空气源热泵技术及研究进展与使用

空气源热泵技术及研究进展与使用主讲:秦振春一、热泵技术介绍热泵原理：在自然界中，水总由高处流向低处，热量也总是从高温传向低温。但人们可以用水泵把水从低处提升到高处，从而实现水的由低处向高处流动，热泵同样可以把热量从低温传递到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体），其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。一台压缩式热泵装置，主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成，通过让工质不断完成蒸发（吸取环境中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中或空气中（如图所示）。热泵在工作时，把环境介质中贮存的能量QA在蒸发器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即压缩机耗电QB；通过工质循环系统在冷凝器中进行放热QC，QC=QA+QB，由此可以看出，热泵输出的能量为压缩机做的功QB和热泵从环境中吸收的热量QA；其制热系数为εh=QC/QB，可见εh值恒大于1。因此，采用热泵技术可以节约大量的电能。热泵技术发展史：随着工业革命的发展，19世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家J.P.Joule提出了“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的LordKelvin勋爵）发表论文，提出了热量倍增器（HeatMultiplier）的概念，首次描述了热泵的设想。当时，热泵供暖的对象主要是民用，供暖需求总量小，特别是对由于采暖方式及其对环境的影响尚没有足够的意识。人们采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，热泵的发展长期明显滞后于空调的发展。上世纪30年代，随着氟利昂制冷机的发展，热泵有了较快的发展。特别是二战以后，工业经济的长足发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供热及工业用热泵的发展。1973年的全球性能源危机，进一步促进了热泵在全世界范围内的发展。但热泵在世界范围内的大规模商业应用是最近20年的事，如美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45，000台，到目前为止已安装了400，000台，而且每年以10％的速度稳步增长。我国的热泵工业相对于世界上工业发达国家的热泵的发展应用来说有一段滞后期。早在50年代初，天津大学的一些学者已开始从事热泵的研究。70年代后期，由于能源危机所推动的世界性热泵发展也影响了我国学术界。中国制冷学会、中国建筑科学研究院空调研究所、广州能源研究所等经常组织有关热泵及低势能利用方面的学术会议。我国热泵的发展从工业上应用开始，然后才用于空调并逐步进入家庭，这也与日本及其他国家的热泵发展过程相似。目前，在世界范围内热泵作为空调商品已处于成熟期，在我国也处于迅速发展期。热泵，作为一种环保节能的产品，它不仅在工业农业应用上，更多的将在空调应用上在我国发挥越来越重要的作用。热泵的分类:热泵的分类多种多样，如果按同热泵的蒸发器和冷凝器换热的介质不同分类，热泵可以分为：空气-空气热泵空气-水热泵水-水热泵水-空气热泵土壤-空气热泵土壤-水热泵其中空气-水热泵机组，即空气源热泵式冷热水机组在工程上的应用更为广泛。本讲将重点介绍其性能特点.空气源热泵的特点:1、空调系统冷热源合一，且置于建筑物屋面，不需要设专门的冷冻机房、锅炉房，也省去了烟囱和冷却水管道所占有的建筑空间。对于寸土寸金的城市繁华地段的建筑，或无条件设锅炉房的建筑，空气源热泵冷热水机组无疑是一个比较合适的选择。2、无冷却水系统，无冷却水系统动力消耗，无冷却水损耗。空调系统如采用水冷式冷水机组，自来水的损失不仅有蒸发损失、漂水损失、还有排污损失、冬季防冻排水损失，夏季启用时的系统冲洗损失，化学清洗稀释损失等等，所有这些损失总和约折合冷却水循环水量的2—5%，根据不同性质的冷水机组，折合单位制冷量的损耗量为2-4t/100RT·h。这对我们某些严重缺少的城市来说，是一个比较可观的数量。另外，相当一部分工程在部分负荷情况下冷却水循环量保持不变。或根据主机运行台数，只作相应的台数调节。我们以前的经济比较很少重视这一点。二、空气源热泵3、由于无锅炉、无相应的燃料供应系统，无烟气，无冷却水，系统安全、卫生、简洁。对于暖道专业来说，锅炉房最有可能存在安全隐患，另外，冷却水污染形成的军团菌感染的病例已有不少报导，从安全卫生的角度，空气源热泵具有明显优势。4、系统设备少而集中，操作、维护管理简单方便。一些小型系统可以做到通过室内风机盘管的启停控制热泵机组的开关。5、单机容量从3RT至400RT，规格齐全，工程适应性强，利于系统细化划分，可分层、分块、分用户单元独立设置系统等。6、夏天运行COP值较水冷机组较低，耗电较多，冬季运行节省能源消耗。对于南京这样冬冷夏热城市的一般建筑而言，热泵系统的全年能耗低于水冷机组加锅炉的空调系统，但按目前的能源价格，热泵系统的全年运行费用高于水冷机组加锅炉方案。7、造价较高。作为空调系统的冷热源方面的设备投资，空气源热泵冷热水机组造价较高，比水冷式机组加锅炉的方案的系统综合造价贵20—30%，如只算冷热源设备，热泵的价格约为水冷机+锅炉的1.5-1.7倍。8、空气源热泵冷热水机组常年暴露在室外，运行条件比水冷式冷水机组差，其寿命也相应要比水冷式冷水机组短。9、热泵机组的噪音较大，对环境及相邻房间有一定影响。热泵通常直接置于裙楼或顶层屋面，隔振隔音的效果，直接影响到贴邻房间及周围一些房间的使用。