第4章 空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)

第四章

空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)4.1空氣源熱泵機組4.2空氣源熱泵機組的運行特性4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.4空氣源熱泵機組的最佳平衡點4.5空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性第四章空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)空氣源熱泵機組包括空氣/空氣熱泵機組和空氣/水熱泵機組?？諝?空氣熱泵機組又稱熱泵型房間空調(diào)器，按其結(jié)構(gòu)型式主要分為窗式、掛壁式、吊頂式、柜式等。主要介紹常用的掛壁式和柜式空氣/空氣熱泵機組?？諝?水熱泵機組產(chǎn)品目前有空氣源熱泵冷熱水機組和空氣源熱泵熱水器。4.1空氣源熱泵機組4.1空氣源熱泵機組

空氣/空氣熱泵機組4.1空氣源熱泵機組

空氣/空氣熱泵機組一拖一系統(tǒng)：一臺室外機對應(yīng)一臺室內(nèi)機。多聯(lián)機系統(tǒng)：也稱一機多室或一拖多是一種只用一臺室外機組帶動多臺室內(nèi)機組的系統(tǒng)，其室內(nèi)機與一拖一的完全一樣，但室外機一般較一拖一的要大一些，其工作原理與一拖一的類似。4.1空氣源熱泵機組

空氣/空氣熱泵機組空氣/水熱泵機組產(chǎn)品目前有空氣源熱泵冷熱水機組和空氣源熱泵熱水器?？諝庠礋岜美錈崴畽C組作為空調(diào)冷熱源，其優(yōu)勢在于：（1）冬夏共用，設(shè)備利用率高；（2）省去了一套冷卻水系統(tǒng)；（3）不需另設(shè)鍋爐房；（4）機組可布置在室外，節(jié)省機房的建筑面積；（5）安裝使用方便；（6）不污染空氣，有利于環(huán)保。因此該機組在氣候適宜地區(qū)的中小型建筑中得到了廣泛地應(yīng)用。4.1空氣源熱泵機組

空氣/水熱泵機組①采用全封閉往復(fù)式壓縮機的空氣源熱泵冷熱水機組4.1空氣源熱泵機組

空氣/水熱泵機組②采用螺桿式壓縮機的空氣源熱泵冷熱水機組4.1空氣源熱泵機組

空氣/水熱泵機組空氣/水熱泵機組產(chǎn)品目前有空氣源熱泵冷熱水機組和空氣源熱泵熱水器。4.1空氣源熱泵機組

空氣/水熱泵機組④使用壽命長，維護費用低：設(shè)備可實現(xiàn)無人操作。⑤適用范圍廣：可用于酒店、賓館、工礦、學(xué)校、醫(yī)院、桑拿浴室、美容院、游泳池、溫室、養(yǎng)殖場、洗衣店、家庭等，可單獨使用，亦可集中使用，不同的供熱要求可選擇不同的產(chǎn)品系列和安裝設(shè)計。⑥應(yīng)考慮冬季運行時室外溫度過低及結(jié)霜對機組性能的影響。4.1空氣源熱泵機組

空氣/水熱泵機組空氣源熱泵熱水器有以下幾個特點：①高效節(jié)能。②環(huán)保無污染：該設(shè)備是通過吸收環(huán)境中的熱量來制取熱水，所以與傳統(tǒng)型的煤、油、氣等燃燒加熱制取熱水方式相比，應(yīng)用場所無任何燃燒外排物，是一種低能耗的環(huán)保設(shè)備。③運行安全可靠：整個系統(tǒng)的運行無傳統(tǒng)熱水器（燃油、燃氣、燃煤）中可能存在的易燃、易爆、中毒、腐蝕、短路、觸電等危險，熱水通過高溫冷媒與水進行熱交換得到，電與水在物理上分離，是一種完全可靠的熱水系統(tǒng)。4.1空氣源熱泵機組

