空氣源熱泵是以空氣作為高溫(低溫)熱源來進(jìn)行供熱(供冷)的裝置。相對于其它熱泵類型而言, 我國對空氣源熱泵的研究起步較早, 研究內(nèi)容也較多。以環(huán)境空氣作為低品位熱源, 可以取之不盡, 用之不竭, 處處都有, 無償獲取。空氣源熱泵則安裝靈活、使用方便、初投資相對較低, 且比較適用于分戶安裝, 目前我國室內(nèi)空調(diào)器大都采用的是這種形式。這也就使得我國空氣源熱泵冷熱水機(jī)組市場空前繁榮, 生產(chǎn)研制已經(jīng)比較成型,產(chǎn)品規(guī)格齊全, 品牌繁多。

 

  據(jù)有關(guān)調(diào)查表明, 目前我國空氣源熱泵冷熱水機(jī)組生產(chǎn)廠家已由1995 年的十幾家發(fā)展到現(xiàn)在的四十多家, 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 國內(nèi)銷售的機(jī)組已逾45 個(gè)品牌, 其中國產(chǎn)機(jī)組約占25 %左右, 其余為合資產(chǎn)品, 臺(tái)資產(chǎn)品和進(jìn)口產(chǎn)品。為了更好地了解我國空氣源熱泵方面的發(fā)展動(dòng)態(tài), 本文將對近年來我國關(guān)于空氣源熱泵的研究進(jìn)行分析, 并在此基礎(chǔ)上指出空氣源熱泵所存在的問題及有待改進(jìn)的方向, 希望以此來進(jìn)一步促進(jìn)空氣源熱泵在我國的研究和應(yīng)用。

 

  1  我國空氣源熱泵研究狀況

 

  隨著空氣源熱泵在我國應(yīng)用的日趨廣泛和研究的日趨深入, 了解我國空氣源熱泵的研究狀況對于后續(xù)研究而言具有重要的意義。下面重點(diǎn)介紹我國近年來關(guān)于空氣源熱泵的技術(shù)進(jìn)展。

 

  1 .1  空氣源熱泵結(jié)霜、化霜問題的研究

 

  由于空氣源熱泵冬季采用空氣作為熱源, 所以, 隨著室外溫度的降低, 其蒸發(fā)溫度也隨之降低, 蒸發(fā)器表面溫度隨之下降, 甚至低于0 ℃。此時(shí), 當(dāng)室外空氣在流經(jīng)蒸發(fā)器被冷卻時(shí), 其所含的水分就會(huì)析出并依附于蒸發(fā)器表面形成霜層。結(jié)霜對熱泵是極其不利的。隨著霜層的形成, 蒸發(fā)器傳熱熱阻增加, 蒸發(fā)溫度下降, 機(jī)組的性能下降, 工況惡化, 制熱量也將下降, 這將嚴(yán)重影響壓縮機(jī)以及熱泵整體的性能, 同時(shí), 除霜帶來的額外費(fèi)用還將降低空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性, 這也就是為什么空氣源熱泵在寒冷、潮濕地區(qū)的應(yīng)用受到限制的原因。所以說, 結(jié)霜機(jī)理、化霜方法一直是空氣源熱泵研究與應(yīng)用中要解決的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

 

  0  引 言

 

  空氣源熱泵是以空氣作為高溫(低溫)熱源來進(jìn)行供熱(供冷)的裝置。相對于其它熱泵類型而言, 我國對空氣源熱泵的研究起步較早, 研究內(nèi)容也較多。以環(huán)境空氣作為低品位熱源, 可以取之不盡, 用之不竭, 處處都有, 無償獲取。空氣源熱泵則安裝靈活、使用方便、初投資相對較低, 且比較適用于分戶安裝, 目前我國室內(nèi)空調(diào)器大都采用的是這種形式。這也就使得我國空氣源熱泵冷熱水機(jī)組市場空前繁榮, 生產(chǎn)研制已經(jīng)比較成型,產(chǎn)品規(guī)格齊全, 品牌繁多。

