低溫空氣源熱泵的設計及應用研究獲獎科研報告

低溫空氣源熱泵的設計及應用研究獲獎科研報告摘

要：熱泵是當前新能源技術應用的重要支撐，其能將低位熱能轉化為高位熱能，滿足人們的實際應用需要。本文在闡述低溫條件對空氣源熱泵影響的基礎上，就低溫空氣源熱泵的設計及應用要點展開分析，期望能為低溫空氣源熱泵高效應用提供保證。

關鍵詞：低溫空氣源;熱泵;設計;應用

可持續(xù)發(fā)展理念下，熱泵系統(tǒng)作為一種全新化的熱能源應用設備而得到了廣泛應用。然從低溫氣候空氣源熱泵運作效率來看，其在蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流結構、除霜方式等方面上存在一定問題，這使得設備的運作性能和穩(wěn)定性受到較大影響，有必要進行低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

一、低溫條件對空氣源熱泵的影響

空氣源熱泵由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、節(jié)流機構四大組件構成。在實際運作中，壓縮機會排出具有較高溫度和壓力的冷媒，這些冷媒會在冷凝器中冷凝液化，進而釋放大量的熱能。同時，節(jié)流后的冷媒會在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，從環(huán)境中吸收大量熱能，由此實現(xiàn)了低溫熱源向高溫熱源的有效轉化。

低溫條件對空氣源熱泵的運作具有較大影響。其中，蒸發(fā)器、冷凝器是影響最強烈的兩個單元。就蒸發(fā)器而言，一旦采用低溫空氣作為空氣源，則蒸發(fā)器的翅片會因為設計因素而導致易結霜;同時當制冷劑流向設計、風扇位置存在缺陷時，蒸發(fā)器還會出現(xiàn)換熱不均問題，使結霜現(xiàn)象更加惡化;此外，低溫條件下熱泵系統(tǒng)的冷媒循環(huán)量會減小，也會使得蒸發(fā)器出現(xiàn)分液不均。這些都降低了空氣源熱泵系統(tǒng)運作的穩(wěn)定性和高效性。而在冷凝器使用中，當冷凝溫度較低時也會導致蒸發(fā)器頻繁結霜，因此冷凝溫度需要盡可能高點。但冷凝溫度高，壓縮機的排氣溫度也高，這樣一方面增加了壓縮機的能耗，降低了熱泵系統(tǒng)的運作效率;另一方面，當壓機的排氣溫度過高時，可調速壓機出于自身保護會進行降速，這樣熱泵系統(tǒng)的輸出能力又減小了。這些都使得既有空氣源熱泵機組在低環(huán)溫運行時，性能都大打折扣，甚至不能運作。

二、基于低溫空氣源的熱泵系統(tǒng)設計

1、熱泵蒸發(fā)器設計

對于熱泵蒸發(fā)器的設計，翅片間距跟形狀、迎風管排數(shù)和風速、空氣濕度、制冷劑流向等都是較為主要的影響因素;其中，翅片間距和形狀的影響較為強烈。就翅片的間距而言，間距過小會使得蒸發(fā)器結霜的速度較快，從而增加了空氣流動的阻力;對此在系統(tǒng)設計中，應基于蒸發(fā)器和空氣間的換熱、流動性能最優(yōu)來設計翅片間距，通常情況下，翅片的間距應不小于1.8mm[1]。其次，在翅片設計中，可考慮使用外加電場的方法來延緩結霜速度。此外，翅片表面還可通過噴親水顏料的方式來延緩結霜，以及在機組底盤設置加熱裝置，不斷提升蒸發(fā)器的運作性能。

2、熱泵冷凝器設計

冷凝器在空氣源的熱泵作業(yè)中發(fā)揮著重要作用。在低溫空氣條件下，熱泵所產生的熱能會比正常條件下少很多，在這種情況下，冷凝器很少會出現(xiàn)能力不足問題。熱泵系統(tǒng)若未采用變頻設計，則不需要對冷凝器進行特別的設計。而當系統(tǒng)采用了變頻設計或多級壓縮作業(yè)方式，則熱泵所產生的熱能與冷凝器結構具有對應性，此時應根據(jù)具體系統(tǒng)對應考慮冷凝器的面積，以此來實現(xiàn)冷凝換熱的最佳性能。

3、熱泵節(jié)流結構設計

低溫空氣源熱泵使用時，其低位熱源溫度差異較大，這對熱泵系統(tǒng)的節(jié)流機構提出了新的較高要求。既有空氣源熱泵采用的熱力膨脹閥不能滿足低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的調節(jié)需求?；谛滦枨?，設計可采用雙電子膨脹閥進行冷媒流量的變化調節(jié)。在熱泵系統(tǒng)運作中，當?shù)臀粺嵩礈囟劝l(fā)生較大變化時，電子膨脹閥會結合所采集的數(shù)據(jù)當前工況進行分析，隨后進行精細調節(jié)，從而確保空氣源熱泵運作的穩(wěn)定性。