空氣/水熱泵機組4.2空氣源熱泵機組的運行特性空氣源熱泵的特性為：（1）當供水溫度一定時，空氣源熱泵的制熱量隨著環(huán)境溫度的升高而增加；其制冷量隨著環(huán)境溫度的升高而減小。但其功率通常情況下，都是隨著環(huán)境溫度的升高而增大。（2）當環(huán)境溫度一定時，空氣源熱泵的制熱量隨著供水溫度的升高而減少；其制冷量隨著供水溫度的升高而增加。但其功率均隨著供水溫度的升高而增大。但應(yīng)注意：空氣源熱泵在制熱工況下，由于機組可能有結(jié)露或融霜問題，這將會使機組的制熱性能更為復(fù)雜。4.2空氣源熱泵機組的運行特性4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.3.1結(jié)霜的原因與危害4.3.2結(jié)霜的規(guī)律4.3.3延緩結(jié)霜的技術(shù)4.3.4融霜的方法與控制方式4.3.5結(jié)霜與除霜損失系數(shù)4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.3.1結(jié)霜的原因與危害（1）結(jié)晶生長期當空氣接觸到低于其露點溫度的冷壁面時，空氣中的水分就會凝結(jié)成彼此相隔一定距離的結(jié)晶胚胎。水蒸氣進一步凝結(jié)后，會形成沿壁面均勻分布的針狀或柱狀的霜的晶體。這個時期霜層高度的增長最大，而霜的密度有減少的趨勢。（2）霜層生長期當柱狀晶體的頂部開始分枝時，就進入霜層生長期。由于枝狀結(jié)晶的相互作用，逐漸形成網(wǎng)狀的霜層，霜層表面趨向平坦。這個時期霜層高度增長緩慢，而密度增加較快。（3）霜層充分生長期當霜層表面幾乎成為平面時，進入霜層充分生長期。這以后，霜層的形狀基本不變。4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.3.2結(jié)霜的規(guī)律（1）結(jié)霜厚度、密度變化規(guī)律4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.3.2結(jié)霜的規(guī)律（2）不同管排處結(jié)霜規(guī)律不同管排處結(jié)霜量的變化4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.3.2結(jié)霜的規(guī)律（3）迎面風(fēng)速對結(jié)霜的影響不同迎面風(fēng)速下結(jié)霜量隨時間的變化4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.3.2結(jié)霜的規(guī)律（4）風(fēng)量、換熱量的變化規(guī)律風(fēng)量隨時間的變化空氣側(cè)換熱器換熱量隨時間的變化4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.3.2結(jié)霜的規(guī)律（5）空氣側(cè)壓降的變化規(guī)律空氣側(cè)壓降隨時間的變化4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.3.3延緩結(jié)霜的技術(shù)解決的途徑有兩種，一是設(shè)法防止空氣側(cè)換熱器結(jié)霜，二是選擇良好的除霜方法。抑制結(jié)霜主要有以下方法：（1）系統(tǒng)中增加一個輔助的室外換熱器。（2）在系統(tǒng)的室內(nèi)換熱器中設(shè)置一個電加熱器。（3）改進系統(tǒng)，提出新流程，如采用蓄能熱氣除霜系統(tǒng)等。（4）對室外換熱器表面處理進行特殊處理。（5）適當增大室外換熱器通過空氣的流量。4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.3.4融霜的方法與控制方式空氣源熱泵結(jié)霜后必須采取有效的融霜方法，并采取可靠的控制方式融霜方式有：熱氣融霜法、電熱融霜法、空氣融霜法、熱水融霜法等除霜控制的最優(yōu)目標是按需除霜，實現(xiàn)機理是利用各種檢測元件和方法直接或間接檢測換熱器表面的結(jié)霜狀況，判斷是否啟動除霜循環(huán)，在除霜達到預(yù)期效果時，及時中止除霜。4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.3.4融霜的方法與控制方式目前除霜控制方法主要有以下幾種：（1）定時控制法。（2）時間—溫度法。（3）空氣壓差除霜控制法。（4）最大平均供熱量法。（5）室內(nèi)、室外雙傳感器除霜法。（6）自修正除霜控制法。（7）霜層傳感器法。（8）模糊智能控制除霜法。目前改進除霜的技術(shù)措施及除霜控制方法雖然很多，但在實際運行中仍很難做到按需除霜，除霜過程的穩(wěn)定性與可靠性也遠沒有解決。4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜4.3.5結(jié)霜與除霜損失系數(shù)結(jié)霜除霜損失系數(shù)的概念，定義：

