分析，并在此基礎上指出空氣源熱泵所存在的問題及有待改進的方向。最后通過工程實例分析，說明恰當?shù)脑O計是空氣源熱泵系統(tǒng)順利得以應用的關鍵。

【關鍵詞】空氣源熱泵；研究現(xiàn)狀；應用

一、熱泵工作原理

一臺壓縮式熱泵裝置，主要有蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過讓工質不斷完成蒸發(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)過程，從而將環(huán)境里的熱量轉移到水中或空氣中（如圖1所示）。

熱泵在工作時，把環(huán)境介質中的能量QA在蒸發(fā)器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機耗電QB；通過工質循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進行放熱QC，QC=QA+QB，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機做的功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） 熱源來進行供熱（供冷） 的裝置。相對于其它熱泵類型而言，我國對空氣源熱泵的研究起步較早，研究內容也較多。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、初投資相對較低，且比較適用于分戶安裝，這也就使得我國空氣源熱泵冷熱水機組市場空前繁榮，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應用的日趨廣泛，了解我國空氣源熱泵的研究狀況對于后續(xù)研究而言具有重要的意義。

1、空氣源熱泵結霜、化霜問題的研究

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，當室外空氣在流經(jīng)蒸發(fā)器被冷卻時，其所含的水分就會析出并依附于蒸發(fā)器表面形成霜層。結霜對熱泵是極其不利的，隨著霜層的形成，蒸發(fā)器傳熱熱阻增加，蒸發(fā)溫度下降，機組的性能下降，工況惡化，制熱量也將下降，這將嚴重影響壓縮機以及熱泵整體的性能。同時，除霜帶來的額外費用還將降低空氣源熱泵的經(jīng)濟性。盡管空氣源熱泵具有很多優(yōu)點，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黃河以南地區(qū)得到了廣泛應用的主要原因。而在黃河以北地區(qū)，應用空氣源熱泵則根據(jù)所處地區(qū)不同有其特殊要求。

結霜機理、化霜方法一直是空氣源熱泵研究與應用中要解決的重點與難點。目前，有不少關于空氣源熱泵機組冬季運行狀況的研究，主要分析供熱時不同工況下空氣盤管表面濕空氣結霜、結露及干冷卻特性，并結合結霜過程進行試驗和模擬，分析了迎面風速、環(huán)境溫濕度、翅片間距、管排數(shù)等參數(shù)對結霜性能的影響及其可能產(chǎn)生的一系列后果。了解結霜機理的主要目的是要解決如何除霜的問題，傳統(tǒng)的除霜控制方法主要包括：定時除霜法、時間—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、最佳除霜時間控制法等。近年來由于計算機技術的發(fā)展，將模糊控制技術引入空氣源熱泵除霜問題的研究，作為一項先進可行的新技術，逐漸引起了人們的注意。這主要是因為空氣源熱泵結霜問題的影響是多因素、非線性的，而模糊控制技術的優(yōu)勢就是處理多維、非線性、時變問題。將模糊控制技術引入空氣源熱泵的除霜控制，通過對除霜過程的系統(tǒng)響應分析，可以使除霜控制能夠自動適應機組工作環(huán)境的變化，達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)能問題的研究

?是對系統(tǒng)能的質與量的綜合評價。對系統(tǒng)進行?分析可以揭示出系統(tǒng)中?損失的部位、類型和數(shù)量，以便設法減少這些損失。通過?計算分析可知，壓縮功只有20%被利用，有80%被損失，其中，壓縮機?損失占30.7%，冷凝器占20.14%，蒸發(fā)器占17.15%，毛細管占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，提高壓縮機本身的技術指標，是提高整個系統(tǒng)?效率的關鍵，而冷凝器和蒸發(fā)器?優(yōu)化措施主要是設法降低傳熱溫差。當然，系統(tǒng)的節(jié)能改進與經(jīng)濟性是相互制約的，僅從能效進行分析有一定的局限性。從這個角度出發(fā)，有關研究人員提出供熱最佳經(jīng)濟平衡點的概念，以期在此最佳經(jīng)濟平衡點溫度條件下， 整個供熱系統(tǒng)（熱泵+ 輔助熱源）的初投資與運行費最少，從而合理實現(xiàn)熱泵節(jié)能優(yōu)化。此外，通過空氣源熱泵機組與水冷冷水+鍋爐機組、溴化鋰吸收式機組3種方案的經(jīng)濟性比較可以得出，空氣源熱泵相對于其它兩種形式而言，經(jīng)濟性上具有顯著的優(yōu)越性。