4、壓機的選型設計

基于低溫環(huán)境條件對熱泵系統(tǒng)性能的影響，為充分滿足應用需求，可采用低溫性能較好的噴氣增焓型壓縮機，避免普通壓機低環(huán)溫下排氣過高和能力輸出不足的問題。

5、氣液分離器和儲液罐設計

低溫空氣源條件下，針對空氣源熱泵的設計，還應注重氣液分離器、儲液罐的有效規(guī)劃。具體而言，在低溫條件下，一旦熱泵系統(tǒng)長時間停機，則制冷劑會局部地往蒸發(fā)器內發(fā)生轉移;在熱泵下次開啟瞬間，壓縮機內部會流入較多的液體，這不僅降低了壓縮機的運作性能，而且容易使得壓縮機發(fā)生損壞?；诖藨鲈O氣液分離器進行保護。就氣液分離器而言，可將其設置在壓縮機之前，避免熱泵開機前液體進入到壓縮機當中。此外，針對儲液罐的設計，要求盡可能地增大冷凝器的容積，同時確保其容積接近蒸發(fā)器容積，這樣就可取消儲液器設計，實現(xiàn)設備結構的簡化;而當冷凝器容積無法再進行調整時，則應根據(jù)前端液體的實際流量，增設儲液罐進行冷媒管理。需注意的是，儲液罐應留有一定富余，同時應合理設置儲液罐引流裝置，及時清理儲液罐，為壓縮機的實際運作創(chuàng)造有利條件。

6、除霜方式設計

低溫環(huán)境條件容易使得空氣源熱泵在運作中出現(xiàn)冷凝霜，因此還需注重除霜方式的有效設計。就目前而言，熱氣旁通除霜、電除霜、四通閥反向除霜等都是較為常用的除霜方式。就熱氣旁通除霜而言，其在系統(tǒng)內部的壓縮機出口處增加一個旁通的閥門，該閥門聯(lián)通蒸發(fā)器，隨后通過升溫條件控制即可達到除霜目的。電除霜中，人們?yōu)檎舭l(fā)器增設除霜盤管，隨后通過電加熱方式進行除霜。此外，還可通過四通閥來切換熱泵的工作狀態(tài)，有效去除熱泵中的冷凝霜，提升設備運作效率。低溫空氣源熱泵系統(tǒng)帶四通閥時當優(yōu)先采用四通閥反向除霜的方式，當其不帶四通閥時優(yōu)先考慮熱氣旁通除霜。翅片電除霜一般較少考慮。

三、低溫空氣源熱泵的實際應用

1、項目概況

某建筑為工程管理站辦公樓，建筑地上5層，總建筑面積為2800m2，從建筑結構布局形體來看，建筑為南北朝向，熱工性能符合《公共建筑節(jié)能設計標準》的要求。在建筑采暖設計中，工程采用空氣源熱泵采暖系統(tǒng)，在冬季，該地區(qū)室外溫度為零下14℃，而室內溫度要求保持在20℃，為低溫空氣源熱泵采暖應用。

2、低溫空氣源熱泵應用過程控制

基于低溫環(huán)境對熱泵運作性能的影響，本項目在空氣源熱泵應用初期，先進性房間負荷的確定及空氣源熱泵選型的確定。就房間負荷而言，考慮建筑總熱負荷需要及節(jié)能需要，然后根據(jù)熱源富余量不超過10%的要求，進行空氣源熱泵機組選型。同時，合理布局熱泵機組擺放形式，確保整個機組安裝部位無障礙物，無遮擋，同時通風狀況良好，項目將熱泵機組安裝在陽臺或屋頂?shù)炔课?，并且確保安裝位置能承受室外機自重的2～3倍重量，為機組的高效運作創(chuàng)造了有利條件。最后，對熱泵的實際運行進行管理，針對白天夜間不同的環(huán)境溫度設置不同的采暖目標溫度，確保該低溫空氣源熱泵滿足項目采暖需要的同時盡可能的節(jié)能。

3、項目應用效果

項目投入運行后，經過1個完整采暖季節(jié)的運行，該低溫空氣源熱泵系統(tǒng)運行穩(wěn)定、效果良好，能滿足用戶采暖需求，也受到了用戶的好評。從后臺監(jiān)控數(shù)據(jù)看，采暖季房間溫度白天平均維持在28℃，夜間維持在22℃，日平均運行時間約16小時。

結論

低溫環(huán)