提升空氣源熱泵系統(tǒng)制熱性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王建斌

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置，空氣源熱泵就是以空氣為低溫?zé)嵩?，提升能?jí)，節(jié)約部分高位能（如煤、燃?xì)狻⒂?、電能等）的熱泵。傳統(tǒng)的空氣源熱泵在低溫工況和結(jié)霜工況下制熱性能下降，甚至無法正常運(yùn)行。本研究對(duì)空氣源熱泵的制熱流程和制熱性能進(jìn)行分析，探究各種針對(duì)低溫工況和結(jié)霜工況熱泵性能下降的應(yīng)對(duì)措施，并提出了一些提升空氣源熱泵系統(tǒng)制熱性能的可行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為日后空氣源熱泵進(jìn)一步節(jié)能高效地運(yùn)行提供思路。

1 蒸汽壓縮式熱泵的基本原理

蒸汽壓縮式熱泵由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器組成。其工作流程如下：低溫低壓制冷劑在壓縮機(jī)中被壓縮成高溫高壓氣體后，在冷凝器中等壓冷凝成液體，冷凝的同時(shí)放出熱量供給熱用戶，冷凝后的液態(tài)制冷劑通過節(jié)流裝置后降溫降壓，隨后在蒸發(fā)器中吸收低溫環(huán)境中的熱量汽化，回到壓縮機(jī)中完成一個(gè)循環(huán)。

蒸汽壓縮式熱泵的理論循環(huán)中，通過冷凝器等壓冷凝放熱，利用蒸發(fā)器等壓汽化吸熱；在過熱蒸氣區(qū)絕熱壓縮，取代兩相區(qū)中低效不安全的濕壓縮；以節(jié)流裝置取代膨脹機(jī)，大大簡(jiǎn)化設(shè)備。圖1是蒸汽壓縮式熱泵理論循環(huán)在T-S（溫度-比熵）圖上的表示。其中3-4表示節(jié)流膨脹過程，工質(zhì)溫度、壓力下降，進(jìn)入二相區(qū)；4-1表示汽化過程，工質(zhì)從環(huán)境介質(zhì)中吸熱汽化；1-2表示等熵壓縮過程；2-3表示冷凝過程，它包括冷卻及凝結(jié)兩個(gè)階段，在較高溫度下釋放出部分高位熱能，在冷凝溫度下釋放出凝結(jié)熱?？梢姡淠^程將由環(huán)境介質(zhì)中吸收的熱量和壓縮功輸送到溫度較高的被加熱物體中[1]。

圖1 蒸汽壓縮式熱泵的理論循環(huán)在T-S圖上的表示

2 基于噴氣增焓技術(shù)的空氣源熱泵

在低溫工況下，空氣源熱泵的蒸發(fā)溫度下降，吸氣比容增大，制熱量急劇下降。同時(shí)，壓縮機(jī)的壓縮比增大，使排氣溫度過高，機(jī)組無法正常運(yùn)行。噴氣增焓技術(shù)采用經(jīng)濟(jì)器循環(huán)設(shè)計(jì)，通過帶輔助進(jìn)氣口的渦旋壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)一次節(jié)流準(zhǔn)二級(jí)壓縮，提高空氣源熱泵在低溫工況下的制熱能力，其原理如圖2所示。

圖2 噴氣增焓系統(tǒng)原理

噴氣增焓系統(tǒng)工作流程如下：高溫高壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)過冷凝器時(shí)放熱供暖，冷凝后的液態(tài)制冷劑分為兩路：主回路為制冷回路；輔助回路為補(bǔ)氣回路。輔助回路中的液態(tài)制冷劑經(jīng)過膨脹閥降低一定壓力后變?yōu)橹袎簹?、液混合物并與來自主回路的溫度較高的液態(tài)制冷劑在經(jīng)濟(jì)器中換熱。輔助回路的液態(tài)制冷劑吸熱汽化，從壓縮機(jī)的輔助進(jìn)氣口補(bǔ)入壓縮機(jī)工作腔；同時(shí)，主回路的制冷劑因換熱而過冷卻，經(jīng)膨脹閥后進(jìn)入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器中，主回路制冷劑吸收低溫環(huán)境中的熱量而汽化，進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣腔，經(jīng)過一段內(nèi)壓縮后，主、輔回路的制冷劑在壓縮機(jī)工作腔中混合，持續(xù)邊壓縮邊混合直至混合過程結(jié)束，再經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮后排出壓縮機(jī)[2]。

3 空氣源熱泵的制熱性能研究

除了前述室外低溫工況對(duì)空氣源熱泵制熱性能存在影響外，當(dāng)室外側(cè)換熱器表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度且低于0℃時(shí)，換熱器表面就會(huì)結(jié)霜，也會(huì)使空氣源熱泵的制熱性能下降。

