空氣源熱泵低溫適應(yīng)性研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展

1、能源與環(huán)境空氣源熱泵低溫適應(yīng)性研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展柴沁虎1, 馬國(guó)遠(yuǎn)2(1. 清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系, 北京100084;2, 北京工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 北京100022摘要:隨著改革開放的發(fā)展、人們生活水平的提高, 許多傳統(tǒng)供暖地區(qū)的居民開始有夏季制冷的要求, 而且這些地區(qū)傳統(tǒng)的以燃煤為基礎(chǔ)的供暖模式所帶來(lái)的負(fù)面影響越來(lái)越不能適應(yīng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求?？諝庠礋岜靡蚱涮厥獾膬?yōu)點(diǎn)而在長(zhǎng)江中下游以南地區(qū)備受重視, 但是傳統(tǒng)的空氣源熱泵要想成功應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)還有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步解決。文章分析了空氣源熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)使用時(shí)需要解決的一些問(wèn)題, 以及國(guó)內(nèi)外為解決這些問(wèn)題所做的一些工作, 對(duì)于更好

2、地促進(jìn)這空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展具有積極的意義。關(guān)鍵詞:空氣源熱泵; 低溫; 適應(yīng)性中圖分類號(hào):TU831. 7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1004-3950(2002 05-State of know ledge and MA G uo 2yuan 2(Science Tsinghua University ,Beijing 100084, China ;2of Energy and Environment Beijing P oly -technical University , Beijing 100084, China Abstract :With the development of nat

3、ional economy and im provement in people s living standard , spacing cooling is gradual 2ly populated am ong people living in the cold areas ; what s m ore , the conventional spacing heating method based on coal 2fired boilers can t meet with the policy of sustainable development. O f all the availa

4、ble heating and cooling methods , ASHP (Air S ource Heating Pum p is the optimal method for its self 2evident virtues , however the conventional ASHP can t run in the cold areas and a spare heating s ource is needed when the ambient tem perature is very low , and thus initial cost is s oaring and un

5、 2bearable considering the low rate of utilization. In this paper the author analyzed several problems that prevent the ASHP to be used in the cold areas , relevant researches round the w orld are reviewed , which is very beneficent to the per fection of the ASHP.K ey w ords :air s ource heating pum

6、 p (ASHP ; low tem perature ; adaptability1緒言隨著人民生活水平不斷提高, 熱泵空調(diào)機(jī)組尤其是空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組在我國(guó)長(zhǎng)江中下游、西南、華南地區(qū)(中國(guó)氣候分區(qū)的、區(qū) 得到廣泛的應(yīng)用, 這些地區(qū)冬季室外溫度一般不低于零下5, 室內(nèi)需熱量不大, 夏季氣溫較高, 一般有制冷的要求, 當(dāng)采用空氣源熱泵系統(tǒng)時(shí), 應(yīng)用效果良好, 機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn), 由于在這些地區(qū)熱泵的運(yùn)行相對(duì)較窄, 機(jī)組的經(jīng)濟(jì)區(qū)間(外溫由10-5性可以得到較好的保證, 無(wú)需輔助熱源, 能夠以較低的初投資、較低的能耗較好地滿足該地區(qū)的采收稿日期:2002-07-31作者簡(jiǎn)介:柴沁虎(1974- , 男

7、, 漢族, 江蘇南通人, 博士研究生。暖、空調(diào)要求, 高效節(jié)能、不污染環(huán)境、能實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用1,2。而對(duì)于黃河流域、華北地區(qū)這些傳統(tǒng)的采暖地區(qū)(中國(guó)氣象分區(qū)的區(qū)和區(qū)南部 長(zhǎng)期以來(lái)一直依靠燃煤、燃油采暖。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市規(guī)模的擴(kuò)大, 這些傳統(tǒng)的采暖方式的缺點(diǎn)越來(lái)越突出, 不能適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求, 據(jù)統(tǒng)計(jì)燃煤采暖已經(jīng)成為北方冬季城市空氣污染的罪魁禍?zhǔn)?。因此?duì)于這些地區(qū)探索出一些可持續(xù)發(fā)展的潔凈采暖技術(shù)就具有非?，F(xiàn)實(shí)而且重要的意義, 并逐漸成為工程界、學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題3。空氣源熱泵使用方便、能量利用效率高、對(duì)2002能源工程-µ-能源與環(huán)境使用地區(qū)基本不產(chǎn)生什么污染, 如果

