寒冷地区用空气源热泵技术进展

  0 前言

 

  空气源热泵能够以较低的能量消耗!实现把低温位热能输送至高温位的功能!能大量利用自然资源和余热资源中的热量!有效减少了输入能!很好地满足了冬季采暖的要求" 具有安装使用方便# 能量利用效率高#减少温室效应#环保等优点!在世界范围内得到广泛应用" 然而! 空气源热泵应用于寒冷地区冬季制热时!随着室外环境温度的降低!制冷剂吸气比容增大!

 

  使得机组吸气量随着外温的降低迅速下降! 这样机组的制热量也就相应按比例下降$ 而且随着室外环境温度的降低!吸气压力的降低!压缩机的压比增大!机组的压力比严重偏离最优值! 系统压缩过程严重偏离正常压缩过程! 导致机组排气温度急剧上升" 压缩比增大造成压缩机的输气系数#输气量及效率下降!同时压缩机排气温度过高!使润滑油的粘度急剧下降!影响压缩机的润滑" 压缩比过大使得热泵在北方最寒冷的时候无法正常运行$ 压缩机排气温度超温! 系统频繁启停!无法正常工作" 阻碍了很节能的热泵产品在北方寒冷地区的推广应用.

 

  为使热泵能在寒冷环境中高效# 稳定# 可靠地运行!国内外进行了许多技术研发和改进" 热泵的应用范围向寒冷地区扩展的趋势是明显的!西安#烟台等北方城市有成功应用热泵技术的报道[1~2]" 黄虎等指出[3]!在相同的风侧换热器换热面积及相同蒸发温度下!换热器回路数对换热系数有一定影响! 对比实验表明!回路数多的热泵机组结霜状况较为严重!翅片管表面挂霜也较回路数少的热泵机组早$对于低温环境下工作的风冷热泵冷热水机组!建议分别针对制冷#制热的工作方式选择热力膨胀阀" 沈明等把空气源热泵在低温条件下制热能力下降的原因总结成原理性因素和非原理性因素!指出改善空气源热泵低温制热能力的关键在于针对非原理性因素提出技术上可行!经济上允许的改进措施[4]" 柴沁虎等总结了空气源热泵的低温适应性问题% 增加低温工况下系统的工质循环量#控制机组排气温度# 优化机组压缩机内部的工作过程!选用适用于大范围工作状况的制冷剂.

 

  空气源热泵的本质是要从空气中吸收热量并输送到室内需要采暖的场所! 随着室外温度的降低!只有更低的蒸发温度才能从空气中吸收热量!这必然造成压缩机压比的升高和制冷剂循环量的减少" 就现在看来!解决这些问题的技术措施主要有%通过双级压缩& 包括准二级压缩’ #复叠循环来降低压比$采用变频压缩机在制热时加大制冷剂的循环量$用电加热气液分离器以及它到压缩机之间的吸气管路!提高蒸发温度和蒸发压力[6!8]" 本文将介绍采用双级压缩& 包括准二级压缩’ 和复叠循环空气源热泵技术的最新发展"1 准二级压缩空气源热泵技术

 

  为解决低温制冷时机组的性能与投资关系问题!

 

  在20 世纪80 年代中期有学者提出了带经济器的准二级压缩系统!并在螺杆机组中得到成功应用" 研究指出这种系统在低温工况下的节能效果显著!对于蒸发温度在-15"-40!范围内的低温工况! 采用这种经济器系统可以使得制冷量增大19%#44%! 制冷系数提高7%$30%!研究表明在-30!的工况下!该系统完全可以取代双级压缩系统[5]" 最近!尚振国等对单机双级丙烷螺杆压缩机组进行了研究[9]$周刚等对用于空调工况的双级压缩循环进行了分析计算[10]" 但是由于螺杆机组容量一般较大!很少有应用于小型户式空气源热泵的情形!同时这种系统相对于二级压缩系统的优点随着蒸发温度的上升将逐渐趋于下降!因而这种准二级压缩的研究长期以来一直局限于低温制冷的情况!其普冷工况的可行性一直未能得到足够的关注"周启瑾介绍了一种适合于寒冷地区使用的热泵

 

  型柜式空调机[11]!其循环系统如图1 所示" 该热泵为了解决当外界气温降低时热泵制热量降低的缺陷!采用了以下方法%%采用制冷剂喷射循环!以增加压缩机排气量$& 将压缩机压比提高到26!以提高制热的排气量$’采用液体制冷剂的过冷!以增加制热循环的排热量" 它的制冷循环与一般的热泵空调机相同! 只制热循环时& 图1 中实线’ 将室内换热器中冷凝的一部分液体制冷剂旁通!经过电磁阀#膨胀阀后!进入涡旋式压缩机的中间室进行喷液" 这种喷液循环已在高压缩比的条件下为降低排气温度成功地使用过" 当热泵空调机在外界气温很低的情况下! 为了室内舒适性要求必须提高室内机吹出的空气温度! 这就要求提高压缩机的压力!采用喷液后不仅提高压力比#增加了制热循环的制热量!还可以适当地降低压缩机的排气温度" 在喷液循环中制热量决定于制冷剂的循环量! 而制冷剂循环量是低侧吸入的制冷剂量!"