 

  據(jù)有關(guān)調(diào)查表明, 目前我國空氣源熱泵冷熱

 

  水機(jī)組生產(chǎn)廠家已由1995 年的十幾家發(fā)展到現(xiàn)在的四十多家, 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 國內(nèi)銷售的機(jī)組已逾45 個(gè)品牌, 其中國產(chǎn)機(jī)組約占25 %左右, 其余為合資產(chǎn)品, 臺(tái)資產(chǎn)品和進(jìn)口產(chǎn)品。為了更好地了解我國空氣源熱泵方面的發(fā)展動(dòng)態(tài), 本文將對近年來我國關(guān)于空氣源熱泵的研究進(jìn)行分析, 并在此基礎(chǔ)上指出空氣源熱泵所存在的問題及有待改進(jìn)的方向, 希望以此來進(jìn)一步促進(jìn)空氣源熱泵在我國的研究和應(yīng)用。

 

  1  我國空氣源熱泵研究狀況

 

  隨著空氣源熱泵在我國應(yīng)用的日趨廣泛和研

 

  究的日趨深入, 了解我國空氣源熱泵的研究狀況對于后續(xù)研究而言具有重要的意義。下面重點(diǎn)介紹我國近年來關(guān)于空氣源熱泵的技術(shù)進(jìn)展。

 

  1 .1  空氣源熱泵結(jié)霜、化霜問題的研究

 

  由于空氣源熱泵冬季采用空氣作為熱源, 所

 

  以, 隨著室外溫度的降低, 其蒸發(fā)溫度也隨之降低, 蒸發(fā)器表面溫度隨之下降, 甚至低于0 ℃。此時(shí), 當(dāng)室外空氣在流經(jīng)蒸發(fā)器被冷卻時(shí), 其所含的水分就會(huì)析出并依附于蒸發(fā)器表面形成霜層。結(jié)霜對熱泵是極其不利的。隨著霜層的形成, 蒸發(fā)器傳熱熱阻增加, 蒸發(fā)溫度下降, 機(jī)組的性能下降, 工況惡化, 制熱量也將下降, 這將嚴(yán)重影響壓縮機(jī)以及熱泵整體的性能, 同時(shí), 除霜帶來的額外費(fèi)用還將降低空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性, 這也就是為什么空氣源熱泵在寒冷、潮濕地區(qū)的應(yīng)用受到限制的原因。所以說, 結(jié)霜機(jī)理、化霜方法一直是空氣源熱泵研究與應(yīng)用中要解決的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

 

  目前, 有不少關(guān)于空氣源熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行

 

  狀況的研究[ 1, 2, 3] , 主要分析供熱時(shí)不同工況下空氣盤管表面濕空氣結(jié)霜、結(jié)露及干冷卻特性, 并結(jié)合結(jié)霜過程進(jìn)行試驗(yàn)和模擬, 分析了迎面風(fēng)速、環(huán)境溫濕度、翅片間距、管排數(shù)等參數(shù)對結(jié)霜性能的影響及其所可能產(chǎn)生的一系列后果。

 

  了解結(jié)霜的機(jī)理的主要目的是要解決如何除

 

  霜的問題。傳統(tǒng)的除霜控制方法主要包括:定時(shí)除霜法, 時(shí)間—溫度(壓力)法, 空氣壓差控制除霜法, 霜層傳感器控制除霜法, 聲音震蕩器控制除霜法, 最大平均供熱量控制除霜法, 最佳除霜時(shí)間控制法等。這些方法各有利弊, 有待完善。近年來,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 將模糊控制技術(shù)引入空氣源熱泵除霜問題的研究作為一項(xiàng)先進(jìn)可行的新技術(shù), 逐漸引起了人們的注意。這主要是因?yàn)榭諝庠礋岜媒Y(jié)霜問題的影響是多因素, 非線性的, 而模糊控制技術(shù)的優(yōu)勢就是處理多維、非線性、時(shí)變問題。這樣一來, 將模糊控制技術(shù)引入空氣源熱泵的除霜控制, 通過對除霜過程的系統(tǒng)響應(yīng)分析,可以使除霜控制能夠自動(dòng)適應(yīng)機(jī)組工作環(huán)境的變化, 達(dá)到智能除霜的控制要求。關(guān)于這方面的詳細(xì)研究參見文獻(xiàn)[ 4, 5 , 6, 7] 。此外, 還有考慮環(huán)境工況變化的雙溫度傳感器智能化除霜控制方法等[ 8] 。