8、能夠解決在低溫環(huán)境下工作的一些不足, 應(yīng)該是21世紀(jì)替代傳統(tǒng)供暖模式的具有節(jié)能、環(huán)保意義的最有競(jìng)爭(zhēng)力的一種電力驅(qū)動(dòng)采暖技術(shù)。不僅如此, 這種技術(shù)的推廣對(duì)于地區(qū)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、治理大中城市環(huán)境污染, 解決電力結(jié)構(gòu)性過(guò)剩、促進(jìn)暖通空調(diào)的可持續(xù)發(fā)展也有著十分積極的意義。但是, 長(zhǎng)期以來(lái)的理論和實(shí)踐均表明, 如果這種空氣源熱泵系統(tǒng)不作任何改進(jìn)就加以推廣到黃河流域、華北、西北等地區(qū), 那么設(shè)備將無(wú)法在冬季正常工作:系統(tǒng)的制熱量隨著外溫的下降而迅速下降, 而需熱量卻隨著外溫的下降而迅速上升, 當(dāng)外界溫度很低時(shí), 系統(tǒng)的制熱量將小到無(wú)法滿足這些地區(qū)的冬季采暖需求; 與此同時(shí), 隨著室外環(huán)境溫度的降低, 機(jī)組C

9、 OP 急劇下降、壓比會(huì)越來(lái)越大, , , 熱泵系, 有許多有待改進(jìn)的地方, 主要表現(xiàn)為現(xiàn)有的除霜判據(jù)不能適應(yīng)北方的這種大范圍運(yùn)行工況, 熱泵系統(tǒng)誤除霜現(xiàn)象嚴(yán)重, 需要除霜與實(shí)際除霜不合拍、除霜水不易流盡、除霜時(shí)間過(guò)長(zhǎng)往往會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動(dòng)過(guò)大, 用戶有明顯的吹冷風(fēng)的感覺; 機(jī)組在低溫工況啟動(dòng)困難, 機(jī)組在啟動(dòng)階段或者除霜結(jié)束恢復(fù)制熱時(shí)經(jīng)常容易發(fā)生燒機(jī)現(xiàn)象。適性比較差, 如果采用其他一些改進(jìn)出風(fēng)過(guò)于干燥的措施, 則初投資又將急劇上升。要想研究最適合于北方寒冷地區(qū)使用的空氣源熱泵系統(tǒng), 就必須了解北方地區(qū)的實(shí)際氣候特點(diǎn), 黃河流域、華北地區(qū)冬季采暖期間的氣候特點(diǎn)見表1。由表1可以看出:這些地區(qū)冬

10、季采暖期較長(zhǎng),表1部分北方城市采暖期氣候特點(diǎn)城市北京天津石家莊濟(jì)南鄭州供暖期/d 1291221171061021445/h 309629282808254424482424-4/h 934700570393168-10/h 10669-15/hT min amb/-12-12-9-8-8-14-7-158016490-15是指室外環(huán)境溫度低于該值所對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間而且室外氣溫較低, 空氣源熱泵要想不依靠輔助熱源滿足這一地區(qū)的冬季采暖需要, 一般而言必須能夠在-15左右的大氣環(huán)境中長(zhǎng)期高效、安全運(yùn)行。但是這一段氣溫特別低的室外環(huán)境溫度持續(xù)時(shí)間又特別短, 系統(tǒng)大部分時(shí)間還是運(yùn)行在一個(gè)相對(duì)較高的室外

11、溫度環(huán)境下。綜合考慮空氣源熱泵的冬、夏季的性能, 壓縮機(jī)的最佳壓縮比一般均在3. 54. 0的水平, 一般不超過(guò)7, 這樣在進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí), 出于熱泵系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性的考慮, 現(xiàn)行的設(shè)計(jì)方案均存在一個(gè)供暖不保證時(shí)間, 當(dāng)外界溫度低于一定值時(shí), 熱泵系統(tǒng)停運(yùn), 啟動(dòng)備用熱源4。應(yīng)該說(shuō), 相對(duì)于目前的熱泵技術(shù)現(xiàn)狀而言, 這是一種較為合理的技術(shù)方案, 問(wèn)題是由于這一過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短, 備用熱源(輔助電加熱或者鍋爐房 的存在對(duì)于用戶而言實(shí)在是一塊雞肋, 如果能夠開發(fā)出一種空氣源熱泵既能保證在其冬季最大運(yùn)行時(shí)段所對(duì)應(yīng)的效率最高, 同時(shí)當(dāng)室外溫度較低時(shí), 仍能安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行, 這樣就可以省去后備熱源

