我国空气源热泵的技术进展

  空气源热泵是以空气作为高温(低温)热源来进行供热(供冷)的装置。相对于其它热泵类型而言, 我国对空气源热泵的研究起步较早, 研究内容也较多。以环境空气作为低品位热源, 可以取之不尽, 用之不竭, 处处都有, 无偿获取。空气源热泵则安装灵活、使用方便、初投资相对较低, 且比较适用于分户安装, 目前我国室内空调器大都采用的是这种形式。这也就使得我国空气源热泵冷热水机组市场空前繁荣, 生产研制已经比较成型,产品规格齐全, 品牌繁多。

 

  据有关调查表明, 目前我国空气源热泵冷热水机组生产厂家已由1995 年的十几家发展到现在的四十多家, 据不完全统计, 国内销售的机组已逾45 个品牌, 其中国产机组约占25 %左右, 其余为合资产品, 台资产品和进口产品。为了更好地了解我国空气源热泵方面的发展动态, 本文将对近年来我国关于空气源热泵的研究进行分析, 并在此基础上指出空气源热泵所存在的问题及有待改进的方向, 希望以此来进一步促进空气源热泵在我国的研究和应用。

 

  1  我国空气源热泵研究状况

 

  随着空气源热泵在我国应用的日趋广泛和研究的日趋深入, 了解我国空气源热泵的研究状况对于后续研究而言具有重要的意义。下面重点介绍我国近年来关于空气源热泵的技术进展。

 

  1 .1  空气源热泵结霜、化霜问题的研究

 

  由于空气源热泵冬季采用空气作为热源, 所以, 随着室外温度的降低, 其蒸发温度也随之降低, 蒸发器表面温度随之下降, 甚至低于0 ℃。此时, 当室外空气在流经蒸发器被冷却时, 其所含的水分就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。结霜对热泵是极其不利的。随着霜层的形成, 蒸发器传热热阻增加, 蒸发温度下降, 机组的性能下降, 工况恶化, 制热量也将下降, 这将严重影响压缩机以及热泵整体的性能, 同时, 除霜带来的额外费用还将降低空气源热泵的经济性, 这也就是为什么空气源热泵在寒冷、潮湿地区的应用受到限制的原因。所以说, 结霜机理、化霜方法一直是空气源热泵研究与应用中要解决的重点与难点。

 

  0  引 言

 

  空气源热泵是以空气作为高温(低温)热源来进行供热(供冷)的装置。相对于其它热泵类型而言, 我国对空气源热泵的研究起步较早, 研究内容也较多。以环境空气作为低品位热源, 可以取之不尽, 用之不竭, 处处都有, 无偿获取。空气源热泵则安装灵活、使用方便、初投资相对较低, 且比较适用于分户安装, 目前我国室内空调器大都采用的是这种形式。这也就使得我国空气源热泵冷热水机组市场空前繁荣, 生产研制已经比较成型,产品规格齐全, 品牌繁多。

 

  据有关调查表明, 目前我国空气源热泵冷热

 

  水机组生产厂家已由1995 年的十几家发展到现在的四十多家, 据不完全统计, 国内销售的机组已逾45 个品牌, 其中国产机组约占25 %左右, 其余为合资产品, 台资产品和进口产品。为了更好地了解我国空气源热泵方面的发展动态, 本文将对近年来我国关于空气源热泵的研究进行分析, 并在此基础上指出空气源热泵所存在的问题及有待改进的方向, 希望以此来进一步促进空气源热泵在我国的研究和应用。

 

  1  我国空气源热泵研究状况

 

  随着空气源热泵在我国应用的日趋广泛和研

 

  究的日趋深入, 了解我国空气源热泵的研究状况对于后续研究而言具有重要的意义。下面重点介绍我国近年来关于空气源热泵的技术进展。

 

  1 .1  空气源热泵结霜、化霜问题的研究

 

  由于空气源热泵冬季采用空气作为热源, 所

 