 

  盡管空氣源熱泵具有很多優(yōu)點(diǎn), 但受室外環(huán)

 

  境的限制也比較大, 這也是空氣源熱泵目前僅在我國黃河以南地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用的主要原因。

 

  而在黃河以北地區(qū), 應(yīng)用空氣源熱泵則根據(jù)所處地區(qū)不同有其特殊要求。

 

  目前, 關(guān)于西安、膠東以及寒冷地區(qū)空氣源熱

 

  泵的實(shí)際應(yīng)用情況已有研究[ 9 , 10, 11, 12] , 并就所遇到的如壓縮比過大等具體問題提出了一些相應(yīng)的改進(jìn)措施, 可在相應(yīng)地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中作為參考。

 

  此外, 為了對空氣源熱泵結(jié)霜除霜所帶來的損失進(jìn)行量化的分析, 有研究提出了不同地區(qū)、不同使用情況下的平均結(jié)霜除霜損失系數(shù)的概念, 平均結(jié)霜除霜損失系數(shù)越大的地區(qū)應(yīng)用空氣源熱泵越不經(jīng)濟(jì)。據(jù)此, 將我國空氣源熱泵使用地區(qū)根據(jù)平均結(jié)霜損失系數(shù)分成4 類:低溫結(jié)霜區(qū):如濟(jì)南、北京、鄭州、西安、蘭州等;輕霜區(qū):如成都、桂林、重慶等;重霜區(qū):如長沙;一般結(jié)霜區(qū):如杭州、武漢、上海、南京、南昌、宜昌等[ 13, 14] 。這些都可以作為今后熱泵設(shè)計(jì)選用中重要的參考依據(jù)。

 

  1 .2  空氣源熱泵節(jié)能問題的研究

 

  火用是對系統(tǒng)能的質(zhì)與量的綜合評價(jià)。對系統(tǒng)

 

  進(jìn)行火用分析可以揭示出系統(tǒng)中火用損失的部位、類型和數(shù)量, 以便設(shè)法減少這些損失。通過火用計(jì)算分析可知, 壓縮功只有20 %被利用, 而有80 %被損失, 其中, 壓縮機(jī)火用損失占30 .7 %, 冷凝器占20.4 %, 蒸發(fā)器占17.5 %, 毛細(xì)管占10 %[ 23] 。由此我們可以看出, 空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能的主要部件是壓縮機(jī), 提高壓縮機(jī)本身的技術(shù)指標(biāo), 是提高整個(gè)系統(tǒng)火用效率的關(guān)鍵, 而冷凝器和蒸發(fā)器火用優(yōu)化措施主要是設(shè)法降低傳熱溫差。

 

  當(dāng)然, 系統(tǒng)的節(jié)能改進(jìn)與經(jīng)濟(jì)性是相互制約

 

  的, 僅從能效進(jìn)行分析有一定的局限性。從這個(gè)角度出發(fā), 有關(guān)研究人員提出供熱最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)的概念, 以期在此最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)溫度條件下,整個(gè)供熱系統(tǒng)(熱泵+輔助熱源)的初投資與運(yùn)行費(fèi)最少, 從而合理實(shí)現(xiàn)熱泵節(jié)能優(yōu)化[ 15, 16] 。此外, 通過空氣源熱泵機(jī)組與水冷冷水+鍋爐機(jī)組、溴化鋰吸收式機(jī)組(+鍋爐)這3 種方案的經(jīng)濟(jì)性比較可以得出, 空氣源熱泵相對于其它兩種形式而言, 經(jīng)濟(jì)性上具有顯著的優(yōu)越性[ 17] 。

