我國空氣源熱泵的技術進展

  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。以環境空氣作為低品位熱源, 可以取之不盡, 用之不竭, 處處都有, 無償獲取。空氣源熱泵則安裝靈活、使用方便、初投資相對較低, 且比較適用于分戶安裝, 目前我國室內空調器大都采用的是這種形式。這也就使得我國空氣源熱泵冷熱水機組市場空前繁榮, 生產研制已經比較成型,產品規格齊全, 品牌繁多。

 

  據有關調查表明, 目前我國空氣源熱泵冷熱水機組生產廠家已由1995 年的十幾家發展到現在的四十多家, 據不完全統計, 國內銷售的機組已逾45 個品牌, 其中國產機組約占25 %左右, 其余為合資產品, 臺資產品和進口產品。為了更好地了解我國空氣源熱泵方面的發展動態, 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, 希望以此來進一步促進空氣源熱泵在我國的研究和應用。

 

  1  我國空氣源熱泵研究狀況

 

  隨著空氣源熱泵在我國應用的日趨廣泛和研究的日趨深入, 了解我國空氣源熱泵的研究狀況對于后續研究而言具有重要的意義。下面重點介紹我國近年來關于空氣源熱泵的技術進展。

 

  1 .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, 其蒸發溫度也隨之降低, 蒸發器表面溫度隨之下降, 甚至低于0 ℃。此時, 當室外空氣在流經蒸發器被冷卻時, 其所含的水分就會析出并依附于蒸發器表面形成霜層。結霜對熱泵是極其不利的。隨著霜層的形成, 蒸發器傳熱熱阻增加, 蒸發溫度下降, 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濟性, 這也就是為什么空氣源熱泵在寒冷、潮濕地區的應用受到限制的原因。所以說, 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。

 

  0  引 言

 

  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。以環境空氣作為低品位熱源, 可以取之不盡, 用之不竭, 處處都有, 無償獲取。空氣源熱泵則安裝靈活、使用方便、初投資相對較低, 且比較適用于分戶安裝, 目前我國室內空調器大都采用的是這種形式。這也就使得我國空氣源熱泵冷熱水機組市場空前繁榮, 生產研制已經比較成型,產品規格齊全, 品牌繁多。

 

  據有關調查表明, 目前我國空氣源熱泵冷熱

 

  水機組生產廠家已由1995 年的十幾家發展到現在的四十多家, 據不完全統計, 國內銷售的機組已逾45 個品牌, 其中國產機組約占25 %左右, 其余為合資產品, 臺資產品和進口產品。為了更好地了解我國空氣源熱泵方面的發展動態, 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, 希望以此來進一步促進空氣源熱泵在我國的研究和應用。

 

  1  我國空氣源熱泵研究狀況

 

  隨著空氣源熱泵在我國應用的日趨廣泛和研

 

  究的日趨深入, 了解我國空氣源熱泵的研究狀況對于后續研究而言具有重要的意義。下面重點介紹我國近年來關于空氣源熱泵的技術進展。

 

  1 .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, 其蒸發溫度也隨之降低, 蒸發器表面溫度隨之下降, 甚至低于0 ℃。此時, 當室外空氣在流經蒸發器被冷卻時, 其所含的水分就會析出并依附于蒸發器表面形成霜層。結霜對熱泵是極其不利的。隨著霜層的形成, 蒸發器傳熱熱阻增加, 蒸發溫度下降, 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濟性, 這也就是為什么空氣源熱泵在寒冷、潮濕地區的應用受到限制的原因。所以說, 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[ 1, 2, 3] , 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、環境溫濕度、翅片間距、管排數等參數對結霜性能的影響及其所可能產生的一系列后果。

 

  了解結霜的機理的主要目的是要解決如何除

 

  霜的問題。傳統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。這些方法各有利弊, 有待完善。近年來,由于計算機技術的發展, 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勢就是處理多維、非線性、時變問題。這樣一來, 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響應分析,可以使除霜控制能夠自動適應機組工作環境的變化, 達到智能除霜的控制要求。關于這方面的詳細研究參見文獻[ 4, 5 , 6, 7] 。此外, 還有考慮環境工況變化的雙溫度傳感器智能化除霜控制方法等[ 8] 。

 

  盡管空氣源熱泵具有很多優點, 但受室外環

 

  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得到了廣泛應用的主要原因。

 

  而在黃河以北地區, 應用空氣源熱泵則根據所處地區不同有其特殊要求。

 