 

  和压缩机在中间室内

 

  吸入的喷液量!#

 

  之和!由于喷液制冷剂的比容有低压

 

  侧吸入制冷剂气体比容的1/3! 因而可有效地增加涡旋式压缩机中的循环量!与不喷的循环相比!喷液后可增加制热循环的制热量" 该热泵已经由日本日立制作所开发!当室外气温低于-20!时仍能正常供热" 小国研作等提出了一种用于寒冷地区的热泵空调机[12]!其构成如图2 所示" 在储蓄罐和涡旋压缩机之间设置了向涡旋压缩机喷射液态制冷剂的旁通流路和喷射液态制冷剂控制阀" 在向房间加热时! 向压缩机中喷射一部分液态制冷剂$另外!对应于室内空气温度的状况控制涡旋压缩机的转速" 在室外气温低时!

 

  边通过液态喷射进行压缩机冷却!边使涡旋压缩机高速运转!可以提高房间加热能力!得到针对寒冷地区的热泵空调机! 由于在此低室外温度时涡旋压缩机可以在高压力下运转"因而通过增加涡旋的圈数"或在涡旋压缩机的排泄口设置阀" 就可以实现高效率运转!

 

  另外"伴随涡旋压缩机的高压力比化的高温化通过将从液态喷射回路供给的液态制冷剂提供给压缩机内"就可以适宜地保持压缩机驱动电机的线圈温度#制冷剂排泄温度!

 

  通过如此构成室外空气源热泵空调机"即使室外空气温度不足-15!"也能通过高压力比运转压缩机进行高效率运转! 另外"由于压缩机的高速运转可以发挥高的房间加热能力"得到针对室外温度不足-15!的寒冷地区的热泵空调机! 另外"因为不使压缩机温度过高"所以可以得到高的可靠性! 同时"由于设计了适合寒冷地区的热泵系统"通过增加室外换热器的传热面积"可以得到房间加热能力提高了的热泵空调机!

 

  马国远等提出了一种适用于寒冷地区的热泵空

 

  调机组[13]"系统循环如图3 所示! 通过在压缩机的进气口端开设辅助进气口"在过冷气和压缩机间形成补气回路! 具有结构简单#加工安装方便#能量利用率高#成本低#在低温环境下运行稳定可靠的特点!

 

  马国远等人经过研究" 成功利用带辅助进汽口的涡旋压缩机实现带经济器的准二级压缩空气源热泵系统来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能[14!15]!该研究可以有效提高热泵在低温工况下的性能"系统的基本型式如图4 所示!机组具有以下优点$"样机可以在-15!的低温环境中稳定#可靠地运行"具有足够的制热量" 能够满足低温环境的采暖需求! #中间补气可以增加机组的制热量和功率消耗"但制热量增加的速度大于功耗增加的速度"因此通过补气可以提高系统的!"#h 随着蒸发温度的升高"补气改善!"#h 的效果越来越小"当蒸发温度高于-10!时"补气所带来的效果可以忽略!$ 中间补气可以明显降低压缩机的排气温度! 机组在各低温工况下运行时" 排气温度是稳定的"且始终未超过130!的限制.

 

  2 双级压缩空气源热泵技术

 

  针对空气源热泵冷热水机组在寒冷地区冬季使

 

  用时结霜#热效率低等问题"马最良提出采用空气源热泵与水%水热泵或者水%空气热泵组成耦合的双级热泵供暖系统来解决在寒冷地区低温制热时热泵性能恶化问题[16]! 在冬季"用放置在室外的空气源热泵冷热水机组制备10%20!的温水"通过水环路送至室内的水%空气热泵或者水%水热泵系统从水中提取热量" 以达到供暖目的! 整个系统通过水回路将空气源热泵和水源热泵组成耦合的双级热泵供暖系统!

 

  石文星等提出了一种双级压缩低温热泵系统及

 

  其装置[17]"其原理见图5! 在严寒冬季制热工况下"该双级压缩低温热泵装置中的高压级单元投入运行! 一方面"低温低压的气态制冷剂由低压级压缩机压缩成为温度较高的中压气态制冷剂"经高压级四通阀流向高压级压缩机吸气管&另一方面"由高压贮液器流出并进入中间冷却器的高温高压制冷剂分为两路"一小部分经电磁阀进入中间节流热力膨胀阀"在此节流成中温中压的气液混合制冷剂后进入中间冷却气的中温中压制冷剂通道!吸收流经中间冷却器高温高压制冷剂通道内液态制冷剂的热量而蒸发!同时高温高压液态制冷剂得到充分的过冷!蒸发出的中温中压制冷剂与由四通阀流出的温度较高的中压制冷剂蒸汽混合!

