第4章 空气源热泵空调系统

第四章

空气源热泵空调系统4.1空气源热泵机组4.2空气源热泵机组的运行特性4.3空气源热泵的结霜与融霜4.4空气源热泵机组的最佳平衡点4.5空气源热泵的低温适应性第四章空气源热泵空调系统空气源热泵机组包括空气/空气热泵机组和空气/水热泵机组。空气/空气热泵机组又称热泵型房间空调器，按其结构型式主要分为窗式、挂壁式、吊顶式、柜式等。主要介绍常用的挂壁式和柜式空气/空气热泵机组。空气/水热泵机组产品目前有空气源热泵冷热水机组和空气源热泵热水器。4.1空气源热泵机组4.1空气源热泵机组

空气/空气热泵机组4.1空气源热泵机组

空气/空气热泵机组一拖一系统：一台室外机对应一台室内机。多联机系统：也称一机多室或一拖多是一种只用一台室外机组带动多台室内机组的系统，其室内机与一拖一的完全一样，但室外机一般较一拖一的要大一些，其工作原理与一拖一的类似。4.1空气源热泵机组

空气/空气热泵机组空气/水热泵机组产品目前有空气源热泵冷热水机组和空气源热泵热水器。空气源热泵冷热水机组作为空调冷热源，其优势在于：（1）冬夏共用，设备利用率高；（2）省去了一套冷却水系统；（3）不需另设锅炉房；（4）机组可布置在室外，节省机房的建筑面积；（5）安装使用方便；（6）不污染空气，有利于环保。因此该机组在气候适宜地区的中小型建筑中得到了广泛地应用。4.1空气源热泵机组

空气/水热泵机组①采用全封闭往复式压缩机的空气源热泵冷热水机组4.1空气源热泵机组

空气/水热泵机组②采用螺杆式压缩机的空气源热泵冷热水机组4.1空气源热泵机组

空气/水热泵机组空气/水热泵机组产品目前有空气源热泵冷热水机组和空气源热泵热水器。4.1空气源热泵机组

空气/水热泵机组④使用寿命长，维护费用低：设备可实现无人操作。⑤适用范围广：可用于酒店、宾馆、工矿、学校、医院、桑拿浴室、美容院、游泳池、温室、养殖场、洗衣店、家庭等，可单独使用，亦可集中使用，不同的供热要求可选择不同的产品系列和安装设计。⑥应考虑冬季运行时室外温度过低及结霜对机组性能的影响。4.1空气源热泵机组

空气/水热泵机组空气源热泵热水器有以下几个特点：①高效节能。②环保无污染：该设备是通过吸收环境中的热量来制取热水，所以与传统型的煤、油、气等燃烧加热制取热水方式相比，应用场所无任何燃烧外排物，是一种低能耗的环保设备。③运行安全可靠：整个系统的运行无传统热水器（燃油、燃气、燃煤）中可能存在的易燃、易爆、中毒、腐蚀、短路、触电等危险，热水通过高温冷媒与水进行热交换得到，电与水在物理上分离，是一种完全可靠的热水系统。4.1空气源热泵机组