  以, 随着室外温度的降低, 其蒸发温度也随之降低, 蒸发器表面温度随之下降, 甚至低于0 ℃。此时, 当室外空气在流经蒸发器被冷却时, 其所含的水分就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。结霜对热泵是极其不利的。随着霜层的形成, 蒸发器传热热阻增加, 蒸发温度下降, 机组的性能下降, 工况恶化, 制热量也将下降, 这将严重影响压缩机以及热泵整体的性能, 同时, 除霜带来的额外费用还将降低空气源热泵的经济性, 这也就是为什么空气源热泵在寒冷、潮湿地区的应用受到限制的原因。所以说, 结霜机理、化霜方法一直是空气源热泵研究与应用中要解决的重点与难点。

 

  目前, 有不少关于空气源热泵机组冬季运行

 

  状况的研究[ 1, 2, 3] , 主要分析供热时不同工况下空气盘管表面湿空气结霜、结露及干冷却特性, 并结合结霜过程进行试验和模拟, 分析了迎面风速、环境温湿度、翅片间距、管排数等参数对结霜性能的影响及其所可能产生的一系列后果。

 

  了解结霜的机理的主要目的是要解决如何除

 

  霜的问题。传统的除霜控制方法主要包括:定时除霜法, 时间—温度(压力)法, 空气压差控制除霜法, 霜层传感器控制除霜法, 声音震荡器控制除霜法, 最大平均供热量控制除霜法, 最佳除霜时间控制法等。这些方法各有利弊, 有待完善。近年来,由于计算机技术的发展, 将模糊控制技术引入空气源热泵除霜问题的研究作为一项先进可行的新技术, 逐渐引起了人们的注意。这主要是因为空气源热泵结霜问题的影响是多因素, 非线性的, 而模糊控制技术的优势就是处理多维、非线性、时变问题。这样一来, 将模糊控制技术引入空气源热泵的除霜控制, 通过对除霜过程的系统响应分析,可以使除霜控制能够自动适应机组工作环境的变化, 达到智能除霜的控制要求。关于这方面的详细研究参见文献[ 4, 5 , 6, 7] 。此外, 还有考虑环境工况变化的双温度传感器智能化除霜控制方法等[ 8] 。

 

  尽管空气源热泵具有很多优点, 但受室外环

 

  境的限制也比较大, 这也是空气源热泵目前仅在我国黄河以南地区得到了广泛应用的主要原因。

 

  而在黄河以北地区, 应用空气源热泵则根据所处地区不同有其特殊要求。

 

  目前, 关于西安、胶东以及寒冷地区空气源热

 

  泵的实际应用情况已有研究[ 9 , 10, 11, 12] , 并就所遇到的如压缩比过大等具体问题提出了一些相应的改进措施, 可在相应地区的实际应用中作为参考。

 

  此外, 为了对空气源热泵结霜除霜所带来的损失进行量化的分析, 有研究提出了不同地区、不同使用情况下的平均结霜除霜损失系数的概念, 平均结霜除霜损失系数越大的地区应用空气源热泵越不经济。据此, 将我国空气源热泵使用地区根据平均结霜损失系数分成4 类:低温结霜区:如济南、北京、郑州、西安、兰州等;轻霜区:如成都、桂林、重庆等;重霜区:如长沙;一般结霜区:如杭州、武汉、上海、南京、南昌、宜昌等[ 13, 14] 。这些都可以作为今后热泵设计选用中重要的参考依据。

 

  1 .2  空气源热泵节能问题的研究

 

  火用是对系统能的质与量的综合评价。对系统

 

  进行火用分析可以揭示出系统中火用损失的部位、类型和数量, 以便设法减少这些损失。通过火用计算分析可知, 压缩功只有20 %被利用, 而有80 %被损失, 其中, 压缩机火用损失占30 .7 %, 冷凝器占20.4 %, 蒸发器占17.5 %, 毛细管占10 %[ 23] 。由此我们可以看出, 空气源热泵系统节能的主要部件是压缩机, 提高压缩机本身的技术指标, 是提高整个系统火用效率的关键, 而冷凝器和蒸发器火用优化措施主要是设法降低传热温差。

 

  当然, 系统的节能改进与经济性是相互制约

 

  的, 仅从能效进行分析有一定的局限性。从这个角度出发, 有关研究人员提出供热最佳经济平衡点的概念, 以期在此最佳经济平衡点温度条件下,整个供热系统(热泵+辅助热源)的初投资与运行费最少, 从而合理实现热泵节能优化[ 15, 16] 。此外, 通过空气源热泵机组与水冷冷水+锅炉机组、溴化锂吸收式机组(+锅炉)这3 种方案的经济性比较可以得出, 空气源热泵相对于其它两种形式而言, 经济性上具有显著的优越性[ 17] 。