12、, 這樣無(wú)論從初投資還是實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用來(lái)看都是用戶最希望看到的。近年來(lái), 在華北地區(qū)出現(xiàn)了一些使用空氣源熱泵系統(tǒng)的工程實(shí)例, 這些實(shí)例均宣稱能夠在低溫寒冷地區(qū)正常運(yùn)行5, 但是由于這些地區(qū)冬季室外溫度變化范圍較大, 為保證安全, 系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般均選用高壓縮比(>10 的壓縮機(jī), 雖然這種系統(tǒng)在低溫工況下制熱效果良好, 經(jīng)濟(jì)性也還不錯(cuò), 但是在室2空氣源熱泵在北方地區(qū)應(yīng)用現(xiàn)狀以及優(yōu)化原則對(duì)于工程設(shè)計(jì)而言, 長(zhǎng)期以來(lái), 除了增設(shè)輔助熱源(燃油、燃?xì)忮仩t房 外, 國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)一直依靠加裝輔助電加熱器來(lái)解決低溫環(huán)境下制熱量不足的問(wèn)題, 輔助電加熱器往往加裝在室內(nèi)水路上, 或者在室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口前。輔助電加

13、熱器主要采用電熱管或PT C 兩種加熱元件, 這兩種方式的具體使用效果的比較已有詳細(xì)敘述, 本文不再贅敘6。應(yīng)指出的是, 這種加熱方式盡管增加了初投資, 但仍然要比整個(gè)冬季都直接采用電加熱采暖(如電熱膜 要經(jīng)濟(jì)一些, 研究表明:在北京地區(qū)使用帶輔助電加熱空氣源熱泵供暖的整個(gè)冬季耗電量約為全部直接依賴電加熱采暖的電耗的一半, 因而對(duì)于某些特定場(chǎng)合(二環(huán)以內(nèi) 仍是值得優(yōu)先考慮的方案。但這種方式下房間空調(diào)器吹出的熱風(fēng)舒-µ-E NERGY E NGI NEERI NG2002能源與環(huán)境外溫度稍高的條件下, 或者夏季制冷運(yùn)行時(shí)由于過(guò)壓縮會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降較多, 空調(diào)機(jī)組全年經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(SEER

14、 有很大程度的降低, 這種做法并不能使用戶真正地實(shí)惠, 這種舍本逐末的做法對(duì)于熱泵行業(yè)的持久發(fā)展是非常有害的。系列熱泵空調(diào)機(jī)組, 就是采用的類似方法, 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試表明其可以在-15以上的條件下正常工作10-12。隨著變頻技術(shù)在空調(diào)器行業(yè)的應(yīng)用, 又推出了變頻低溫空氣源熱泵, 在低溫環(huán)境下工作時(shí), 通過(guò)采用變頻技術(shù)提高壓機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)增加機(jī)組的循環(huán)工質(zhì)量來(lái)提高制熱量, 考慮到系統(tǒng)在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí), 渦旋壓機(jī)必然會(huì)產(chǎn)生高排氣溫度, 為此系統(tǒng)采取了噴液旁路循環(huán)的保護(hù)措施:在低溫工況運(yùn)行時(shí), 投用噴液旁路循環(huán), 在渦旋壓機(jī)的壓縮空腔中直接噴入從冷凝器來(lái)的液體制冷劑。但該方案只是解決了空氣源熱泵的低溫工況

15、運(yùn)行可行性問(wèn)題, 而不能保證低溫工況下的經(jīng)濟(jì)性, 的、對(duì), 此時(shí)系統(tǒng)初投資有所降低。日本K atsuji Y amagami 提出利用燃油、燃?xì)馊紵鬏o助加熱的熱泵空調(diào)器來(lái)解決低溫工況下制熱不足的問(wèn)題13。在這個(gè)系統(tǒng)中燃?xì)?、燃油加熱的工作方式主要有兩種:在供暖時(shí)停止熱泵系統(tǒng)運(yùn)行, 僅啟動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng), 依靠燃料在空調(diào)器中的燃燒器中燃燒, 加熱流過(guò)的空氣, 從而送出暖風(fēng), 此時(shí), 燃燒器一般加裝在室內(nèi)機(jī)中; 在供暖運(yùn)行時(shí), 熱泵系統(tǒng)仍然運(yùn)行, 室外機(jī)組內(nèi)的燃?xì)?、燃油加熱器加熱室外蒸發(fā)器, 制冷劑將吸收到的熱量以及壓機(jī)所做的功一并帶到室內(nèi)。制冷劑的循環(huán)量和燃?xì)狻⑷加土坑晌㈦娔X根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷控制。這一系統(tǒng)

