中国热泵研究60年

中国热泵研究60年

1党校热泵空调的发展历程与展望20世纪60年代中期，在徐邦玉教授和吴元伟教授的指导下，黑龙江省开始了一篇关于加热研究的议程。历经40年,大致分为三个阶段:80年代以前为起步阶段,其特点是起步较早,起点高,研究成果具有世界先进水平,但发展缓慢;1980～1990年,其研究工作进入兴旺发展阶段,其特点是以空气/空气热泵为主,开展一些基础性的实验研究工作,在短短十年里,作出许多成绩,其发展速度很快;90年代后,由于科研经费等问题,我校的热泵研究工作进入艰难的发展阶段,其特点是以模拟预测分析为主,评价热泵空调系统在我国的应用,以期推动热泵技术在我国的暖通空调中的应用。进入21世纪,随着空调技术的发展,在国家自然科学基金的资助下,为我校热泵空调的发展与应用迎来新的兴旺发展期。为此,本文将系统地总结我校从1959年哈工大分校建院到2003年的40年间在热泵空调方面的研究工作,以总结经验教训,坚定信心,为更好地迎接热泵空调发展的新的兴旺期作好思想准备,以激励我校在热泵空调研究方面再次走向兴旺发展之路,为我国热泵空调的发展贡献微薄之力。更希望通过对我校热泵科研历程的回顾,能推动热泵事业的发展。也为同行提供一份我校发展热泵空调技术的索引。2对热设备的开发和研究2.1lhp-20机组1965年,由徐邦裕教授、吴元炜教授领导的科研小组,根据热泵理论提出应用辅助冷凝器作为恒温恒湿空调机组的二次加热器的新流程,经理论分析和流程实验研究表明,其流程可行而先进,在国际上是首次提出的。1966年由哈尔滨空调机厂生产出第一台样机,被命名为LHR-20A型热泵式恒温恒湿空调机组,1969年通过鉴定。该机组的特点是:(1)夏季恒温用的二次加热采用制冷系统的部分冷凝热,代替了传统的电加热,这不仅大大节省了电加热的电能,而且也节省了冷凝器冷却水的消耗。实际运行证明,机组可达到±1℃的恒温要求;(2)机组的流程是热泵型,冬季恒温所需的供热量利用制冷系统的冷凝热,即为具有节能和环保意义的水/空气热泵。1979年我院与哈尔滨制氧机厂在保持LHR—20机组原有特点的基础上,共同研制出新的HR-20机组,该机组空气侧换热器是铜管串整体铝片,管孔采用双翻边。水侧换热器是低肋片铜管的壳管式换热器。风机是整体冲片式叶轮的双进风风机。经测试表明,HR-20机组的主要技术经济指标达到了国内比较先进的水平,尤其是噪声指标接近于国际先进水平。2.2带热水供应的节能型冷藏柜新流程众所周知,国产冷藏柜的冷凝热白白地废弃掉了。若利用这部分冷凝热制备生活热水,既节省了能量,又避免了冷凝热量排入室内引起的室温过高的弊病。为此,我们于1989年提出了一种带热水供应的节能型冷藏柜新流程。新流程考虑了如下原则:(1)保证正常制冷功能的前提下,可提供40～45℃的热水;(2)应较好地解决热水制备和使用在数量和时间上不一致的矛盾;(3)系统简单,能量回收率高,安全可靠。对新流程和其运行特性进行了实验研究,通过实验寻求最佳流程和验证流程的合理性、经济性和可靠性。2.3燃气水/水热泵研究进展近年来,我国城市煤气、天然气的发展十分迅速。而燃气热泵又是一种节能效果良好的热泵,因此,燃气热泵的研究已引起国内热泵工作者的注意。1986年天津大学首次进行了燃气热泵实验研究工作;北京市公用事业研究所进行了燃气吸收式热泵供热、制冷的可行性研究。但是,燃气热泵在我国实现商品化、实用化的道路上,还有大量的问题急需解决。为此,我校于1991年提出了燃气水/水热泵研究课题,其目的是通过实验验证利用国产制冷机及部件设计和研制燃气热泵机组的可行性,以及研究样机的热工性能。我们主要作了以下几项工作:(1)设计和制造了实验样机。选一台长江750D型摩托车汽油发动机。这样,改装成燃气机容易,只需将汽化器换成带调节机构的燃气与空气的混合装置并修正点火时间,火花塞仍保持不变。实验研究表明,由汽油机改装成燃气机方法简单,且改装后的燃气热泵运行平稳、可靠、调节方便。