 

  1 .3  空气源热泵各部件性能、工质等对整个系统的影响有限时间热力学方法在空气源热泵的研究中

 

  应用较多。用有限时间热力学方法可以从理论上研究热阻对空气源热泵循环性能的影响, 并由此得出对应于最大供热系数的最佳压比和供热率、供热系数之间的关系[ 18] 。而通过有限时间热力学方法对回热式空气源热泵循环性能进行的分析, 可以导出变温热源不可逆闭式回热式空气热泵的供热率和供热系数与循环压比间的解析式。这可以对实验研究起到一定的指导意义。

 

  四通换向阀是热泵机组中用来改变制冷剂流向的一个关键控制阀件, 上海交通大学陈芝久等人就四通换向阀的性能对热泵的影响进行了一系列详细研究, 根据对四通换向阀的动态模拟和测试, 就其容量的测定与换算等方面给出了一些较为合理的建议。

 

  关于热泵启停机特性问题, 有研究分析了热泵停机时系统压力平衡导致的制冷剂迁移和汽液分离器的机理, 并指出启动时制冷剂迁移和汽液分离器将导致系统COP 的下降。

 

  随着人们对生存环境的日益重视, 近来开展了不少关于空气源热泵替代工质的研究, 如:

 

  R410A 、R134a 、R744 、非共沸混合溶液等。例如,有文献通过对R410A 和R22 在回热循环中的性能研究表明, 在回热式空气源热泵循环中应用

 

  R410A 作为制冷剂对整个系统性能更为有利。

 

  这种研究方法也可在其他替代工质的比较研究中作为借鉴。

 

  空气源热泵机组的噪声来源有很多方面, 受各方面的因素影响也比较多, 但一般来说, 压缩机和风机是主要的噪声源, 相应地, 我们应该合理设计压缩机和风机的结构, 并采取一定的隔音措施以便尽可能减少噪音。此外, 合理布置机组间距离也可以有效减小噪音。

 

  1 .4  计算机模拟在空气源热泵系统中的应用随着计算机技术的不断普及, 计算机在暖通空调中的应用也日益广泛。前面所述及的一些研究中有很多也都应用了计算机技术, 但关于计算机模拟在暖通空调中具有代表性的应用主要有以下几个方面:

 

  ①对压缩机的计算模拟 采用神经网络法

 

  对空气源热泵中螺杆式压缩机的冬季运行特性进行模拟, 并结合误差反向传播算法(BP 算法)进行调整, 结果表明, 采用该方法对压缩机进行建模模拟可以达到较高的精度要求。模拟结果与实验结果吻合较好。

 

  ②对蒸发器的计算模拟 通过对空气源热泵的蒸发器结霜问题进行动态模拟计算, 可以详细分析蒸发器结霜和制冷剂充灌量对系统性能所产生的影响。另外, 对于采用ε-NTU 法(效率—传热单元数法)对空气源热泵蒸发器肋片管在干工况、湿工况及结霜工况下的传热传质计算方法也有相关探讨。

 

  ③系统仿真研究 通过建立房间空调器热泵运行时的瞬态仿真的数学模型, 可以得出房间空调器热泵运行时的制冷系统参数及房间温度变化的曲线, 这对实现空气源热泵系统的自控有很大的意义。

 

  ④系统能耗分析软件 关于空气源热泵全年能耗分析应用软件的开发应用在相关文献中有所介绍, 该软件在求解热泵供冷全年能耗时,综合考虑了空调冷负荷、室外干球温度、热泵出水温度这3 个因素, 在求热泵供热能耗时, 还将室外空气相对湿度这个重要参数考虑进去, 这就使得热泵供热能耗计算更为准确, 也为空气源热泵的应用提供了一个很好的分析方法。

 

  1 .5  其它

 

  近来针对热泵分户计量的需要, 有观点在对

 

  传统的计量方法进行比较分析的基础上提出了用比率法测量热泵制热量的新思路, 并结合实际测量给出了应用评价。

 