16、型式較為復(fù)雜, 燃油系統(tǒng)須要配備儲(chǔ)油罐等輔助設(shè)施, 在建筑行業(yè)中對(duì)儲(chǔ)油罐的裝設(shè)及燃油的運(yùn)輸通道有著嚴(yán)格的消防要求, 燃?xì)庀到y(tǒng)對(duì)市政輸送管網(wǎng)有一定的技術(shù)要求, 這在建筑密度很高的市區(qū)地段很難滿足, 即使勉強(qiáng)滿足也存在著一定程度的隱患, 因此這一方案基于安全性的考慮以及一些國(guó)家地區(qū)的政策法規(guī)的限制, 其應(yīng)用前景并不令人看好, 同時(shí)當(dāng)燃燒器加裝在室外機(jī)時(shí), 系統(tǒng)冬季運(yùn)行燃燒器投運(yùn)時(shí), 系統(tǒng)獲取的并不是來(lái)自空氣的免費(fèi)熱源, 而是有代價(jià)的熱源, 同時(shí)這部分熱源也不是百分之百地能夠得到利用。谷輪公司亞太區(qū)技術(shù)部王貽任先生在2000年5月的渦旋式制冷壓縮機(jī)應(yīng)用與發(fā)展技術(shù)研討會(huì)上提及該公司的一些發(fā)展新動(dòng)向時(shí)指

17、出該公司正在致力于研究一種二級(jí)可調(diào)容量渦旋壓縮機(jī), 該技術(shù)擬在壓機(jī)的定盤上開兩個(gè)孔, 通過(guò)旁通可3低溫空氣源熱泵系統(tǒng)型式的相關(guān)研究空氣源熱泵應(yīng)用于寒冷地區(qū)冬季制熱時(shí), 當(dāng)外界溫度下降時(shí)對(duì)應(yīng)的制冷劑吸氣比容增大, 使得機(jī)組吸氣量隨著外溫的降低迅速下降, 這樣機(jī)組的制熱量也就相應(yīng)按比例下降, 而且隨著吸氣壓力的降低, 機(jī)組的壓力比嚴(yán)重偏離最優(yōu)值, 系統(tǒng)壓縮過(guò)程嚴(yán)重偏離正常壓縮過(guò)程, 導(dǎo)致機(jī)組排氣溫度急劇上升。因而從直覺出發(fā), 研究者均將這幾個(gè)問(wèn)題作為研究的關(guān)鍵問(wèn)題, :質(zhì)循環(huán)量部的工作過(guò)程, 冷劑。為解決低溫制冷時(shí)機(jī)組的性能與投資關(guān)系問(wèn)題, 在80年代中期有學(xué)者提出了帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng), 并

18、在螺桿機(jī)組中得到成功應(yīng)用7,8。研究指出這種系統(tǒng)在低溫工況下的節(jié)能效果顯著, 對(duì)于蒸發(fā)溫度T 0在-15-40范圍內(nèi)的低溫工況, 采用這種經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)可以使得制冷量增大19%44%, 制冷系數(shù)提高7%30%, 研究表明在-30的工況下, 該系統(tǒng)完全可以取代雙級(jí)壓縮系統(tǒng)。但是由于螺桿機(jī)組容量一般較大, 很少有應(yīng)用于小型戶式空氣源熱泵的情形, 同時(shí)這種系統(tǒng)相對(duì)于二級(jí)壓縮系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)隨著蒸發(fā)溫度的上升將逐漸趨于下降, 因而這種準(zhǔn)二級(jí)壓縮的研究長(zhǎng)期以來(lái)一直局限于低溫制冷的情況, 其普冷工況的可行性一直未能得到足夠的關(guān)注。80年代初N obukatsu Arai 提出帶閃發(fā)器的渦旋壓縮機(jī)注氣系統(tǒng), 并簡(jiǎn)要分

19、析了其性能, 指出采取這一措施, 在低溫工況下(沒有具體數(shù)據(jù) 可以提高制熱性能15%左右9。后來(lái)日本Hagim oto K 等人提出采用帶噴液旁路的渦旋壓機(jī)系統(tǒng)來(lái)解決低溫工況制熱時(shí)的排氣溫度過(guò)高問(wèn)題, 并開發(fā)出樣機(jī), 通過(guò)對(duì)輔助回路的投?？梢詫?shí)現(xiàn)既能在常溫工況下高效正常工作、又能夠在低溫工況下安全、可靠地工作的熱泵系統(tǒng)。日立公司推出的J|2002能源工程-µ-能源與環(huán)境以減容65%, 當(dāng)應(yīng)用于北方時(shí)可有效減少輔助電加熱的應(yīng)用量; 還指出利用噴氣增焓技術(shù), 可以在夏季有效提高制冷量, 冬季甚至可以不需要輔助加熱裝置, 但是到目前為止, 還沒有看到該公司的任何與上述構(gòu)思相關(guān)的產(chǎn)品、報(bào)告或