Df——結(jié)霜除霜損失系數(shù)；COPf——有結(jié)霜時的性能系數(shù)，COPf=上次除霜末到下次除霜始熱泵供給的總熱量/上次除霜末到下次除霜始輸入熱泵的總功；COPs——室外換熱器為干盤管時的熱泵穩(wěn)態(tài)性能系數(shù)。結(jié)霜溫度區(qū)間平均結(jié)霜損失系數(shù)，定義為Dfm——平均結(jié)霜除霜損失系數(shù)；Dfi——室外溫度為toi時的結(jié)霜除霜損失系數(shù)；Ni——室外溫度為toi時，以1℃為區(qū)間所出現(xiàn)的結(jié)霜除霜小時數(shù)，h。4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜據(jù)此，我們可以根據(jù)平均結(jié)霜損失系數(shù)，將我國空氣源熱泵機組適用地區(qū)分成4類：①低溫結(jié)霜區(qū)：濟南、北京、鄭州、西安、蘭州等。這些地區(qū)屬于寒冷地區(qū)，氣溫比較低，相對濕度也比較低，所以結(jié)霜現(xiàn)象不太嚴重，一般平均結(jié)霜除霜損失系數(shù)在0.950以上。②輕霜區(qū)：成都、重慶、桂林等。其損失系數(shù)都在0.97以上。這表明，在這些地區(qū)使用熱泵時，結(jié)霜不明顯或不會對供熱造成大的影響，熱泵機組特別適合這類地區(qū)應(yīng)用。4.3空氣源熱泵的結(jié)霜與融霜③重霜區(qū)：如長沙。其結(jié)霜除霜損失系數(shù)為0.703。主要是因為該地區(qū)相對濕度過大，而且室外空氣狀態(tài)點恰好處于結(jié)霜速率較大區(qū)間的緣故。在使用空氣源熱泵供熱時，應(yīng)充分考慮結(jié)霜除霜損失對熱泵性能的影響。④一般結(jié)霜區(qū)：杭州、武漢、上海、南京、南昌、宜昌等。其結(jié)霜除霜損失系數(shù)在0.80～0.90左右。在使用空氣源熱泵供熱時，要考慮結(jié)霜除霜損失對熱泵性能的影響。4.4空氣源熱泵機組的最佳平衡點評價空氣源熱泵用于某一地區(qū)在整個采暖季節(jié)運行的熱力經(jīng)濟性時，常采用供熱季節(jié)性能系數(shù)(HSPF)作為評價指標。4.4空氣源熱泵機組的最佳平衡點(1)最佳平衡點SQa—整個供暖季節(jié)的輔助加耗電量，kW．h；SQe—整個供熱季節(jié)加熱總耗電，kW．h；SW—整個供暖季節(jié)的總耗功量，kW．h；SQl—供暖房間季節(jié)熱負荷kW．h；m—以1℃為區(qū)間，劃分供暖季溫度區(qū)間數(shù)；Qa(Tj)—第j個溫度區(qū)間的輔助加熱量，kW；W(Tj)—第j個溫度區(qū)間空氣源熱泵消耗的功，kW；Q1(Tj)—第j個溫度區(qū)間的房間熱負荷，kW；j—第j個溫度區(qū)間，j=1,2,3．．．．m；nj—第j個溫度區(qū)間的小時數(shù)；m—以1℃為區(qū)間，劃分供暖季溫度區(qū)間數(shù)。4.4空氣源熱泵機組的最佳平衡點（2）最小能耗平衡點E熱泵—熱泵的一次能源利用系數(shù)；E鍋爐—鍋爐的一次能源利用系數(shù)；COPyj—熱泵運行時所對應(yīng)的季節(jié)性能系數(shù)；η1—火力發(fā)電廠效率；η2—輸配電效率。4.4空氣源熱泵機組的最佳平衡點中國建筑工業(yè)出版社（3）最佳經(jīng)濟平衡點影響最佳經(jīng)濟平衡點的因素是很多的，如氣候特性、負荷特性、能源價格結(jié)構(gòu)、主機設(shè)備價格等。其中，氣候特性、能源價格是影響最佳經(jīng)濟平衡點的重要因素，在確定最佳經(jīng)濟平衡點時應(yīng)給予足夠的重視。4.4空氣源熱泵機組的最佳平衡點中國建筑工業(yè)出版社輔助加熱輔助加熱的方式有：電加熱；用燃料燃燒來加熱的加熱器；用非峰值電力來儲存的熱量。4.4空氣源熱泵機組的最佳平衡點中國建筑工業(yè)出版社空氣源熱泵的能量調(diào)節(jié)4.4空氣源熱泵機組的最佳平衡點中國建筑工業(yè)出版社4.5空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用存在的問題我國寒冷地區(qū)冬季氣溫較低，而氣候干燥。采暖室外計算溫度基本在-5℃～-15℃，最冷月平均室外相對濕度基本在45％～65％之間。在這些地區(qū)選用空氣源熱泵，其結(jié)霜現(xiàn)象不太嚴重。因此說，結(jié)霜問題不是這些地區(qū)冬季使用空氣源熱泵的最大障礙。但卻存在下列一些制約空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用的問題（1）當需要的熱量比較大的時候，空氣源熱泵的制熱量不足。（2）空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用的可靠性差。（3）在低溫環(huán)境下，空氣源熱泵的能效比（EER）會急速下降。中國建筑工業(yè)出版社改善空氣源熱泵低溫運行特性的技術(shù)措施（1）在低溫工況下，加大壓縮機的容量多機并聯(lián)