空气/水热泵机组4.2空气源热泵机组的运行特性空气源热泵的特性为：（1）当供水温度一定时，空气源热泵的制热量随着环境温度的升高而增加；其制冷量随着环境温度的升高而减小。但其功率通常情况下，都是随着环境温度的升高而增大。（2）当环境温度一定时，空气源热泵的制热量随着供水温度的升高而减少；其制冷量随着供水温度的升高而增加。但其功率均随着供水温度的升高而增大。但应注意：空气源热泵在制热工况下，由于机组可能有结露或融霜问题，这将会使机组的制热性能更为复杂。4.2空气源热泵机组的运行特性4.3空气源热泵的结霜与融霜4.3.1结霜的原因与危害4.3.2结霜的规律4.3.3延缓结霜的技术4.3.4融霜的方法与控制方式4.3.5结霜与除霜损失系数4.3空气源热泵的结霜与融霜4.3.1结霜的原因与危害（1）结晶生长期当空气接触到低于其露点温度的冷壁面时，空气中的水分就会凝结成彼此相隔一定距离的结晶胚胎。水蒸气进一步凝结后，会形成沿壁面均匀分布的针状或柱状的霜的晶体。这个时期霜层高度的增长最大，而霜的密度有减少的趋势。（2）霜层生长期当柱状晶体的顶部开始分枝时，就进入霜层生长期。由于枝状结晶的相互作用，逐渐形成网状的霜层，霜层表面趋向平坦。这个时期霜层高度增长缓慢，而密度增加较快。（3）霜层充分生长期当霜层表面几乎成为平面时，进入霜层充分生长期。这以后，霜层的形状基本不变。4.3空气源热泵的结霜与融霜4.3.2结霜的规律（1）结霜厚度、密度变化规律4.3空气源热泵的结霜与融霜4.3.2结霜的规律（2）不同管排处结霜规律不同管排处结霜量的变化4.3空气源热泵的结霜与融霜4.3.2结霜的规律（3）迎面风速对结霜的影响不同迎面风速下结霜量随时间的变化4.3空气源热泵的结霜与融霜4.3.2结霜的规律（4）风量、换热量的变化规律风量随时间的变化空气侧换热器换热量随时间的变化4.3空气源热泵的结霜与融霜4.3.2结霜的规律（5）空气侧压降的变化规律空气侧压降随时间的变化4.3空气源热泵的结霜与融霜4.3.3延缓结霜的技术解决的途径有两种，一是设法防止空气侧换热器结霜，二是选择良好的除霜方法。抑制结霜主要有以下方法：（1）系统中增加一个辅助的室外换热器。（2）在系统的室内换热器中设置一个电加热器。（3）改进系统，提出新流程，如采用蓄能热气除霜系统等。（4）对室外换热器表面处理进行特殊处理。（5）适当增大室外换热器通过空气的流量。4.3空气源热泵的结霜与融霜4.3.4融霜的方法与控制方式空气源热泵结霜后必须采取有效的融霜方法，并采取可靠的控制方式融霜方式有：热气融霜法、电热融霜法、空气融霜法、热水融霜法等除霜控制的最优目标是按需除霜，实现机理是利用各种检测元件和方法直接或间接检测换热器表面的结霜状况，判断是否启动除霜循环，在除霜达到预期效果时，及时中止除霜。4.3空气源热泵的结霜与融霜4.3.4融霜的方法与控制方式目前除霜控制方法主要有以下几种：（1）定时控制法。（2）时间—温度法。（3）空气压差除霜控制法。（4）最大平均供热量法。（5）室内、室外双传感器除霜法。（6）自修正除霜控制法。（7）霜层传感器法。（8）模糊智能控制除霜法。目前改进除霜的技术措施及除霜控制方法虽然很多，但在实际运行中仍很难做到按需除霜，除霜过程的稳定性与可靠性也远没有解决。4.3空气源热泵的结霜与融霜4.3.5结霜与除霜损失系数结霜除霜损失系数的概念，定义：