20、論文。哈爾濱建筑科技大學(xué)馬最良14提出采用空氣源熱泵與水2水熱泵或者水2空氣熱泵組成耦合的雙級(jí)熱泵供暖系統(tǒng)來(lái)解決在寒冷地區(qū)低溫制熱時(shí)熱泵性能惡化問(wèn)題。在冬季, 用放置在室外的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組制備1020的溫水, 通過(guò)水環(huán)路送至室內(nèi)的水2空氣熱泵或者水2水熱泵系統(tǒng)從水中提取熱量, 以求達(dá)到供暖目的。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)水回路將空氣源熱泵和水源熱泵組成耦合的雙級(jí)熱泵供暖系統(tǒng)。馬還在其它文獻(xiàn)中提出利用寒冷地區(qū)的建筑物的內(nèi)區(qū)發(fā)熱量, 以及引入的經(jīng)濟(jì)性的設(shè)想。, , 節(jié)省的功也就越多, 。但從工程實(shí)際考慮, 壓縮的級(jí)數(shù)越多, 制冷系統(tǒng)和設(shè)備越復(fù)雜、操作調(diào)整的工作量也就越大, 而且機(jī)器設(shè)備的投資也就越大, 因

21、而在工程應(yīng)用中, 只有當(dāng)壓比超出一定的范圍, 效率下降較多、能耗上升較多時(shí), 才考慮采用二級(jí)壓縮系統(tǒng)。低溫地區(qū)用空氣源熱泵的工作環(huán)境溫度變化范圍非常大, 但熱泵在低溫條件下工作的時(shí)間相對(duì)較短, 大部分時(shí)間其運(yùn)行的壓力比并不足夠高, 因而如果采用雙級(jí)壓縮系統(tǒng), 從總體上看, 其節(jié)能的效果, 相對(duì)于添加一套設(shè)備所造成的系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備浪費(fèi)、成本增加、可靠性降低是得不償失的。清華大學(xué)的馬國(guó)遠(yuǎn)等人15經(jīng)過(guò)研究, 成功利用帶輔助進(jìn)汽口的渦旋壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)來(lái)提高空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能。該研究可以有效提高熱泵在低溫工況下的性能, 系統(tǒng)的基本型式如圖1所示:帶輔助進(jìn)汽口的

22、渦旋壓機(jī)排出的高溫、高壓制冷劑氣體, 經(jīng)水側(cè)冷凝器將熱量傳遞給水后變?yōu)橐后w, 升溫后的水用于采暖或者作為生活熱水。冷凝器出來(lái)后的高壓制冷劑液體在儲(chǔ)液器前分為兩路:主回路為制冷回路、輔助回路為補(bǔ)汽回路。輔助回路的制冷劑液體經(jīng)電子膨脹閥降壓后變?yōu)?低壓的汽液混合物進(jìn)入安置于儲(chǔ)液器中的經(jīng)濟(jì)器圖1帶輔助進(jìn)汽口的低溫空氣源熱泵系統(tǒng)示意與主回路的制冷劑液體發(fā)生熱交換。輔助回路的制冷劑液體變?yōu)闅怏w后由壓縮機(jī)的輔助進(jìn)汽口吸入, 主回路的過(guò)冷的制冷劑液體經(jīng)過(guò)干燥過(guò)濾器、膨脹閥后進(jìn)入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器中, 主回路的制冷劑吸收低溫環(huán)境中的熱量而變?yōu)榈蛪簹怏w被壓縮機(jī)吸氣口, 經(jīng)過(guò)壓縮以后, 主輔回路的氣體在壓縮機(jī)工作腔

23、中混合, 再進(jìn)一步壓縮后排出壓縮機(jī), 至此形成一個(gè)完整的封閉循環(huán)。與普通的熱泵機(jī)組相比, 該類型的機(jī)組有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1 在冷凝器和壓縮機(jī)之間并聯(lián)有補(bǔ)汽回路, 該系統(tǒng)事實(shí)上存在3個(gè)等級(jí)的壓力:冷凝側(cè)壓力、蒸發(fā)側(cè)壓力、以及輔助回路膨脹閥出口壓力。(2 壓機(jī)上帶有輔助進(jìn)汽口, 主輔回路在經(jīng)濟(jì)器中產(chǎn)生熱交換, 使得主回路的制冷劑得到過(guò)冷卻, 整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性得到較大的提高, 同時(shí)由于壓機(jī)出口溫度的降低, 系統(tǒng)的安全性也較以前有所提高。(3 如果切斷輔助回路上的電磁閥, 則該機(jī)組按照普通熱泵系統(tǒng)工作, 和常規(guī)的單級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)沒有區(qū)別; 如果輔助回路上的電磁閥打開, 該回路投入運(yùn)行, 那么該機(jī)組按照