目前針對(duì)低溫問題和結(jié)霜問題對(duì)空氣源熱泵制熱性能的負(fù)面影響，已有許多應(yīng)對(duì)措施。針對(duì)低溫性能下降的應(yīng)對(duì)措施有：增大換熱面積，采用變頻技術(shù)、噴氣增焓技術(shù)、雙級(jí)壓縮技術(shù)和復(fù)疊壓縮技術(shù)。針對(duì)結(jié)霜性能下降的應(yīng)對(duì)措施有：合理設(shè)計(jì)換熱器翅片，延緩結(jié)霜；增大換熱面積，延緩結(jié)霜；采取有效的化霜方法，縮短化霜時(shí)間；準(zhǔn)確地確定化霜進(jìn)入點(diǎn)和退出點(diǎn)，減少熱損失。

4 提高空氣源熱泵制熱性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1.1 采用EC風(fēng)機(jī)

EC風(fēng)機(jī)指采用數(shù)字化無刷直流外轉(zhuǎn)子電機(jī)的離心式風(fēng)機(jī)或采用了EC電機(jī)的離心風(fēng)機(jī)。其內(nèi)部集成了電子無刷調(diào)速電路，空調(diào)控制器依據(jù)傳感器及設(shè)置輸出0～10V的控制電壓，EC風(fēng)機(jī)內(nèi)部會(huì)據(jù)此0%～100%的調(diào)速，根據(jù)實(shí)際需求更為靈活地調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，通過微處理器持續(xù)調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能、高效運(yùn)行的目的。

4.1.2 改善葉型，提升風(fēng)葉效率

在空氣流動(dòng)不改變的條件下，應(yīng)采取更大的風(fēng)葉面積、更長(zhǎng)的風(fēng)葉邊緣；應(yīng)改變風(fēng)葉的橫截面（改變翼型），使阻力矩下降。此外，將風(fēng)葉面中無效的葉面去除，更能提升風(fēng)葉效率。

4.2 換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.2.1 套管式冷凝器

對(duì)于套管式冷凝器，應(yīng)采用逆流換熱增大換熱溫差，并可使用螺紋管來增大換熱面積。材質(zhì)上，目前生產(chǎn)熱泵的企業(yè)使用最多的兩種材質(zhì)是紫銅與不銹鋼，銅的換熱性能肯定好過不銹鋼，但耐腐蝕性不如不銹鋼。此外，采用合適的套管長(zhǎng)度，也可以提高熱泵機(jī)組性能，有學(xué)者對(duì)型號(hào)A-27W的冷凝器進(jìn)行額定工況下試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)整機(jī)的系統(tǒng)性能COP（COP=Q/P）值并不是隨著冷凝盤管的長(zhǎng)度增加而增加，如盤管長(zhǎng)度增加，換熱面積增加，制熱量Q肯定是增加的，但相應(yīng)的制冷劑灌注量也相應(yīng)增加、管路損失變大等，整機(jī)功率P也會(huì)變大，當(dāng)盤管長(zhǎng)度到一定值后，整機(jī)的COP值反而變小。因此，選用合適的冷凝盤管長(zhǎng)度，可以接近最優(yōu)COP值（系統(tǒng)性能）[3]。

4.2.2 翅片管蒸發(fā)器

對(duì)于翅片管蒸發(fā)器，關(guān)鍵在于翅片的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以按照以下步驟確定翅片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：一是現(xiàn)有翅片的問題分析；二是確定翅片的最優(yōu)高寬比；三是確定最優(yōu)管間距/列間距；四是確定翅片的開縫形式；五是確定翅片的開縫結(jié)構(gòu)（縫高、開縫數(shù)和縫的長(zhǎng)度）

4.3 采用輔助熱源

在供暖時(shí)，可以考慮設(shè)置輔助熱源進(jìn)行補(bǔ)充，常用的輔助熱源包括太陽能集熱器、電加熱器、燃?xì)忮仩t供暖等。

4.3.1 太陽能輔助空氣源熱泵

通過太陽能集熱器在10～20℃低溫下集熱，再由熱泵裝置進(jìn)行升溫后供熱，該系統(tǒng)可設(shè)置蓄熱裝置或其他輔助的熱裝置以解決太陽能的穩(wěn)定性較差問題。

4.3.2 電加熱輔助空氣源熱泵

可安裝電加熱盤管作為輔助熱源，用控制器控制電加熱盤管和熱泵的通斷電，當(dāng)外界環(huán)境溫度低時(shí)，熱泵加熱方式的熱效率低，則用控制器控制給電加熱盤管通電，熱泵斷電停止工作。

4.3.3 燃?xì)忮仩t供暖輔助空氣源熱泵

當(dāng)室外溫度較低，僅靠運(yùn)行空氣源熱泵時(shí)，偶爾時(shí)間點(diǎn)不能產(chǎn)出所需溫度供水，供熱連續(xù)性差，能耗大，此時(shí)，啟動(dòng)燃?xì)忮仩t。空氣源熱泵先將進(jìn)水加熱到30℃，與燃?xì)忮仩t的高溫出水混合，再供給熱用戶[4]。

1 姚 楊.暖通空調(diào)熱泵技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

2 趙 鵬.噴氣增焓技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2014.

3 岳亞蛟.空氣源熱泵熱水器的換熱優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

4 王紀(jì)朋.青島地區(qū)空氣源熱泵聯(lián)合燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2016.