我國空氣源熱泵研究現(xiàn)狀及問題分析

我國空氣源熱泵研究現(xiàn)狀及問題分析

0空氣源熱泵冷熱水機(jī)組空氣源熱泵是利用空氣作為高溫（低溫）光源進(jìn)行加熱（冷卻）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?？諝庠礋岜脛t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,國內(nèi)銷售的機(jī)組已逾45個品牌,其中國產(chǎn)機(jī)組約占25%左右,其余為合資產(chǎn)品,臺資產(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空氣源熱泵的研究狀況對于我國空氣源熱泵的研究意義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)霜機(jī)理及影響結(jié)霜的因素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,當(dāng)室外空氣在流經(jīng)蒸發(fā)器被冷卻時,其所含的水分就會析出并依附于蒸發(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,除霜帶來的額外費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)用中要解決的重點與難點。目前,有不少關(guān)于空氣源熱泵機(jī)組冬季運行狀況的研究,主要分析供熱時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:定時除霜法,時間—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,最佳除霜時間控制法等。這些方法各有利弊,有待完善。近年來,由于計算機(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。這主要是因為空氣源熱泵結(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)。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。盡管空氣源熱泵具有很多優(yōu)點,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)空氣源熱泵的實際應(yīng)用情況已有研究,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。這些都可以作為今后熱泵設(shè)計選用中重要的參考依據(jù)。1.2系統(tǒng)節(jié)能方案是對系統(tǒng)能的質(zhì)與量的綜合評價。對系統(tǒng)進(jìn)行分析可以揭示出系統(tǒng)中損失的部位、類型和數(shù)量,以便設(shè)法減少這些損失。通過計算分析可知,壓縮功只有20%被利用,而有80%被損失,其中,壓縮機(jī)損失占30.7%,冷凝器占20.4%,蒸發(fā)器占17.5%,毛細(xì)管占10%。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),是提高整個系統(tǒng)效率的關(guān)鍵,而冷凝器和蒸發(fā)器優(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)平衡點的概念,以期在此最佳經(jīng)濟(jì)平衡點溫度條件下,整個供熱系統(tǒng)(熱泵+輔助熱源)的初投資與運行費最少,從而合理實現(xiàn)熱泵節(jié)能優(yōu)化。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。1.3實驗研究綜述有限時間熱力學(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。而通過有限時間熱力學(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)崾娇諝鉄岜玫墓崧屎凸嵯禂?shù)與循環(huán)壓比間的解析式。這可以對實驗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[20,22,23,24,25,26]。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,并指出啟動時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?？諝庠礋岜脵C(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仿真結(jié)果與分析隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷普及,計算機(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)用了計算機(jī)技術(shù),但關(guān)于計算機(jī)模擬在暖通空調(diào)中具有代表性的應(yīng)用主要有以下幾個方面:①對壓縮機(jī)的計算模擬采用神經(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)果與實驗結(jié)果吻合較好。②對蒸發(fā)器的計算模擬通過對空氣源熱泵的蒸發(fā)器結(jié)霜問題進(jìn)行動態(tài)模擬計算,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)器熱泵運行時的瞬態(tài)仿真的數(shù)學(xué)模型,可以得出房間空調(diào)器熱泵運行時的制冷系統(tǒng)參數(shù)及房間溫度變化的曲線,這對實現(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,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個因素,在求熱泵供熱能耗時,還將室外空氣相對濕度這個重要參數(shù)考慮進(jìn)去,這就使得熱泵供熱能耗計算更為準(zhǔn)確,也為空氣源熱泵的應(yīng)用提供了一個很好的分析方法。1.5空調(diào)系統(tǒng)夏季運行特性近來針對熱泵分戶計量的需要,有觀點在對傳統(tǒng)的計量方法進(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)合實際測量給出了應(yīng)用評價。變頻技術(shù)在空氣源VRV熱泵中的應(yīng)用是一項新技術(shù)。根據(jù)對大金變頻控制熱泵式VRV空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷運行時的節(jié)能特性所做的一系列實驗研究,可以獲得夏季部分負(fù)荷運行特性。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,而且已在我國的實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。2蒸發(fā)器冬季結(jié)霜問題對于空氣源熱泵而言,除了具有種種優(yōu)點之外,仍存在很多不足及有待解決的問題?？諝庠礋岜玫男阅苁苁彝鈿夂驐l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,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?？諝庠礋岜昧硪粋€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)重時將損壞壓縮機(jī),使系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn),同時,結(jié)霜還將使機(jī)組運行費用增加。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)行深入研究和實驗論證。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,同時還指出,關(guān)于如何得到最佳的工作特性平均水平點,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)計中對各設(shè)備性能和循環(huán)參數(shù)的最佳耦合得到。但究竟如何實現(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,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行效率,節(jié)約機(jī)組的費用,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)實驗和研究。由于室外空氣一年四季甚至一天當(dāng)中的溫度波動較大,這就對實現(xiàn)整個空氣源熱泵系統(tǒng)的自動控制提出了很大的