对燃气水/水热泵机组来说,燃气机缸体冷却方式应为水冷才合理。(2)通过实验得出了燃气水/水热泵样机的运行特性。即低位热源对供热量、一次能源利用系数、燃气耗量的影响;燃气消耗量、一次能源利用系数与燃气消耗量的关系等。2.4家用空调器研究进入21世纪后,随着人民生活水平的提高,家用空调和热水供应已成为现代人居环境中不可缺少的设备。目前,国内通常是分别选用两套系统,一是家用空调机组或户式中央空调系统,二是热水器(电热水器、燃气热水器等)作为独立热源的热水供应系统。这样,每天空调的冷凝热要白白排入大气,既导致了能源的浪费又造成了室外环境的热污染;同时又要消耗一定量的高品位能(电、燃气等)制备低品位的生活热水。显然,这种用能方式不符合可持续发展的要求。为此,2002年提出研究和开发带热水供应的家用空调器的研究课题,通过实验研究了下述问题:(1)新设备流程的可行性与可靠性问题;(2)新设备要同时具备空调和热水供应的两种不同功能,特别要方便、可靠地向用户提供热水;(3)研究人居环境空调负荷变化规律和热水供应负荷变化规律,并在此基础上解决好空调冷凝热与热水供应在时间和数量上的不一致问题;(4)研究蓄热水箱的蓄热特性、容积大小及其性能优化;(5)新设备要能在空调运行期间和停机期间内,随时向用户提供满意的热水,并且要保证在不供应热水的条件下,新设备能正常运行,创造健康而舒适的人居环境。3资金质量方面在20世纪80年代,空气—空气热泵空调器很多都是由进口件组装的,或仿制国外样机,这些产品是否适合我国的气象条件,在我国气象条件下是否先进,亟待研究解决。为此,我院在1980～1990年的10年间开始进行空气—空气热泵空调器的研究。3.1空气—空气—空气热泵实验装置的研究当时国内测定空气—空气热泵制热量的方法主要是焓差法。焓差法在测量微风速下的风量时,测量的误差较大,同时,焓差(即温度)的测量参数的波动还会带来一些误差,致使焓差法在测量小型空气—空气热泵的测试精度较差。而工业发达国家均采用房间热平衡法实验装置测试空气—空气热泵性能,该方法被国际标准化组织(ISO)列为推荐标准。国际上公认,这种测试方法是小型空气—空气热泵性能测试最精确的方法。然而,当时各研究单位和空调设备生产厂家均无房间热平衡实验装置。为了推动我国热泵的发展,有必要研究和建造房间热平衡实验装置。我校于1978年开始着手房间热平衡法实验方法的资料准备,1979年设计并开始建造“标定型房间热平衡法实验装置”,于1980年5月建成了我国第一台标定型房间热平衡法实验装置,经调试和应用,于1981年5月通过鉴定。建成实验台后,我们开展了下述各项工作:(1)为我国商检部门标定进口空调器性能,把好质量关;(2)为开发空气—空气热泵新产品,对进口样机进行详细的实验研究;(3)标定国产空调器的性能;(4)我国空气一空气热泵季节性能系数的实验研究;(5)小型空气—空气热泵除霜问题的研究;(6)开拓房间热平衡法实验装置用途的研究,;(7)探索提高标定型房间量热计的测试精度的技术措施。3.2分体式空调器标定为了确定空气—空气热泵季节性能系数(HSPF),我们采用美国ARI和标准局(NBS)所给出的数学模型。为进一步验证计算方法能否适合我国的具体情况,对国产FKL-30RD分体式空调器进行标定。由于计算某一空气—空气热泵的HSPF值是以供热容量为基础,而对一定供热容量的热泵的HSPF与供热负荷有一定的函数关系,回归出函数曲线,然后用“枚举法”寻优,最后给出了空气—空气热泵在我国7个采暖区域的热泵性能系数值的分布。并给出FKL-30RD空调器在我国16个城市中,在不同的设计供热负荷系数下的采暖房间的热耗量、用电量、辅助加热量、工作平衡点温度及供热季节性能系数等,可供选择热泵时经济运行的参考。3.3管簇结构的drnl优化室外温度的变化和室外侧换热器的结霜将会直接影响空气—空气热泵的制热性能系数,所以,对室外换热器的优化选择是一个重要课题。