 

  混合后的气态制冷剂进入高压级压缩机!压缩成高温高压气态制冷剂! 再经高压级四通阀流入制冷剂/ 水换热器!将所携带的热量释放给水路中循环水以加热循环水!实现制取热水的目的"高温高压的制冷剂蒸气在此冷却#冷凝成为高温液体!在通过单向阀进入高压贮液器中"由高压贮液器流出的高压液态制冷剂一小部分经电磁阀#中间节流热力膨胀阀进入中间冷却器的中温中压制冷剂通道!大部分高压液态制冷剂流经中间冷却器高温高压制冷剂通道!吸收中温中压制冷剂通道内制冷剂的蒸发潜热而实现大幅度的过冷"得到充分过冷的高压液态制冷剂!经制热用热力膨胀阀节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂!再进入制冷剂/ 空气换热器!吸收室外空气的热量蒸发成低温低压的气态制冷剂! 再流经四通阀#气液分离器返回压缩机!完成制热循环$ 采用该系统的热泵装置不仅具有普通热泵装置在夏季和一般冬季工况下的性能和功用!而且能在-18!的低温环境中稳定%可靠地长期运行!且具有足够的制热量和较高的性能系数!压缩机排气温度始终低于130!!能够在没有辅助热源的条件下满足寒冷地区冬季的采暖要求&3 复叠循环空气源热泵技术

 

  Hasegawa 等介绍了日本研究二级压缩’’’复叠热水热泵( TCCH) 的样机实验情况[18]!如图6 所示$ 其供热水温度可达70!!比单级压缩热泵供水温度高得多$ 因为减小了压比!提高了!"#( 可达3.7) !复叠方式减少了耗电量!样机实验表明!中间热交换器面积大小对性能影响很大!它除了预热水和进行冷剂气液分离外!还影响制冷剂流动%制冷剂液体过冷!需要进行优化.

 

  陈光明等提出了一种采用复叠循环的办法来提

 

  高空气源热泵在低温下的制热能力[19]!其原理如图7所示$ 该系统包括低温部分和高温部分! 两部分由中间换热器连接起来$ 在冬季室外环境温度低时! 热泵通过中间换热器自动转换为复叠循环运行!来减小压缩机的压比!增强低温环境下的加热能力!扩大热泵的应用地区和室外环境温度适应范围.

 

  在研究空气源热泵的低温制热问题时!本文提出了图8 所示的技术方案$系统采用复叠循环技术!夏季制冷工况和普通冬季制热工况工作时!只开启高压侧压缩机"低温制热工况时!开启低压侧和高压侧压缩机!低压侧压缩机的高温排气在冷凝蒸发器冷凝!高压侧压缩机的排气通过制冷剂/ 水换热器和制热膨胀阀后进入冷凝蒸发器蒸发$ 把制冷剂/ 水换热器和水泵分别换成制冷剂/ 空气换热器和分机! 可以直接向房间送风$ 本系统可以充分利用室外侧换热器$

 

  4 国外空调公司的热泵技术

 

  考虑到欧美国家的住房结构和对采暖要求与亚

 

  洲国家的差异!空气源热泵技术的进步主要体现在以日本和韩国为代表的亚洲国家的技术进步上! 为提高空气源热泵的制热性能"国外公司采用的主要技术有开发高性能的压缩机#应用优质内螺纹管#采用高效换热翅片#采用双压缩机等! 比如"三菱重工#松下#三菱电机等日本公司多采用高效压缩机和高效换热器技术来提高热泵制热性能$LG 公司则采用了双压缩机技术"当需求的热量少时开一个压缩机"需求的热量大时"两个压缩机同时开!

 

  航空航天领域的涡轮增压技术的原理是利用废

 

  气驱动涡轮机"将更多的空气压入引擎"因此可以比相同排量的普通引擎燃烧更多的燃油"产生更多的动力!三星创造性地将% 涡轮引擎增压技术&"即Turbo 技术用于空调领域!压缩机启动时打开Turbo 功能"输出功率立即增加20%"实现快速升温降温! 与变频技术的原理’ 在达到设定温度后改变电机运转频率来实现节能( 不同"Turbo 技术是通过大大缩短耗能严重的启动阶段"迅速达到设定温度并进入保温状态而实现节能! 图9 为采用Turbo 技术的热泵和普通热泵机组性能的对比! 根据测试"启用Turbo 技术以后"达到设定温度的时间缩短了40%"而电能节省了30%!

 

  三星公司为提高空调室外换热器的换热效果以提高热泵低温制热性能"把其在普通空调机组上用的冲缝翅片更换成钻石翅片"该翅片的特点是传热管#热传导和热场的方向一致"导热性能优异"其技术已经获得了美国#日本#意大利和韩国的专利!

 

  5 结论

 

  空气源热泵技术是一项节能环保的技术"但是空气源热泵在寒冷地区应用时受到压比#排气温度过高等问题! 文中综述了寒冷地区用空气源热泵技术的新进展"包括采用准二级压缩循环#二级压缩循环#复叠循环#辅助电加热等! 通过介绍"可以发现空气源热泵技术用于寒冷地区的采暖是可行的"但是需要付出代价! 在此基础上提出了一种可以充分利用室外侧换热器的复叠循环系统!