 

  1 .3  空氣源熱泵各部件性能、工質(zhì)等對整個(gè)系統(tǒng)的影響有限時(shí)間熱力學(xué)方法在空氣源熱泵的研究中

 

  應(yīng)用較多。用有限時(shí)間熱力學(xué)方法可以從理論上研究熱阻對空氣源熱泵循環(huán)性能的影響, 并由此得出對應(yīng)于最大供熱系數(shù)的最佳壓比和供熱率、供熱系數(shù)之間的關(guān)系[ 18] 。而通過有限時(shí)間熱力學(xué)方法對回?zé)崾娇諝庠礋岜醚h(huán)性能進(jìn)行的分析, 可以導(dǎo)出變溫?zé)嵩床豢赡骈]式回?zé)崾?a href="http://stolid.cn/t/空氣熱泵.html" >空氣熱泵的供熱率和供熱系數(shù)與循環(huán)壓比間的解析式。這可以對實(shí)驗(yàn)研究起到一定的指導(dǎo)意義。

 

  四通換向閥是熱泵機(jī)組中用來改變制冷劑流向的一個(gè)關(guān)鍵控制閥件, 上海交通大學(xué)陳芝久等人就四通換向閥的性能對熱泵的影響進(jìn)行了一系列詳細(xì)研究, 根據(jù)對四通換向閥的動(dòng)態(tài)模擬和測試, 就其容量的測定與換算等方面給出了一些較為合理的建議。

 

  關(guān)于熱泵啟停機(jī)特性問題, 有研究分析了熱泵停機(jī)時(shí)系統(tǒng)壓力平衡導(dǎo)致的制冷劑遷移和汽液分離器的機(jī)理, 并指出啟動(dòng)時(shí)制冷劑遷移和汽液分離器將導(dǎo)致系統(tǒng)COP 的下降。

 

  隨著人們對生存環(huán)境的日益重視, 近來開展了不少關(guān)于空氣源熱泵替代工質(zhì)的研究, 如:

 

  R410A 、R134a 、R744 、非共沸混合溶液等。例如,有文獻(xiàn)通過對R410A 和R22 在回?zé)嵫h(huán)中的性能研究表明, 在回?zé)崾娇諝庠礋岜醚h(huán)中應(yīng)用

 

  R410A 作為制冷劑對整個(gè)系統(tǒng)性能更為有利。

 

  這種研究方法也可在其他替代工質(zhì)的比較研究中作為借鑒。

 

  空氣源熱泵機(jī)組的噪聲來源有很多方面, 受各方面的因素影響也比較多, 但一般來說, 壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)是主要的噪聲源, 相應(yīng)地, 我們應(yīng)該合理設(shè)計(jì)壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu), 并采取一定的隔音措施以便盡可能減少噪音。此外, 合理布置機(jī)組間距離也可以有效減小噪音。

 

  1 .4  計(jì)算機(jī)模擬在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷普及, 計(jì)算機(jī)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用也日益廣泛。前面所述及的一些研究中有很多也都應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù), 但關(guān)于計(jì)算機(jī)模擬在暖通空調(diào)中具有代表性的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面:

 

  ①對壓縮機(jī)的計(jì)算模擬 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

 

  對空氣源熱泵中螺桿式壓縮機(jī)的冬季運(yùn)行特性進(jìn)行模擬, 并結(jié)合誤差反向傳播算法(BP 算法)進(jìn)行調(diào)整, 結(jié)果表明, 采用該方法對壓縮機(jī)進(jìn)行建模模擬可以達(dá)到較高的精度要求。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

 