我们利用中国空调研究所移植的美国新开发的空气—空气热泵和空调器稳态性能电算程序模型—简称DRNL程序,来预测室外侧肋片管簇的结构和排列对性能系数的影响。优化后选出室内侧换热器和室外侧换热器面积之比,又优化出通过室外换热器的风速等。按上海气候条件,其季节性能系数提高36%,而且还能大幅度减少结霜的周期。通过对改进后换热器的实验证明,其分析结果是正确的。我们还对双向开槽肋片管簇换热器作为空气—空气室外换热器进行了优化分析。确定了合理的肋片间距、纵向管排数、室内侧换热器和室外侧换热器面积之比、空气通过室外换热器的流速等。据此设计了新的换热器,使KTQ-3RB型热泵的室外侧换热器造价较原有的降低了19.5%,而季节性能系数在上海提高了39%。3.4空气热泵的除霜方式当小型空气—空气热泵室外换热器表面结霜严重时,一方面使换热器的传热热阻增大,另一方面使通过蒸发器的风量减少,二者的结果使热泵的性能降低。若不及时除霜,将会导致热泵不能正常供热,甚至使热泵发生事故。小型空气—空气热泵在我国高湿度地区使用时,在室外温度12℃以上时就可能出现结霜现象,因此,我们对空气一空气热泵的除霜进行了实验研究。我们特别注意到室外的湿球温度是影响空气—空气热泵结霜的主要因素,它在很大程度上决定热泵的定期除霜的频率和周期。于是提出按不同的湿球温度来制定除霜的时间。我们还提出了一个要求型和定时型的自动除霜控制程序。除上述除霜方式外,还可以在热泵换热器的结构形式和面积大小上加以改进,以避免或推迟除霜,而达到节约能源的目的。因此,我们对KTQ型热泵作了下列改进:(1)根据优化结果,室外换热器面积增加到室内侧换热器的1.24倍;改变制冷剂通路,减少冷面积(20%减少到5%)。改进后的热泵在室外温度为3℃、相对湿度75%情况下运行,始终未发现结霜现象。(2)用了同类型的室外换热器,仅将其肋片型改为双面开槽时,在温度为2℃、相对湿度为75%的情况下,仍未发现结霜现象。(3)通过对室外换热器空气流速的优化,也可避免结霜的可能。(4)找出了合适的目标函数,可对片型、片距、管排数、盘管走向等进行优化,并对数学模型数值求解,可以预测除霜的频率和周期。4水环热泵空调系统在我国的应用情况所谓水环热泵空调系统是指小型的水/空气热泵的一种系统型式,即用水环路将小型的水/空气热泵机组并联在一起,构成一个以回收建筑物内余热为主要特点的热泵供热、供冷的空调系统。20世纪80年代,在我国开始采用这种系统。90年代,水环热泵空调系统在我国得到广泛的应用。但是,应用中仍存在一定的盲目性。这除了设计经验不足之外,更重要的是缺乏对该系统的深入了解。因此,为了在我国更好地推广和应用水环热泵空调系统。我校从1993年开始自选水环热泵空调系统在我国应用的预测分析与评价课题。4.1运行能耗的计算机模拟分析水环热泵空调系统能在短时间里在美国的许多地方获得推广应用,计算机的模拟分析起到了推动作用。如果没有系统模拟预测分析的支持,便没有人愿意首先尝试一种新的空调方式。为了更好地推动和应用水环热泵空调系统,我们对水环热泵空调系统在我国各地区运行能耗进行了计算机模拟分析。模拟分析中充分考虑我国地域辽阔,南北气候条件相差很大,建筑物的型式和功能又各不相同的特点,预测在全国各地采用水环热泵空调系统时,其气象条件、建筑物型式、规模、建筑物内部负荷等因素对它运行能耗的影响。在本项研究工作中,我们对水环热泵空调系统运行能耗提出了三种评价方法:1)系统运行能耗的静态分析法;2)系统运行能耗的计算机动态分析;3)系统运行能耗参数的评价法。据此,我们对水环热泵空调系统在我国哈尔滨、北京、上海、广州四个城市的气象条件下及不同负荷特点的建筑物中的运行能耗进行了综合分析,初步得出了水环热泵空调系统在我国的应用评价。4.2外部热源的引进众所周知,只有建筑物内有大量余热时,通过水环热泵空调系统将建筑物内的余热转移到需要热量的区域,才能收到良好的节能效果。但是,目前我国各类建筑物内部负荷不大,建筑物的内区面积又小。而且,常规空调热源又常为燃煤锅炉。