3、計算機模擬在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應用

隨著計算機技術的不斷普及，計算機在暖通空調中的應用也日益廣泛。前面所述及的一些研究中有很多也都應用了計算機技術，關于計算機模擬在暖通空調中具有代表性的應用主要有以下幾個方面：

（1）對壓縮機的計算模擬

采用神經(jīng)網(wǎng)絡法對空氣源熱泵中螺桿式壓縮機的冬季運行特性進行模擬，并結合誤差反向傳播算法（BP算法）進行調整，結果表明，采用該方法對壓縮機進行建模模擬可以達到較高的精度要求，模擬結果與實驗結果吻合較好。

（2）對蒸發(fā)器的計算模擬

通過對空氣源熱泵的蒸發(fā)器結霜問題進行動態(tài)模擬計算，可以詳細分析蒸發(fā)器結霜和制冷劑充灌量對系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。另外，對于采用ε-NTU 法（效率—傳熱單元數(shù)法）對空氣源熱泵蒸發(fā)器肋片管在干工況、濕工況及結霜工況下的傳熱傳質計算方法也有相關探討。

（3）系統(tǒng)仿真研究

通過建立房間空調器熱泵運行時的瞬態(tài)仿真的數(shù)學模型，可以得出房間空調器熱泵運行時的制冷系統(tǒng)參數(shù)及房間溫度變化的曲線，這對實現(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

關于空氣源熱泵全年能耗分析應用軟件的開發(fā)應用在相關文獻中有所介紹，該軟件在求解熱泵供冷全年能耗時，綜合考慮了空調冷負荷、室外干球溫度、熱泵出水溫度這3個因素，在求熱泵供熱能耗時，還將室外空氣相對濕度這個重要參數(shù)考慮進去，這就使得熱泵供熱能耗計算更為準確，也為空氣源熱泵的應用提供了一個很好的分析方法。

4、變頻技術在空氣源熱泵中的應用

變頻技術在空氣源熱泵中的應用是一項新技術，根據(jù)對變頻控制熱泵式VRV空調系統(tǒng)夏季制冷運行時的節(jié)能特性所做的一系列實驗研究，可以獲得夏季部分負荷運行特性。通過在節(jié)能方面與普通空氣源熱泵進行比較，證明應用變頻技術以后的空氣源熱泵機組比普通機組更加節(jié)能。

三、空氣源熱泵的特點

1、空調系統(tǒng)冷熱源合一，且置于建筑物屋面，不需要設專門的冷凍機房、鍋爐房，也省去了煙囪和冷卻水管道所占有的建筑空間。對于寸土寸金的城市繁華地段的建筑，或無條件設鍋爐房的建筑，空氣源熱泵冷熱水機組無疑是一個比較合適的選擇。

2、無冷卻水系統(tǒng)，無冷卻水系統(tǒng)動力消耗，無冷卻水損耗。水冷式冷水機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，夏季啟用時的系統(tǒng)沖洗損失，化學清洗稀釋損失等等，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)不同性質的冷水機組，折合單位制冷量的損耗量為2～4t/100RT·h。

3、系統(tǒng)設備少而集中，操作、維護管理簡單方便。一些小型系統(tǒng)可以做到通過室內風機盤管的啟?？刂茻岜脵C組的開關。

4、單機容量從3RT至400RT，規(guī)格齊全，工程適應性強，利于系統(tǒng)細化劃分，可分層、分塊、分用戶單元獨立設置系統(tǒng)等。

5、作為空調系統(tǒng)的冷熱源方面的設備投資，空氣源熱泵冷熱水機組造價較高，比水冷式機組加鍋爐的方案的系統(tǒng)綜合造價貴20～30%。

6、空氣源熱泵冷熱水機組常年暴露在室外，運行條件比水冷式冷水機組差，其壽命也相應要比水冷式冷水機組短。

7、熱泵機組的噪音較大，對環(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，熱泵機組不能正常工作。

四、空氣源熱泵有待解決的問題

對于空氣源熱泵而言，除了具有種種優(yōu)點之外，仍存在很多不足及有待解決的問題?？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，制冷負荷增大，但熱泵系統(tǒng)冷凝溫度升高，熱泵溫差增加，機組整體效率降低；冬季，隨著空氣溫度的降低，供熱負荷增大，而蒸發(fā)溫度隨之降低，熱泵溫差增大，導致機組整體效率降低。進一步研究應考慮采取相應措施來合理改善機組的性能。