24、帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行工作, 這樣既不影響機(jī)組在普通工況下的性能(按照常規(guī)的系統(tǒng)工作 , 又可以實(shí)-µ-E NERGY E NGI NEERI NG2002能源與環(huán)境現(xiàn)機(jī)組在低溫工況下的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行, 經(jīng)濟(jì)有效地?cái)U(kuò)大了機(jī)組的低溫工作范圍。實(shí)際測(cè)試表明這個(gè)系統(tǒng)能夠成功解決當(dāng)室外溫度過(guò)低時(shí)制熱量急劇衰減過(guò)快, 以及因壓比過(guò)高所導(dǎo)致的壓縮過(guò)程惡化, 排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題; 通過(guò)輔助回路的投停有效解決了單臺(tái)壓機(jī)在不同的工況下C OP 變化過(guò)大, 使得機(jī)組在各個(gè)工況下面的經(jīng)濟(jì)性均能得到較好的照顧。無(wú)論從初投資還是從運(yùn)行費(fèi)用來(lái)看均是最佳的方案。我們關(guān)心的是空氣源熱泵實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)相對(duì)于剛開機(jī)或

25、者除霜結(jié)束恢復(fù)制熱階段所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)的相對(duì)變化。空氣源熱泵設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)和他的前繼、后續(xù)狀態(tài)之間的信息均存在一定的聯(lián)系, 這些信息一起構(gòu)成了一個(gè)存在著一定程度的剩余信息的信息體系, 如果能夠?qū)@個(gè)信息體系加以解析, 是可以準(zhǔn)確推斷出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)變化程度, 以此就可以較簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)按需除霜, 提高除霜過(guò)程的可靠性。對(duì)于除霜技術(shù)而言, 不僅應(yīng)該考慮如何準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)按需除霜, 如何實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)最大平均制熱效果、縮短除霜過(guò)程、21。研, 個(gè)階段, 當(dāng)機(jī)組剛, , 以及, 高、低壓側(cè)制冷劑無(wú)法正常流動(dòng), 因而接下來(lái)一段時(shí)間, 低壓側(cè)極度抽空, 整個(gè)機(jī)組的制冷劑循環(huán)量、向室外空氣側(cè)換熱器提供的供熱量都很小,

26、 系統(tǒng)需要一段時(shí)間用來(lái)建立一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的新工況(持續(xù)時(shí)間段t 1 。隨著系統(tǒng)高、低壓側(cè)壓力的重新建立系統(tǒng)進(jìn)入到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段(時(shí)間t 2 , 這個(gè)階段里系統(tǒng)向風(fēng)換提供的制熱量維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平, 隨著時(shí)間的推移, 機(jī)組風(fēng)換上面的霜層逐漸消融, 直至冷排溫度開始上升。隨著冷排溫度逐漸升高, 系統(tǒng)進(jìn)入第3個(gè)階段, 這一過(guò)程由冷排溫度的上升開始持續(xù)到四通閥斷電, 除霜過(guò)程結(jié)束, 系統(tǒng)重新恢復(fù)制熱工況運(yùn)行, 至此系統(tǒng)完成一個(gè)完整的除霜循環(huán), 進(jìn)入到新的制熱過(guò)程。一般講來(lái), 除霜過(guò)程所經(jīng)歷的3個(gè)階段中, 第2個(gè)階段、第3個(gè)階段可以調(diào)整的余地很小, 但是第1個(gè)階段是可以通過(guò)采取適當(dāng)措施加以調(diào)整的

27、。利用這一原則, 可以很容易判定一種除霜方法是否合理, 該方法是否還有值得改進(jìn)的余地, 和其他方法相比有什么優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于目前的各種除霜方法而言, 在熱力膨脹閥上加裝一個(gè)旁通電磁閥是一個(gè)最為經(jīng)濟(jì)、合理的方法, 可以極大縮短除霜過(guò)程所持續(xù)的時(shí)間, 增加系統(tǒng)的平均制熱效果。除霜過(guò)程持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng), 必然會(huì)影響到室內(nèi)溫度, 而且由于逆循環(huán)除霜實(shí)際上是利用室內(nèi)水管路所蓄存的熱量來(lái)向室外換熱器提供熱量的, 為解決這一問(wèn)題日本有學(xué)者研究開發(fā)了一種蓄熱4寒冷地區(qū)空氣源熱泵除霜技術(shù)研究目前空氣源熱泵機(jī)組一般均采用逆循環(huán)除霜的方法進(jìn)行除霜, 即通過(guò)制冷系統(tǒng)四通閥切換將風(fēng)側(cè)換熱器作為冷凝器向其提供熱量進(jìn)行除霜。從經(jīng)濟(jì)

