空气源热泵.docx

浅谈空气源热泵摘要：本文主要介绍了空气源热泵方面的研究现状,指出了空气源热泵需要解决的问题：气候条件的限制、冬季结霜、循环工质的选择等，并从暖通空调系统方面，介绍了一些解决空气源热泵现有问题的措施。关键词：空气源、热泵、结霜、措施空气源热泵是以环境空气(取之不尽,用之不竭)作为低品位热源, 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, 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。但是,随着室外温度的降低,用户的需热量在不断的增加.而当室外气温很低时,热泵的cop将急剧下降.两者之间是相互矛盾的,这一矛盾使得空气源热泵的应用范围受到气候条件的制约。1 空气源热泵的研究状况随着空气源热泵应用的日趋广泛，对其研究也日趋深入,下面介绍我国近年来关于空气源热泵的技术进展。空气源热泵结霜、化霜问题的研究结霜机理、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,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1、2。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,人们将模糊控制技术引入空气源热泵除霜问题中，主要是通过对除霜过程的系统响应分析,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。空气源热泵节能问题的研究空气源热泵系统中能耗最大的部件为压缩机，因此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。然而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。因此，有人提出了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3。 空气源热泵各部件性能、工质等对整个系统的影响四通换向阀作为热泵机组中用来改变制冷剂流向的一个关键控制阀件,目前已有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3。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cop的下降3。近来还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。 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。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: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,模拟结果与实验结果吻合较好4 。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。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。2空气源热泵有待解决的问题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。 热泵性能受气候条件的限制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5。 蒸发器冬季结霜问题13。空气源热泵冷热水机组在冬季运行时，当空气侧换热器表面结霜时，会降低换热器的传热系数，增加空气侧的流动阻力，减小机组的供热能力因此我们应该想办法防止或延缓空气侧换热器结霜. 机组换向运行,室外换热器进行除霜时，压缩机润滑油常被带出，造成压缩机缺油；机组结霜严重时，制冷剂蒸发量急剧减少，回液过多造成液击的可能性大大增加等这些常造成机组运行的不稳定，使机组运行中常发生故障，甚至于停机空气源热泵冷热水机组除霜过程的可靠性差在除霜过程中，常出现一些影响正常除霜运行的问题，主要有：吸气、排气压力变化剧烈，对压缩机冲击大，系统制冷剂回液量大；蒸发器和冷凝器频繁转换，破坏机组的正常运行，因此每次除霜时均需一个很长的过程才能使机组恢复到正常的运行；四通换向阀动作频繁，影响其寿命；除霜开始阶段有个压力衰减过程，有的系统会因衰减到低压保护值而造成停机；除霜过程对供水温度影响很大等因此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.循环工质的问题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6。 其他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 从整个暖通空调系统寻求措施 低温水供暖和冷却吊顶降低供暖用热媒的温度有助于降低冷凝压力与冷凝温度，从而减小压缩比，提高热泵循环供热性能系数cop20%左右。由于低温热水地板辐射供暖相对于其他供暖末端设备，其热水温度是最低的，所以空气源热泵冷热水机组配合地板辐射供暖技术应该成为其应用范围向北扩展的重要技术措施。但是我们必须考虑末端设备冬夏兼顾的问题。与地板辐射供暖相对应的有冷却吊顶，夏季将高于室内空气露点温度冷水送入冷却吊顶盘管中去除室内余热。现在的问题在于，空气源热泵同时承担冬季供暖、夏季空调任务时如需分设两套末端设备，在经济上完全不可行，在建筑结构上亦难以实现。蓄热技术的采用由于昼夜温差的存在，可通过在气温较高的白天蓄存热水，气温较低的夜间机组少运行或不运行，从而提高机组制热效率，但其间有一个问题：在实行分时电价的地区，为避开夜间低温，会错过夜间低谷电运行时段。针对这一问题,日本工程师提出了不同于常规意义的蓄热7，即压缩机蓄热的思路。其核心思想是通过敷设在压缩机外周的变蓄热材料的蓄放热来实现压缩室废热的有效利用，从而使产品在供热时有如下改善：系统作除霜运行时仍能保持名义制热量80%以上的出力；系统启动后室温上升至舒适标准所需时间减半；低温条件下制热运行时供热出力增加10%,cop提高5%。 “二级热泵”针对空气源热泵存在的低温条件下制热能力衰减的问题，有人提出了以空气源热泵生产冷热水供水源热泵使用的“二级热泵”方案。常见的“二级热泵”有带中间冷却器的二级压缩热泵系统、带经济器的二级压缩热泵系统、带经济器的准二级压缩热泵系统。下面以带经济器的二级压缩热泵系统为例，进行说明：带经济器的二级压缩热泵系统流程见图1。在带经济器的二级压缩热泵系统高压级压缩机吸气处，一定量的两相制冷剂与低压级压缩机排出的高温气态制冷剂相混合。这样压缩机排气温度过高现象得以解决，同时，由于经济器中的换热，使得从冷凝器出来的制冷剂在进入膨胀阀之前过冷，从而提高系统的cop。但是该系统要准确控制好进入高压级压缩机制冷剂状态。带经济器的二级压缩热泵系统相对于其他低温热泵系统有较高的运行效率。但是它的安装费用较高，在逆运行除霜及空调用方面有一定的局限性2、8。我国北方地区普遍存在的水资源短缺的现实情况，因此水源热泵的应用受到限制。在这种条件下，“二级热泵”的前景值得关注。在这一方案中，空气源热泵在供暖季集中地为住宅区各住户水源热泵提供温度不太高的热水，夏季则提供温度不太低的冷水，水温始终保持在2025之间，管路无需保温。带经济器的二级压缩热泵系统流程图4 结论热泵技术适用范围在逐步扩大。在能源利用率和温室效应受到世界各国普遍关注的时代, 空气源热泵技术会有更大发展，虽然空气源热泵给我们带来很大的益处，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更广泛的应用。参考文献1 姚杨，马最良.空气源热泵冷热水机组结霜工况研究现状与进展哈尔滨建筑大学学报，2002年10月，5期35卷 66-692 俞丽华，马国远，徐荣保. 低温空气源热泵的现状与发展. 建筑节能, 2007年第3期 p54-573 沈明,宋之平.空气源热泵应用范围北扩的可能性分析及其技术措施述评. 暖通空调2002年第32卷第6期 37-394 姚杨,杨自强,马最良.空气源热泵冷热水机组中压缩机性能的模拟. 哈尔滨建筑大学学报,2000 ,06.5stefan sbertsch，eckhard agrol1review ofairsource heat pumps for low temperature climatesq8th international energy agency heatpumpconference，2005（空气源热泵存在的问题）6 房间空调器中r410a 和r22 回热循环分析j .制冷学报,1998 ,03.7 nomura h. heat pump wit