由于这种情况制约了水环热泵空调系统在我国的应用范围。解决这个问题的途径,就是由建筑的外部引进新的外部热源。我国太阳能资源非常丰富,它是水环热泵空调系统的理想外部热源。因此,在1995年开始了太阳能水环热泵空调系统在我国应用的预测分析课题的研究工作。研究结果表明,太阳能水环热泵空调系统是一种节能系统,应用前景广阔,节能潜力大。该系统以建筑物的消防水池为蓄热水池,以解决太阳能的间歇性和不稳定性。此系统拓宽了水环热泵空调系统在我国的应用范围,使目前内部余热量小或无余热的建筑物也可以采用水环热泵空调系统。5电动热泵站在我国的应用用于建筑物区域供热(供冷)的由大型热泵装置组成的集中热源冷源,称之为热泵站。热泵站设想的提出始于20世纪70年代末80年代初,首先在瑞典、前苏联等供热较发达的国家将热泵站用于区域供热,主要采用技术成熟的压缩式热泵装置。那么,在我国应用热泵站作为集中供热的热源,其经济评价如何呢?为了回答这些问题,我校于1991年开展了电动热泵站在我国应用的可行性研究;于1994年开展了“吸收式热泵站在我国应用的分析与评价”课题。我们假设一个供热量为20MW的小区,采用热泵站供热(冷),冬季供60℃的热水,夏季供7℃冷冻水。据此建立了热泵站综合评价模型,对我国各地建立热泵站进行节能效果和经济效益的预测分析。为了使评价更为直观、明了,我们将热泵站与同供热量的区域锅炉房同时进行分析比较。5.1城市供热成本分析5.1.1通过建立电动热泵站的节能效果评价数学模型与求解,来评价在我国21个城市中建立热泵站的节能效果。结果表明,在我国各地区建立以水为低位热源,冬季供60℃热水的电动热泵站是节能的。与目前的常规区域锅炉房相比,以河水(5～6.6℃)为低位热源时,年节煤率为12.68%～14.08%;采用海水(12～13.6℃)为低位热源时,年节煤率为21.59%～23.58%;以工业废水(18～20℃)为低位热源时,其年节煤率高达39.00%～39.98%。虽然我国各地区的节煤率基本一样,但是全国各地节煤量却不一样,差异很大。5.1.2根据费用现值法,建立了热泵站的经济效益评价模型。并将煤价、电价作为变量,在供热锅炉房使用寿命期内的费用年值等于热泵站使用寿命期内的费用现值的前提下,研究全国主要城市在不同低位热源、不同设备价格条件下煤价和电价的关系。并以此关系绘制出各主要城市的热泵站临界经济线。我们可以十分方便地判断每个地区建立热泵站的经济效益如何。5.2经济效益分析5.2.1利用吸收式热泵站综合评价模型,对我国20个城市建立的吸收式热泵站进行能耗分析,预测了20个城市建立吸收式热泵站的运行能耗,相对于传统的锅炉房供热,热泵站的节煤量与节煤率,并对影响吸收式热泵站运行能耗的因素进行了分析。5.2.2根据吸收式热泵站方案的性质与特点,选用费用年值法进行经济评价。据此,建立了吸收式热泵站的经济效益模型。在目前的设备、能源价格条件下,吸收式热泵站同传统的供热方式相比竞争力不强。但在南方城市建立吸收式热泵站同传统的供热方式的竞争力要比北方强。6冷热水机组与土壤源热泵的研究6.1国内发展现状空气源热泵冷热水机组作为中央空调冷热源,近年来,在我国获得很大的发展。但是,在实际运行与推广中,我们发现仍存在一些问题值得研究。为此,于1997年开展了空气源热泵冷热水机组的一些研究工作。6.1.1空气源热泵冷热水机组结霜量指标的确定空气源热泵冷热水机组实际运行中的供热量和性能系数受室外温度、相对湿度和结霜与除霜控制方式的影响很大。目前生产厂家提供的数据资料,既没有考虑在我国各地的结霜情况,也未考虑除霜的控制方式,因此,设计人员很难根据现有的产品性能数据资料正确地确定机组实际的供热量和性能系数,也无法准确地进行设计选型。为此,我们作了研究,提出了结霜量指标和相对结霜量的概念,统计分析了我国空气源热泵适用地区的气候特点,得出了不同使用情况下的平均结霜除霜损失系数。