  ②對蒸發(fā)器的計(jì)算模擬 通過對空氣源熱泵的蒸發(fā)器結(jié)霜問題進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算, 可以詳細(xì)分析蒸發(fā)器結(jié)霜和制冷劑充灌量對系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。另外, 對于采用ε-NTU 法(效率—傳熱單元數(shù)法)對空氣源熱泵蒸發(fā)器肋片管在干工況、濕工況及結(jié)霜工況下的傳熱傳質(zhì)計(jì)算方法也有相關(guān)探討。

 

  ③系統(tǒng)仿真研究 通過建立房間空調(diào)器熱泵運(yùn)行時(shí)的瞬態(tài)仿真的數(shù)學(xué)模型, 可以得出房間空調(diào)器熱泵運(yùn)行時(shí)的制冷系統(tǒng)參數(shù)及房間溫度變化的曲線, 這對實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵系統(tǒng)的自控有很大的意義。

 

  ④系統(tǒng)能耗分析軟件 關(guān)于空氣源熱泵全年能耗分析應(yīng)用軟件的開發(fā)應(yīng)用在相關(guān)文獻(xiàn)中有所介紹, 該軟件在求解熱泵供冷全年能耗時(shí),綜合考慮了空調(diào)冷負(fù)荷、室外干球溫度、熱泵出水溫度這3 個(gè)因素, 在求熱泵供熱能耗時(shí), 還將室外空氣相對濕度這個(gè)重要參數(shù)考慮進(jìn)去, 這就使得熱泵供熱能耗計(jì)算更為準(zhǔn)確, 也為空氣源熱泵的應(yīng)用提供了一個(gè)很好的分析方法。

 

  1 .5  其它

 

  近來針對熱泵分戶計(jì)量的需要, 有觀點(diǎn)在對

 

  傳統(tǒng)的計(jì)量方法進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上提出了用比率法測量熱泵制熱量的新思路, 并結(jié)合實(shí)際測量給出了應(yīng)用評價(jià)。

 

  變頻技術(shù)在空氣源VRV 熱泵中的應(yīng)用是一項(xiàng)新技術(shù)。根據(jù)對大金變頻控制熱泵式VRV 空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷運(yùn)行時(shí)的節(jié)能特性所做的一系列實(shí)驗(yàn)研究, 可以獲得夏季部分負(fù)荷運(yùn)行特性。通過在節(jié)能方面與普通空氣源熱泵進(jìn)行比較, 證明應(yīng)用變頻技術(shù)以后的空氣源熱泵機(jī)組比普通機(jī)組更加節(jié)能。

 

  客車空調(diào)也是空氣源熱泵應(yīng)用的一個(gè)主要方面。關(guān)于空氣源熱泵應(yīng)用于空調(diào)客車的可行性、經(jīng)濟(jì)性以及所遇到的諸如融霜等問題, 已有相應(yīng)的探討和試驗(yàn)研究 , 具體地, 關(guān)于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對機(jī)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷量、輸入功率及COP 等性能的影響等問題, 也有相關(guān)文獻(xiàn)介紹。

 

  此外, 從一些空氣源熱泵在一些公共場所、大中型商場、毛紡廠等大型建筑中的工程應(yīng)用實(shí)例介紹文獻(xiàn)可以看出, 空氣源熱泵不僅理論研究相對已經(jīng)比較成熟, 而且已在我國的實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

 

  2  空氣源熱泵有待解決的問題及改進(jìn)方向

 

  對于空氣源熱泵而言, 除了具有種種優(yōu)點(diǎn)之外, 仍存在很多不足及有待解決的問題。空氣源熱泵的性能受室外氣候條件變化影響較大, 隨著室外環(huán)境的惡化而惡化。夏季, 隨著室外空氣溫度的升高, 制冷負(fù)荷增大, 但熱泵系統(tǒng)冷凝溫度升高, 熱泵溫差增加, 機(jī)組整體效率降低;冬季, 隨著空氣溫度的降低, 供熱負(fù)荷增大, 而蒸發(fā)溫度隨之降低, 熱泵溫差增大, 導(dǎo)致機(jī)組整體效率降低。同時(shí), 隨著室外條件的惡劣, 熱泵的工作性能急劇下降, 又反過來加劇了室外環(huán)境的惡劣程度。進(jìn)一步研究應(yīng)考慮采取相應(yīng)措施來合理改善機(jī)組的性能。