  变频技术在空气源VRV 热泵中的应用是一项新技术。根据对大金变频控制热泵式VRV 空调系统夏季制冷运行时的节能特性所做的一系列实验研究, 可以获得夏季部分负荷运行特性。通过在节能方面与普通空气源热泵进行比较, 证明应用变频技术以后的空气源热泵机组比普通机组更加节能。

 

  客车空调也是空气源热泵应用的一个主要方面。关于空气源热泵应用于空调客车的可行性、经济性以及所遇到的诸如融霜等问题, 已有相应的探讨和试验研究 , 具体地, 关于压缩机转速对机车热泵空调系统制冷量、输入功率及COP 等性能的影响等问题, 也有相关文献介绍。

 

  此外, 从一些空气源热泵在一些公共场所、大中型商场、毛纺厂等大型建筑中的工程应用实例介绍文献可以看出, 空气源热泵不仅理论研究相对已经比较成熟, 而且已在我国的实际工程中得到了广泛的应用。

 

  2  空气源热泵有待解决的问题及改进方向

 

  对于空气源热泵而言, 除了具有种种优点之外, 仍存在很多不足及有待解决的问题。空气源热泵的性能受室外气候条件变化影响较大, 随着室外环境的恶化而恶化。夏季, 随着室外空气温度的升高, 制冷负荷增大, 但热泵系统冷凝温度升高, 热泵温差增加, 机组整体效率降低;冬季, 随着空气温度的降低, 供热负荷增大, 而蒸发温度随之降低, 热泵温差增大, 导致机组整体效率降低。同时, 随着室外条件的恶劣, 热泵的工作性能急剧下降, 又反过来加剧了室外环境的恶劣程度。进一步研究应考虑采取相应措施来合理改善机组的性能。

 

  空气源热泵另一个突出的问题就是蒸发器冬季结霜问题。这不但导致系统供热性能的急剧下降, 还将对压缩机等重要部件产生不良影响(如冰堵), 严重时将损坏压缩机, 使系统不能正常运转,同时, 结霜还将使机组运行费用增加。尽管我国在这方面已经做了很多研究工作, 但关于结霜的控制措施及除霜技术的研究方面, 还需要进一步进行深入研究和实验论证。如:有研究认为, 空气源热泵工作性能的平均水平是对其结霜过程进行控制、充分发挥热泵系统技术性能的关键, 同时还指出, 关于如何得到最佳的工作特性平均水平点,得到尽可能短的除霜周期和最佳工作效率的问题, 可通过热泵系统设计中对各设备性能和循环参数的最佳耦合得到[ 31] 。但究竟如何实现最佳耦合却缺少详细的说明和深入研究。另外, 如何对机组本身进行优化设计, 减少结霜, 如何采用更好的除霜方式来提高空气源热泵的运行效率, 节约机组的费用, 这些都仍值得探讨。

 

  目前空气源热泵机组中大都采用的是一些含CFCs 或HCFCs 的等具有臭氧破坏潜能ODP 或地球变暖潜能GWP 的制冷剂, 对环境的负面影响较大, 而且, 根据蒙特利尔议定书, 各国将限制具有ODP 和GWP 的卤代烃CFCs 或HCFCs 的使用, 并规定了到2030 年完全禁止使用的日程表。由此看来, 对新型环保替代工质(如:R410A , R134a ,R744 等)的特性的研究很有必要, 相应地, 采用新工质后系统的优化匹配问题也应进行详细实验和研究。

 

  由于室外空气一年四季甚至一天当中的温度波动较大, 这就对实现整个空气源热泵系统的自动控制提出了很大的挑战, 关于这一方面的研究尚不多见, 还有待于逐渐探索和完善。

 

  此外, 关于在我国北方地区应用空气源热泵的可行性问题, 还需要根据各地区具体气象条件进行更为详细的实际论证和分析。

 

  3  结 语

 

  本文对近年来我国在空气源热泵方面的研究进展从各个方面进行了比较全面的分析。总的看来, 我国空气源热泵的研究和应用工作已经取得了一定的成就, 但仍存在一些不足之处, 如:节能除霜方法、新工质新循环的替代、系统的智能控制等方面仍有待改进。在今后的研究中应努力解决好这些问题, 以此促进空气源热泵在我国更广泛的应用。