据此,将我国空气源热泵冷热水机组适用地区分为:低温结霜区,如济南、北京、郑州、西安、兰州等;轻霜区,如成都、重庆、桂林等;一般结霜区,如杭州、武汉、上海、南京、南昌、宜昌等;重霜区,如长沙。可推荐作为设计中的参考。6.1.2结霜时变化率的计算空气源热泵冷热水机组冬季结霜的问题始终是影响其应用和发展的主要问题。因此,近年来,我校又开展了这方面的研究。指出了目前计算用于霜密度变化的结霜量变化率公式中存在的问题,提出了根据理想气体状态方程和Clapeyron-Clausius方程推导出的计算用于霜密度变化的结霜量变化率的公式。在质量守恒、动量守恒、能量守恒的基础上建立了空气源热泵冷热水机组室外换热器结霜工况下的数学模型,将结霜模型和换热器特性模型有机地结合起来,该模型为分布参数模型,且考虑了制冷剂侧两相流动换热的影响,其模型具有很强的适用性;建立了整个空气源热泵冷热水机组的动态模型。通过数值求解,分别计算了不同工况下的结霜速率、霜的密度、霜的厚度随时间的变化以及结霜后系统中各状态参数的变化。其模拟结果与实验数据吻合很好。6.1.3平衡温度和着力点选择平衡点温度对于空气源热泵冷热水机组的运行经济性影响很大,如何合理选择平衡点温度是十分重要的问题。因此,我们在总结前人研究空气源热泵冷热水机组成果的基础上,提出了最佳能量平衡点温度、最佳经济平衡点温度、最佳能源利用率平衡点温度的概念及相应的计算方法。6.1.4基于神经网络的机组故障诊断效果由于空气源热泵冷热水机组运行工况的特殊性,压缩机所承受的工作状况较为恶劣,使其运行不稳定且经常发生事故,甚至停机、烧机。因此,掌握机组中压缩机在低温环境下的运行规律并了解有关故障,对空气源热泵冷热水机组的推广与应用有着重要的意义。为此,我们对机组运行中易出现的故障进行详细的剖析,找出故障出现的原因并提出改进机组的技术措施。同时研究了基于BP神经网络模型的故障诊断方法,建立了基于BP神经网络的空气源热泵冷热水机组的故障诊断模型。并用模拟实验的征兆实例和领域专家的知识对神经网络进行了训练。诊断结果表明,对于已学习过的样本知识,网络的输出与希望结果充分吻合,基于人工神经网络的机组故障诊断是行之有效的。为保障机组安全可靠运行提供了重要手段。6.2耦合热泵供暖系统针对传统供暖方式存在的能耗过高和环境污染问题,提出了生态供暖的新理念。根据热泵的基本原理并针对寒冷地区的特点,提出一种以能量闭路循环使用为特征的、具有节能和环保意义的、适合于寒冷地区特点的双级耦合热泵供暖系统,提出了双级耦合热泵供暖系统的三个可实施方案。所谓双级耦合热泵空调系统是指系统通过一个水循环系统将两套单级压缩式热泵系统有机耦合在一起,构成一个新型的热泵系统。通常可由空气/水热泵加上水/空气热泵,或空气/水热泵加上水/水热泵组成。现已完成下述几项工作:(1)建立了空气/水加水/空气双级耦合热泵的热力特性仿真模型,并将供暖负荷特性、空调负荷特性、调节特性等与其系统的数学模型有机地结合起来;(2)空气/水加水/空气双级耦合热泵系统在我国寒冷地区应用的预测分析;(3)研究提高空气/水热泵在寒冷地区应用可靠性的技术措施;(4)提出空气/水加水/水的双级混合系统。6.3土壤温度场和蓄冷系统在对国内外关于土壤耦合热泵系统及冰蓄冷技术的发展和应用充分了解的基础上,以新技术改造传统技术,整合集成土壤耦合热泵和冰蓄冷的技术要素和成果,提出了一种适合于以空调负荷为主,采暖负荷为辅地区的全新的空调系统形式,即土壤蓄冷与热泵集成系统。该系统充分利用了冻土蓄冷技术和土壤耦合热泵系统的优点,将土壤耦合热泵系统中的地下埋管换热器兼作夏季蓄冷空调系统中的蓄冷装置,使土壤耦合热泵系统的地下埋管换热器和蓄冷装置合二为一,免除了传统冰蓄冷系统中占地面积大、耗资较多的蓄冷装置(如蓄冰筒或蓄冰槽等),解决了蓄冷装置的占地面积和配置问题。土壤耦合热泵系统在我国南部亚热带地区长期运行,由于冬、夏季负荷的不平衡性,使得土壤的温度逐年升高,最终导致夏季制冷工况运行时,冷凝温度过高,使土壤耦合热泵系统