  目前, 關于西安、膠東以及寒冷地區空氣源熱

 

  泵的實際應用情況已有研究[ 9 , 10, 11, 12] , 并就所遇到的如壓縮比過大等具體問題提出了一些相應的改進措施, 可在相應地區的實際應用中作為參考。

 

  此外, 為了對空氣源熱泵結霜除霜所帶來的損失進行量化的分析, 有研究提出了不同地區、不同使用情況下的平均結霜除霜損失系數的概念, 平均結霜除霜損失系數越大的地區應用空氣源熱泵越不經濟。據此, 將我國空氣源熱泵使用地區根據平均結霜損失系數分成4 類:低溫結霜區:如濟南、北京、鄭州、西安、蘭州等;輕霜區:如成都、桂林、重慶等;重霜區:如長沙;一般結霜區:如杭州、武漢、上海、南京、南昌、宜昌等[ 13, 14] 。這些都可以作為今后熱泵設計選用中重要的參考依據。

 

  1 .2  空氣源熱泵節能問題的研究

 

  火用是對系統能的質與量的綜合評價。對系統

 

  進行火用分析可以揭示出系統中火用損失的部位、類型和數量, 以便設法減少這些損失。通過火用計算分析可知, 壓縮功只有20 %被利用, 而有80 %被損失, 其中, 壓縮機火用損失占30 .7 %, 冷凝器占20.4 %, 蒸發器占17.5 %, 毛細管占10 %[ 23] 。由此我們可以看出, 空氣源熱泵系統節能的主要部件是壓縮機, 提高壓縮機本身的技術指標, 是提高整個系統火用效率的關鍵, 而冷凝器和蒸發器火用優化措施主要是設法降低傳熱溫差。

 

  當然, 系統的節能改進與經濟性是相互制約

 

  的, 僅從能效進行分析有一定的局限性。從這個角度出發, 有關研究人員提出供熱最佳經濟平衡點的概念, 以期在此最佳經濟平衡點溫度條件下,整個供熱系統(熱泵+輔助熱源)的初投資與運行費最少, 從而合理實現熱泵節能優化[ 15, 16] 。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(+鍋爐)這3 種方案的經濟性比較可以得出, 空氣源熱泵相對于其它兩種形式而言, 經濟性上具有顯著的優越性[ 17] 。

 

  1 .3  空氣源熱泵各部件性能、工質等對整個系統的影響有限時間熱力學方法在空氣源熱泵的研究中

 

  應用較多。用有限時間熱力學方法可以從理論上研究熱阻對空氣源熱泵循環性能的影響, 并由此得出對應于最大供熱系數的最佳壓比和供熱率、供熱系數之間的關系[ 18] 。而通過有限時間熱力學方法對回熱式空氣源熱泵循環性能進行的分析, 可以導出變溫熱源不可逆閉式回熱式空氣熱泵的供熱率和供熱系數與循環壓比間的解析式。這可以對實驗研究起到一定的指導意義。

 

  四通換向閥是熱泵機組中用來改變制冷劑流向的一個關鍵控制閥件, 上海交通大學陳芝久等人就四通換向閥的性能對熱泵的影響進行了一系列詳細研究, 根據對四通換向閥的動態模擬和測試, 就其容量的測定與換算等方面給出了一些較為合理的建議。

 

  關于熱泵啟停機特性問題, 有研究分析了熱泵停機時系統壓力平衡導致的制冷劑遷移和汽液分離器的機理, 并指出啟動時制冷劑遷移和汽液分離器將導致系統COP 的下降。

 

  隨著人們對生存環境的日益重視, 近來開展了不少關于空氣源熱泵替代工質的研究, 如:

 

  R410A 、R134a 、R744 、非共沸混合溶液等。例如,有文獻通過對R410A 和R22 在回熱循環中的性能研究表明, 在回熱式空氣源熱泵循環中應用

 

  R410A 作為制冷劑對整個系統性能更為有利。

 

  這種研究方法也可在其他替代工質的比較研究中作為借鑒。

 

  空氣源熱泵機組的噪聲來源有很多方面, 受各方面的因素影響也比較多, 但一般來說, 壓縮機和風機是主要的噪聲源, 相應地, 我們應該合理設計壓縮機和風機的結構, 并采取一定的隔音措施以便盡可能減少噪音。此外, 合理布置機組間距離也可以有效減小噪音。

 

  1 .4  計算機模擬在空氣源熱泵系統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, 但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 采用神經網絡法

 