 

  空氣源熱泵另一個(gè)突出的問題就是蒸發(fā)器冬季結(jié)霜問題。這不但導(dǎo)致系統(tǒng)供熱性能的急劇下降, 還將對壓縮機(jī)等重要部件產(chǎn)生不良影響(如冰堵), 嚴(yán)重時(shí)將損壞壓縮機(jī), 使系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí), 結(jié)霜還將使機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用增加。盡管我國在這方面已經(jīng)做了很多研究工作, 但關(guān)于結(jié)霜的控制措施及除霜技術(shù)的研究方面, 還需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究和實(shí)驗(yàn)論證。如:有研究認(rèn)為, 空氣源熱泵工作性能的平均水平是對其結(jié)霜過程進(jìn)行控制、充分發(fā)揮熱泵系統(tǒng)技術(shù)性能的關(guān)鍵, 同時(shí)還指出, 關(guān)于如何得到最佳的工作特性平均水平點(diǎn),得到盡可能短的除霜周期和最佳工作效率的問題, 可通過熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對各設(shè)備性能和循環(huán)參數(shù)的最佳耦合得到[ 31] 。但究竟如何實(shí)現(xiàn)最佳耦合卻缺少詳細(xì)的說明和深入研究。另外, 如何對機(jī)組本身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 減少結(jié)霜, 如何采用更好的除霜方式來提高空氣源熱泵的運(yùn)行效率, 節(jié)約機(jī)組的費(fèi)用, 這些都仍值得探討。

 

  目前空氣源熱泵機(jī)組中大都采用的是一些含CFCs 或HCFCs 的等具有臭氧破壞潛能ODP 或地球變暖潛能GWP 的制冷劑, 對環(huán)境的負(fù)面影響較大, 而且, 根據(jù)蒙特利爾議定書, 各國將限制具有ODP 和GWP 的鹵代烴CFCs 或HCFCs 的使用, 并規(guī)定了到2030 年完全禁止使用的日程表。由此看來, 對新型環(huán)保替代工質(zhì)(如:R410A , R134a ,R744 等)的特性的研究很有必要, 相應(yīng)地, 采用新工質(zhì)后系統(tǒng)的優(yōu)化匹配問題也應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)實(shí)驗(yàn)和研究。

 

  由于室外空氣一年四季甚至一天當(dāng)中的溫度波動(dòng)較大, 這就對實(shí)現(xiàn)整個(gè)空氣源熱泵系統(tǒng)的自動(dòng)控制提出了很大的挑戰(zhàn), 關(guān)于這一方面的研究尚不多見, 還有待于逐漸探索和完善。

 

  此外, 關(guān)于在我國北方地區(qū)應(yīng)用空氣源熱泵的可行性問題, 還需要根據(jù)各地區(qū)具體氣象條件進(jìn)行更為詳細(xì)的實(shí)際論證和分析。

 

  3  結(jié) 語

 

  本文對近年來我國在空氣源熱泵方面的研究進(jìn)展從各個(gè)方面進(jìn)行了比較全面的分析。總的看來, 我國空氣源熱泵的研究和應(yīng)用工作已經(jīng)取得了一定的成就, 但仍存在一些不足之處, 如:節(jié)能除霜方法、新工質(zhì)新循環(huán)的替代、系統(tǒng)的智能控制等方面仍有待改進(jìn)。在今后的研究中應(yīng)努力解決好這些問題, 以此促進(jìn)空氣源熱泵在我國更廣泛的應(yīng)用。