——指采用多臺壓縮機并聯(lián)運行。在低溫工況下，用增加壓縮機運行臺數(shù)的方法，提高機組的供熱能力。變頻技術(shù)——通過變頻器的頻率控制改變電機的轉(zhuǎn)速。壓縮機的輸氣量與電動機的轉(zhuǎn)速成正比，若在低溫工況下，提高交流電頻率，則轉(zhuǎn)速相應(yīng)加快，從而使壓縮機的輸氣量加大，彌補了空氣源熱泵在低溫工況下制熱量的衰減。變速電機——熱泵驅(qū)動裝置常用二速電機、三速電機，在低溫工況下，通過用高速檔，提高壓縮機轉(zhuǎn)速來加大機組的容量，從而提高機組在低溫工況下的制熱能力。4.5空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性中國建筑工業(yè)出版社改善空氣源熱泵低溫運行特性的技術(shù)措施（2）噴液旁通技術(shù)作用：1熱泵在低溫工況下運行時，由于最低的蒸發(fā)溫度、最高的冷凝溫度和最大的過熱度而引起的排氣溫度過高，旁通部分液體來冷卻吸氣溫度，從而達到降低排氣溫度過高的目的；2熱泵低壓較低時，采用旁通部分液體來補償?shù)蛪?，以保證熱泵的正常運行。噴液旁通技術(shù)使用于螺桿壓縮機和渦旋壓縮機上。（3）加大室外換熱器的面積和風(fēng)量4.5空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性中國建筑工業(yè)出版社改善空氣源熱泵低溫運行特性的技術(shù)措施（4）適用于寒冷氣候的熱泵循環(huán)①兩次節(jié)