  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對蒸發器的計算模擬 通過對空氣源熱泵的蒸發器結霜問題進行動態模擬計算, 可以詳細分析蒸發器結霜和制冷劑充灌量對系統性能所產生的影響。另外, 對于采用ε-NTU 法(效率—傳熱單元數法)對空氣源熱泵蒸發器肋片管在干工況、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系統仿真研究 通過建立房間空調器熱泵運行時的瞬態仿真的數學模型, 可以得出房間空調器熱泵運行時的制冷系統參數及房間溫度變化的曲線, 這對實現空氣源熱泵系統的自控有很大的意義。

 

  ④系統能耗分析軟件 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。

 

  1 .5  其它

 

  近來針對熱泵分戶計量的需要, 有觀點在對

 

  傳統的計量方法進行比較分析的基礎上提出了用比率法測量熱泵制熱量的新思路, 并結合實際測量給出了應用評價。

 

  變頻技術在空氣源VRV 熱泵中的應用是一項新技術。根據對大金變頻控制熱泵式VRV 空調系統夏季制冷運行時的節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能。

 

  客車空調也是空氣源熱泵應用的一個主要方面。關于空氣源熱泵應用于空調客車的可行性、經濟性以及所遇到的諸如融霜等問題, 已有相應的探討和試驗研究 , 具體地, 關于壓縮機轉速對機車熱泵空調系統制冷量、輸入功率及COP 等性能的影響等問題, 也有相關文獻介紹。

 

  此外, 從一些空氣源熱泵在一些公共場所、大中型商場、毛紡廠等大型建筑中的工程應用實例介紹文獻可以看出, 空氣源熱泵不僅理論研究相對已經比較成熟, 而且已在我國的實際工程中得到了廣泛的應用。

 

  2  空氣源熱泵有待解決的問題及改進方向

 

  對于空氣源熱泵而言, 除了具有種種優點之外, 仍存在很多不足及有待解決的問題。空氣源熱泵的性能受室外氣候條件變化影響較大, 隨著室外環境的惡化而惡化。夏季, 隨著室外空氣溫度的升高, 制冷負荷增大, 但熱泵系統冷凝溫度升高, 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, 而蒸發溫度隨之降低, 熱泵溫差增大, 導致機組整體效率降低。同時, 隨著室外條件的惡劣, 熱泵的工作性能急劇下降, 又反過來加劇了室外環境的惡劣程度。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器冬季結霜問題。這不但導致系統供熱性能的急劇下降, 還將對壓縮機等重要部件產生不良影響(如冰堵), 嚴重時將損壞壓縮機, 使系統不能正常運轉,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。如:有研究認為, 空氣源熱泵工作性能的平均水平是對其結霜過程進行控制、充分發揮熱泵系統技術性能的關鍵, 同時還指出, 關于如何得到最佳的工作特性平均水平點,得到盡可能短的除霜周期和最佳工作效率的問題, 可通過熱泵系統設計中對各設備性能和循環參數的最佳耦合得到[ 31] 。但究竟如何實現最佳耦合卻缺少詳細的說明和深入研究。另外, 如何對機組本身進行優化設計, 減少結霜, 如何采用更好的除霜方式來提高空氣源熱泵的運行效率, 節約機組的費用, 這些都仍值得探討。

 

  目前空氣源熱泵機組中大都采用的是一些含CFCs 或HCFCs 的等具有臭氧破壞潛能ODP 或地球變暖潛能GWP 的制冷劑, 對環境的負面影響較大, 而且, 根據蒙特利爾議定書, 各國將限制具有ODP 和GWP 的鹵代烴CFCs 或HCFCs 的使用, 并規定了到2030 年完全禁止使用的日程表。由此看來, 對新型環保替代工質(如:R410A , R134a ,R744 等)的特性的研究很有必要, 相應地, 采用新工質后系統的優化匹配問題也應進行詳細實驗和研究。

 

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

 

  此外, 關于在我國北方地區應用空氣源熱泵的可行性問題, 還需要根據各地區具體氣象條件進行更為詳細的實際論證和分析。

 

  3  結 語

 

  本文對近年來我國在空氣源熱泵方面的研究進展從各個方面進行了比較全面的分析。總的看來, 我國空氣源熱泵的研究和應用工作已經取得了一定的成就, 但仍存在一些不足之處, 如:節能除霜方法、新工質新循環的替代、系統的智能控制等方面仍有待改進。在今后的研究中應努力解決好這些問題, 以此促進空氣源熱泵在我國更廣泛的應用。