Df——结霜除霜损失系数；COPf——有结霜时的性能系数，COPf=上次除霜末到下次除霜始热泵供给的总热量/上次除霜末到下次除霜始输入热泵的总功；COPs——室外换热器为干盘管时的热泵稳态性能系数。结霜温度区间平均结霜损失系数，定义为Dfm——平均结霜除霜损失系数；Dfi——室外温度为toi时的结霜除霜损失系数；Ni——室外温度为toi时，以1℃为区间所出现的结霜除霜小时数，h。4.3空气源热泵的结霜与融霜据此，我们可以根据平均结霜损失系数，将我国空气源热泵机组适用地区分成4类：①低温结霜区：济南、北京、郑州、西安、兰州等。这些地区属于寒冷地区，气温比较低，相对湿度也比较低，所以结霜现象不太严重，一般平均结霜除霜损失系数在0.950以上。②轻霜区：成都、重庆、桂林等。其损失系数都在0.97以上。这表明，在这些地区使用热泵时，结霜不明显或不会对供热造成大的影响，热泵机组特别适合这类地区应用。4.3空气源热泵的结霜与融霜③重霜区：如长沙。其结霜除霜损失系数为0.703。主要是因为该地区相对湿度过大，而且室外空气状态点恰好处于结霜速率较大区间的缘故。在使用空气源热泵供热时，应充分考虑结霜除霜损失对热泵性能的影响。④一般结霜区：杭州、武汉、上海、南京、南昌、宜昌等。其结霜除霜损失系数在0.80～0.90左右。在使用空气源热泵供热时，要考虑结霜除霜损失对热泵性能的影响。4.4空气源热泵机组的最佳平衡点评价空气源热泵用于某一地区在整个采暖季节运行的热力经济性时，常采用供热季节性能系数(HSPF)作为评价指标。4.4空气源热泵机组的最佳平衡点(1)最佳平衡点SQa—整个供暖季节的辅助加耗电量，kW．h；SQe—整个供热季节加热总耗电，kW．h；SW—整个供暖季节的总耗功量，kW．h；SQl—供暖房间季节热负荷kW．h；m—以1℃为区间，划分供暖季温度区间数；Qa(Tj)—第j个温度区间的辅助加热量，kW；W(Tj)—第j个温度区间空气源热泵消耗的功，kW；Q1(Tj)—第j个温度区间的房间热负荷，kW；j—第j个温度区间，j=1,2,3．．．．m；nj—第j个温度区间的小时数；m—以1℃为区间，划分供暖季温度区间数。4.4空气源热泵机组的最佳平衡点（2）最小能耗平衡点E热泵—热泵的一次能源利用系数；E锅炉—锅炉的一次能源利用系数；COPyj—热泵运行时所对应的季节性能系数；η1—火力发电厂效率；η2—输配电效率。4.4空气源热泵机组的最佳平衡点中国建筑工业出版社（3）最佳经济平衡点影响最佳经济平衡点的因素是很多的，如气候特性、负荷特性、能源价格结构、主机设备价格等。其中，气候特性、能源价格是影响最佳经济平衡点的重要因素，在确定最佳经济平衡点时应给予足够的重视。4.4空气源热泵机组的最佳平衡点中国建筑工业出版社辅助加热辅助加热的方式有：电加热；用燃料燃烧来加热的加热器；用非峰值电力来储存的热量。4.4空气源热泵机组的最佳平衡点中国建筑工业出版社空气源热泵的能量调节4.4空气源热泵机组的最佳平衡点中国建筑工业出版社4.5空气源热泵的低温适应性空气源热泵在寒冷地区应用存在的问题我国寒冷地区冬季气温较低，而气候干燥。采暖室外计算温度基本在-5℃～-15℃，最冷月平均室外相对湿度基本在45％～65％之间。在这些地区选用空气源热泵，其结霜现象不太严重。因此说，结霜问题不是这些地区冬季使用空气源热泵的最大障碍。但却存在下列一些制约空气源热泵在寒冷地区应用的问题（1）当需要的热量比较大的时候，空气源热泵的制热量不足。（2）空气源热泵在寒冷地区应用的可靠性差。（3）在低温环境下，空气源热泵的能效比（EER）会急速下降。中国建筑工业出版社改善空气源热泵低温运行特性的技术措施（1）在低温工况下，加大压缩机的容量多机并联

——指采用多台压缩机并联运行。在低温工况下，用增加压缩机运行台数的方法，提高机组的供热能力。变频技术——通过变频器的频率控制改变电机的转速。压缩机的输气量与电动机的转速成正比，若在低温工况下，提高交流电频率，则转速相应加快，从而使压缩机的输气量加大，弥补了空气源热泵在低温工况下制热量的衰减。变速电机——热泵驱动装置常用二速电机、三速电机，在低温工况下，通过用高速档，提高压缩机转速来加大机组的容量，从而提高机组在低温工况下的制热能力。4.5空气源热泵的低温适应性中国建筑工业出版社改善空气源热泵低温运行特性的技术措施（2）喷液旁通技术作用：1热泵在低温工况下运行时，由于最低的蒸发温度、最高的冷凝温度和最大的过热度而引起的排气温度过高，旁通部分液体来冷却吸气温度，从而达到降低排气温度过高的目的；2热泵低压较低时，采用旁通部分液体来补偿低压，以保证热泵的正常运行。喷液旁通技术使用于螺杆压缩机和涡旋压缩机上。（3）加大室外换热器的面积和风量4.5空气源热泵的低温适应性中国建筑工业出版社改善空气源热泵低温运行特性的技术措施（4）适用于寒冷气候的热泵循环①两次节