28、性來(lái)看, 這是一種最為合理的運(yùn)行方案, 但從實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看, , 、誤除霜現(xiàn)象嚴(yán)重、除霜水不易流盡、除霜過(guò)程效率偏低, 延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng), 往往會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動(dòng)過(guò)大, 用戶有明顯的吹冷風(fēng)的感覺; 機(jī)組除霜結(jié)束恢復(fù)制熱時(shí)啟動(dòng)困難甚至?xí)l(fā)生機(jī)組燒毀的現(xiàn)象。V D Baxter 通過(guò)對(duì)一臺(tái)分體式空氣源熱泵進(jìn)行了為期2年的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試, 測(cè)試結(jié)果表明在制熱季節(jié)除霜損失約占整個(gè)機(jī)組能耗的10%, 而且有近30%的除霜?jiǎng)幼鲗?shí)際上是不必要的16。關(guān)于各種各樣的除霜判據(jù), 文獻(xiàn)17,18做了較為詳細(xì)的評(píng)價(jià), 并且有不少研究者先后提出許多可以改進(jìn)判定除霜時(shí)機(jī)的更加準(zhǔn)確的準(zhǔn)則19,20。實(shí)際上如果不考慮成本, 要想實(shí)

29、現(xiàn)準(zhǔn)確的按需除霜并不是一件很困難的事, 但關(guān)鍵在于空氣源熱泵是一個(gè)民用產(chǎn)品, 這一實(shí)際特點(diǎn)決定了只能使用一些價(jià)格便宜的傳感器感知運(yùn)行狀態(tài), 而且傳感器數(shù)量也有一定的限制, 不可能太多, 這樣就導(dǎo)致能夠直接從這些傳感器中提取出的信息量非常有限, 而且這些信息之間的剩余度非常小, 一般的空氣源熱泵加裝的測(cè)點(diǎn)就只有冷排溫度、進(jìn)出水溫度、環(huán)境溫度, 考慮到制冷劑的物性計(jì)算的復(fù)雜性、機(jī)組控制器所采用的微處理器的現(xiàn)狀, 要從這些有限的信息中推斷出系統(tǒng)的準(zhǔn)確狀態(tài)幾乎沒有可能。事實(shí)上, 對(duì)我們而言, 準(zhǔn)確了解空氣源熱泵的具體參數(shù)既沒有太大的實(shí)用價(jià)值也沒有必要,2002能源工程-µ-能源與環(huán)境 式變頻

30、熱泵空調(diào)器 22 : 該熱泵裝有蓄熱單元和壓 縮機(jī)制成一體的蓄熱式壓機(jī) , 壓機(jī)的機(jī)殼采用雙 層結(jié)構(gòu) ,以形成蓄熱容器 。沿著壓機(jī)機(jī)體的外周 , 嵌裝著橫肋片換熱器 , 其間隙中填有潛熱蓄熱材 料 ,壓機(jī)機(jī)體散發(fā)出來(lái)熱量通過(guò)熱交換肋片傳到 蓄熱材料中去 , 考慮到單位體積的蓄熱量以及高 溫耐久性 ,該機(jī)組采用聚乙二醇為主體的高分子 材料作為蓄熱材料 。該機(jī)組可以有效地減少除霜 過(guò)程中的室內(nèi)空氣的溫度下降 , 而且除霜結(jié)束恢 復(fù)制熱時(shí)送風(fēng)溫度升高較快 , 實(shí)際測(cè)試表明該機(jī) 組相對(duì)于常規(guī)機(jī)組而言 , 平均制熱量可以提高 10 % ,效率可以提高 5 % 。但這種空調(diào)在冬季的 優(yōu)點(diǎn)到了夏季就會(huì)成為其

31、缺點(diǎn) 。 當(dāng)機(jī)組除霜結(jié)束恢復(fù)制熱時(shí) , 現(xiàn)有的除霜模 式均不可避免會(huì)對(duì)制冷系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊 , 如果不采 取措施 ,系統(tǒng)將不可避免地連續(xù)發(fā)生低壓保護(hù)動(dòng) 作 。除霜結(jié)束前 , 空氣側(cè)換熱器內(nèi)積存大量的制 冷劑液體 , 轉(zhuǎn)換到除霜模式時(shí) , 隨著壓力的降低 , 液態(tài)制冷劑急劇汽化 ,而且壓力降低的速度越快 , 氣化的速度越快 , 這樣被壓縮機(jī)吸入的氣體攜帶 的制冷劑液滴也就越多 , 這些液滴最終都積存在 汽液分離器中 。由機(jī)組恢復(fù)制熱工況轉(zhuǎn)換階段對(duì) 應(yīng)的吸氣過(guò)熱度 ( 其數(shù)值為膨脹閥溫包所處位置 的溫度與該位置處吸氣壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度的 差值 的變化情況可以看出 : 當(dāng)吸氣壓力急劇降低 時(shí) ,對(duì)應(yīng)的