合理的位置设置与隔振隔音措施的到位，热泵噪音的影响可以基本消除。10、空气源热泵的性能随室外气候变化明显。室外空气温度高于40-45℃或低于-10～-15℃时,热泵机组不能正常工作。三、我国空气源热泵的研究的研究现状空气源热泵是以空气作为高温(低温)热源来进行供热(供冷)的装置。相对于其它热泵类型而言,我国对空气源热泵的研究起步较早,研究内容也较多。以环境空气作为低品位热源,可以取之不尽,用之不竭,处处都有,无偿获取。空气源热泵则安装灵活、使用方便、初投资相对较低,且比较适用于分户安装,目前我国室内空调器大都采用的是这种形式。这也就使得我国空气源热泵冷热水机组市场空前繁荣,生产研制已经比较成型产品规格齐全,品牌繁多。据有关调查表明,目前我国空气源热泵冷热水机组生产厂家已由1995年的十几家发展到现在的四十多家,据不完全统计,国内销售的机组已逾45个品牌,其中国产机组约占25%左右,其余为合资产品,台资产品和进口产品。为了更好地了解我国空气源热泵方面的发展动态,本文将对近年来我国关于空气源热泵的研究进行分析,并在此基础上指出空气源热泵所存在的问题及有待改进的方向.我国空气源热泵研究状况：随着空气源热泵在我国应用的日趋广泛和研究的日趋深入，了解我国空气源热泵的研究状况对于后续研究而言具有重要的意义。下面重点介绍我国近年来关于空气源热泵的技术进展。1.空气源热泵结霜、化霜问题的研究由于空气源热泵冬季采用空气作为热源，所以，随着室外温度的降低,其蒸发温度也随之降低，蒸发器表面温度随之下降,甚至低于0℃。此时,当室外空气在流经蒸发器被冷却时,其所含的水分就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。结霜对热泵是极其不利的。随着霜层的形成,蒸发器传热热阻增加,蒸发温度下降,机组的性能下降,工况恶化,制热量也将下降,这将严重影响压缩机以及热泵整体的性能,同时,除霜带来的额外费用还将降低空气源热泵的经济性,这也就是为什么空气源热泵在寒冷、潮湿地区的应用受到限制的原因。所以说,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。了解结霜的机理的主要目的是要解决如何除霜的问题。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,将模糊控制技术引入空气源热泵除霜问题的研究作为一项先进可行的新技术,逐渐引起了人们的注意。这主要是因为空气源热泵结霜问题的影响是多因素,非线性的,而模糊控制技术的优势就是处理多维、非线性、时变问题。这样一来,将模糊控制技术引入空气源热泵的除霜控制,通过对除霜过程的系统响应分析，可以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。此外,还有考虑环境工况变化的双温度传感器智能化除霜控制方法等。尽管空气源热泵具有很多优点,但受室外环境的限制也比较大,这也是空气源热泵目前仅在我国黄河以南地区得到了广泛应用的主要原因。而在黄河以北地区,应用空气源热泵则根据所处地区不同有其特殊要求。目前,关于西安、胶东以及寒冷地区空气源热泵的实际应用情况已有研究,并就所遇到的如压缩比过大等具体问题提出了一些相应的改进措施,可在相应地区的实际应用中作为参考。此外,为了对空气源热泵结霜除霜所带来的损失进行量化的分析,有研究提出了不同地区、不同使用情况下的平均结霜除霜损失系数的概念,平均结霜除霜损失系数越大的地区应用空气源热泵越不经济。据此,将我国空气源热泵使用地区根据平均结霜损失系数分成4类:低温结霜区:如济南、北京、郑州、西安、兰州等;轻霜区:如成都、桂林、重庆等;重霜区:如长沙;一般结霜区:如杭州、武汉、上海、南京、南昌、宜昌等。这些都可以作为热泵设计选用中重要的参考依据。`2.空气源热泵节能问题的研究火用是对系统能的质与量的综合评价。对系统进行火用分析可以揭示出系统中火用损失的部位、类型和数量,以便设法减少这些损失。通过火用计算分析可知,压缩功只有20%被利用,而有80%被损失,其中,压缩机火用损失占30.7%,冷凝器占20.14%,蒸发器占17.15%,毛细管占10%。由此我们可以看出,空气源热泵系统节能的主要部件是压缩机,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。当然,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。从这个角度出发,有关研究人员提出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。此外,通过空气源热泵机组与水冷冷水+锅炉机组、溴化锂吸收式机组(+锅炉)这3种方案的经济性比较可以得出,空气源热泵相对于其它两种形式而言,经济性上具有显著的优越性。3.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。前面所述及的一些研究中有很多也都应用了计算机技术,但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:①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,结果表明,采用该方法对压缩机进行建模模拟可以达到较高的精度要求。模拟结果与实验结果吻合较好。②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。另外,对于采用ε-NTU法(效率—传热单元数法)对空气源热泵蒸发器肋片管在干工况、湿工况及结霜工况下的传热传质计算方法也有相关探讨。③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。④系统能耗分析软件关于空气源热泵全年能耗分析应用软件的开发应用在相关文献中有所介绍,该软件在求解热泵供冷