空氣源熱泵另一個突出的問題就是蒸發(fā)器冬季結霜問題。這不但導致系統(tǒng)供熱性能的急劇下降，還將對壓縮機等重要部件產(chǎn)生不良影響（如冰堵），使系統(tǒng)不能正常運轉，同時，結霜還將使機組運行費用增加。盡管我國在這方面已經(jīng)做了很多研究工作，但關于結霜的控制措施及除霜技術的研究方面，還需要進一步進行深入研究和實驗論證。另外，如何對機組本身進行優(yōu)化設計，減少蒸發(fā)器結霜，如何采用更好的除霜方式來提高空氣源熱泵的運行效率，節(jié)約機組的費用，這些都值得探討。

由于室外空氣一年四季甚至一天當中的溫度波動較大，這就對實現(xiàn)整個空氣源熱泵系統(tǒng)的自動控制提出了很大的挑戰(zhàn)，關于這一方面的研究尚不多見，還有待于逐漸探索和完善。

五、空氣源熱泵的應用

1、某現(xiàn)代化寫字樓，大樓建筑面積約3.5萬m2，建筑總高度95米，其中地下一層，地上23層，外圍護結構為全玻璃幕墻。大樓選用6臺美國約克公司AWHC-200熱泵機組，裝機額定制冷量為3672KW（1044RT），面積冷指標為105W/m2，熱泵額定制熱量為107W/m2。熱泵機組置于主樓頂層屋面，系統(tǒng)配置8臺水泵，每臺泵的循環(huán)水量為200m3/h，揚程為32mH2O。熱泵與水泵分別并聯(lián)再串聯(lián)，各熱泵進出水管直接與分集水器連接，水泵置于室內。

熱泵機組采用彈簧減振器減振，水泵也采用彈簧減振臺座減振?？照{系統(tǒng)末端設計為變水量，主機為定水量臺數(shù)控制。據(jù)現(xiàn)場調查和測量，大樓工作人員對空調滿意度較高，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℃（熱泵運行5臺，水泵運行3臺，尚有少數(shù)樓層未投入使用），室內基本滿足26℃的設計要求。冬季某天下大雪，現(xiàn)場測得系統(tǒng)供水溫度在39～40℃范圍波動，某南面房間室內溫度維持在23℃。冬季惡劣氣候，人工設定化霜時間間隔為30分鐘，化霜時間持續(xù)5分鐘。個別天氣出現(xiàn)早上不能正常開機時，管理人員先設定制冷化霜工況，再進入供熱工況。由于熱泵機組置于主樓敞開屋頂，通風條件良好。但因女兒墻較高，個別熱泵出現(xiàn)了部分氣流短路的現(xiàn)象。約克公司標準型熱泵機組（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（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組較大的噪音并未對大樓產(chǎn)生明顯影響，在熱泵所在樓層的電梯廳測得的噪音在45dB（A）左右，在緊貼熱泵下部的辦公室，噪音也在45dB（A）左右，吊頂內噪音約為50dB（A）左右?？梢娫摴こ虦p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℃，客房內溫度可達25℃。使用至今曾有過一、二次結霜比較嚴重，自動除霜困難，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，三臺水泵置于熱泵旁的室外平臺，與熱泵一一對應，即每臺泵與熱泵串聯(lián)后再并聯(lián)。與熱泵相鄰的樓層為酒店內部辦公用房，其室內噪音約為45～50dB（A），冬天個別雨霧寒冷天，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。實際運行表明，系統(tǒng)開2臺熱泵已足以滿足空調要求，冬天極個別的惡劣天氣才需開3臺熱泵。

作者簡介：

羅 強（1976- ），男，四川遂寧人，四川職業(yè)技術學院電子電氣工程系講師。研究方向：熱能工程。