32、吸氣過(guò)熱度也急劇降低 ,甚至?xí)霈F(xiàn)零 過(guò)熱度或負(fù)過(guò)熱度的情況 , 這就說(shuō)明在工況轉(zhuǎn)換 過(guò)程中由于過(guò)熱度太小 , 使得膨脹閥無(wú)法正常開 啟 ,甚至無(wú)法打開 ,因而造成壓縮機(jī)恢復(fù)制熱的最 初幾分鐘內(nèi)低壓側(cè)壓力急劇降低而出現(xiàn)連續(xù)低壓 保護(hù)的狀況 。研究表明 : 使用旁通電磁閥能大大 減少在進(jìn)入除霜的初期制冷劑在汽液分離器中的 積存 ; 在除霜的后半段 ,旁通電磁閥的開啟可以使 得風(fēng)側(cè)換熱器內(nèi)積存的制冷劑液體盡可能多地流 到水側(cè)換熱器 ,這樣機(jī)組恢復(fù)到制熱工作模式時(shí) , 由于風(fēng)側(cè)換熱器液態(tài)制冷劑較少 , 其蒸發(fā)時(shí)被壓 縮機(jī)吸入的氣體所含的液滴也較少 , 因而旁通電 磁閥的存在使得系統(tǒng)在恢復(fù)到制熱模式初

33、期時(shí) , 壓縮機(jī)吸氣帶液量急劇降低 、 制冷劑在系統(tǒng)中的 分布得到明顯的改進(jìn) , 使得除霜結(jié)束系統(tǒng)恢復(fù)制 熱過(guò)程中帶入汽液分離器中的液體制冷劑大大減 少 ,因而除霜后制熱的恢復(fù)過(guò)程能夠得到明顯改 善。 5 結(jié) 論 由于目前供暖模式正在進(jìn)行重大改革 , 客觀 上要求給廣大用戶提供盡可能多的選擇 , 同時(shí)建 筑業(yè)發(fā)展異常迅速 , 許多新建的建筑難以依賴傳 統(tǒng)的集中供暖 , 就目前的實(shí)際情況而言很多用戶 在冬季往往有提前供暖或者延后供暖的客觀需 求 ,應(yīng)該講空氣源熱泵供暖模式具有一些傳統(tǒng)供 暖模式所不具有的優(yōu)點(diǎn) , 使得其市場(chǎng)前景非常樂(lè) 觀 總體上看 ,寒冷地區(qū)氣候的特點(diǎn)是冬季供暖 時(shí)間較長(zhǎng) ,但是

34、溫度特別低的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短 。 基于這一出發(fā)點(diǎn) , 熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該優(yōu)先保證 系統(tǒng)在最常運(yùn)行時(shí)間段下所對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性 , 同時(shí) 仍然能夠在溫度特別低的情況下正常工作 , 因而 基于準(zhǔn)二級(jí)壓縮過(guò)程的帶經(jīng)濟(jì)器的渦旋壓縮機(jī)系 統(tǒng)應(yīng)該是最佳的方案 。 空氣源熱泵的這類產(chǎn)品的特點(diǎn)決定了只能使 用一些價(jià)格便宜的傳感器感知運(yùn)行狀態(tài) , 而且傳 感器數(shù)量也有一定的限制 ,不可能太多 ,這樣就直 接導(dǎo)致獲取信息量非常有限 , 而且信息量之間的 剩余度非常小 。但由于設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)和它的前 續(xù)、 后繼狀態(tài)之間的信息均存在一定的聯(lián)系 ,這些 信息一起構(gòu)成了一個(gè)存在著一定程度的剩余信息 的信息體系 ,如果能夠?qū)@些信

35、息加以解析 ,是可 以準(zhǔn)確推斷出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài) , 提高除霜過(guò)程的 可靠性的 。 除霜過(guò)程可靠性的提高不僅表現(xiàn)在準(zhǔn)確判斷 除霜開始 、 結(jié)束 , 對(duì)于縮短除霜過(guò)程 、 緩解除霜對(duì) 制冷系統(tǒng)的沖擊也要有足夠的注意 ,研究表明 : 使 用旁通電磁閥可以大大縮短除霜過(guò)程持續(xù)的時(shí) 間 ,緩解除霜結(jié)束恢復(fù)制熱時(shí)對(duì)系統(tǒng)的沖擊 。 參考文獻(xiàn) : 1 范存養(yǎng) . 空氣熱源熱泵的應(yīng)用與展望 J . 暖通空調(diào) , 1994 , (6 . 2 龍惟定 . 試論中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與空調(diào)冷熱源的選擇 取向 J . 暖通空調(diào) ,2000 , (5 . 3 . 華北地區(qū)大中型城市供暖方式分析 J . 暖 江 億 通空調(diào) . 2

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