羅強

四川職業(yè)技術學院電子電氣工程系

【摘 要】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于空氣源熱泵的研究進行分析，并在此基礎上指出空氣源熱泵所存在的問題及有待改進的方向。最后通過工程實例分析，說明恰當?shù)脑O計是空氣源熱泵系統(tǒng)順利得以應用的關鍵。

【關鍵詞】空氣源熱泵；研究現(xiàn)狀；應用

一、熱泵工作原理

一臺壓縮式熱泵裝置，主要有蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中或空氣中（如圖1所示）。

熱泵在工作時，把環(huán)境介質(zhì)中的能量QA在蒸發(fā)器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機耗電QB；通過工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進行放熱QC，QC=QA+QB，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機做的功QB和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量QA；其制熱系數(shù)為εh=QC / QB，可見εh值恒大于1。因此，采用熱泵技術可以節(jié)約大量的電能。

熱泵的分類多種多樣，按與熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器換熱的介質(zhì)不同分類，熱泵可以分為：空氣源熱泵、地源熱泵、水源熱泵等等。

二、我國空氣源熱泵的研究現(xiàn)狀

空氣源熱泵是以空氣作為高溫（低溫） 熱源來進行供熱（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?？諝庠礋岜冒惭b靈活、使用方便、初投資相對較低，且比較適用于分戶安裝，這也就使得我國空氣源熱泵冷熱水機組市場空前繁榮，生產(chǎn)研制已經(jīng)比較成型，產(chǎn)品規(guī)格齊全，品牌繁多。隨著空氣源熱泵在我國應用的日趨廣泛，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。

1、空氣源熱泵結霜、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，當室外空氣在流經(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，機組的性能下降，工況惡化，制熱量也將下降，這將嚴重影響壓縮機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)濟性。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)得到了廣泛應用的主要原因。而在黃河以北地區(qū)，應用空氣源熱泵則根據(jù)所處地區(qū)不同有其特殊要求。

結霜機理、化霜方法一直是空氣源熱泵研究與應用中要解決的重點與難點。目前，有不少關于空氣源熱泵機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霜、結露及干冷卻特性，并結合結霜過程進行試驗和模擬，分析了迎面風速、環(huán)境溫濕度、翅片間距、管排數(shù)等參數(shù)對結霜性能的影響及其可能產(chǎn)生的一系列后果。了解結霜機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。近年來由于計算機技術的發(fā)展，將模糊控制技術引入空氣源熱泵除霜問題的研究，作為一項先進可行的新技術，逐漸引起了人們的注意。這主要是因為空氣源熱泵結霜問題的影響是多因素、非線性的，而模糊控制技術的優(yōu)勢就是處理多維、非線性、時變問題。將模糊控制技術引入空氣源熱泵的除霜控制，通過對除霜過程的系統(tǒng)響應分析，可以使除霜控制能夠自動適應機組工作環(huán)境的變化，達到智能除霜的控制要求。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。`

2、空氣源熱泵節(jié)能問題的研究

?是對系統(tǒng)能的質(zhì)與量的綜合評價。對系統(tǒng)進行?分析可以揭示出系統(tǒng)中?損失的部位、類型和數(shù)量，以便設法減少這些損失。通過?計算分析可知，壓縮功只有20%被利用，有80%被損失，其中，壓縮機?損失占30.7%，冷凝器占20.14%，蒸發(fā)器占17.15%，毛細管占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，提高壓縮機本身的技術指標，是提高整個系統(tǒng)?效率的關鍵，而冷凝器和蒸發(fā)器?優(yōu)化措施主要是設法降低傳熱溫差。當然，系統(tǒng)的節(jié)能改進與經(jīng)濟性是相互制約的，僅從能效進行分析有一定的局限性。從這個角度出發(fā)，有關研究人員提出供熱最佳經(jīng)濟平衡點的概念，以期在此最佳經(jīng)濟平衡點溫度條件下， 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，通過空氣源熱泵機組與水冷冷水+鍋爐機組、溴化鋰吸收式機組3種方案的經(jīng)濟性比較可以得出，空氣源熱泵相對于其它兩種形式而言，經(jīng)濟性上具有顯著的優(yōu)越性。

3、計算機模擬在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應用

隨著計算機技術的不斷普及，計算機在暖通空調(diào)中的應用也日益廣泛。前面所述及的一些研究中有很多也都應用了計算機技術，關于計算機模擬在暖通空調(diào)中具有代表性的應用主要有以下幾個方面：

（1）對壓縮機的計算模擬

采用神經(jīng)網(wǎng)絡法對空氣源熱泵中螺桿式壓縮機的冬季運行特性進行模擬，并結合誤差反向傳播算法（BP算法）進行調(diào)整，結果表明，采用該方法對壓縮機進行建模模擬可以達到較高的精度要求，模擬結果與實驗結果吻合較好。

（2）對蒸發(fā)器的計算模擬

通過對空氣源熱泵的蒸發(fā)器結霜問題進行動態(tài)模擬計算，可以詳細分析蒸發(fā)器結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、濕工況及結霜工況下的傳熱傳質(zhì)計算方法也有相關探討。

（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

關于空氣源熱泵全年能耗分析應用軟件的開發(fā)應用在相關文獻中有所介紹，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)考慮進去，這就使得熱泵供熱能耗計算更為準確，也為空氣源熱泵的應用提供了一個很好的分析方法。

4、變頻技術在空氣源熱泵中的應用

變頻技術在空氣源熱泵中的應用是一項新技術，根據(jù)對變頻控制熱泵式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荷運行特性。通過在節(jié)能方面與普通空氣源熱泵進行比較，證明應用變頻技術以后的空氣源熱泵機組比普通機組更加節(jié)能。

三、空氣源熱泵的特點

1、空調(diào)系統(tǒng)冷熱源合一，且置于建筑物屋面，不需要設專門的冷凍機房、鍋爐房，也省去了煙囪和冷卻水管道所占有的建筑空間。對于寸土寸金的城市繁華地段的建筑，或無條件設鍋爐房的建筑，空氣源熱泵冷熱水機組無疑是一個比較合適的選擇。

2、無冷卻水系統(tǒng)，無冷卻水系統(tǒng)動力消耗，無冷卻水損耗。水冷式冷水機組的水損失不僅有蒸發(fā)損失、漂水損失、還有排污損失、冬季防凍排水損失，夏季啟用時的系統(tǒng)沖洗損失，化學清洗稀釋損失等等，所有這些損失總和約折合冷卻水循環(huán)水量的2～5%，根據(jù)不同性質(zhì)的冷水機組，折合單位制冷量的損耗量為2～4t/100RT·h。

3、系統(tǒng)設備少而集中，操作、維護管理簡單方便。一些小型系統(tǒng)可以做到通過室內(nèi)風機盤管的啟停控制熱泵機組的開關。

4、單機容量從3RT至400RT，規(guī)格齊全，工程適應性強，利于系統(tǒng)細化劃分，可分層、分塊、分用戶單元獨立設置系統(tǒng)等。

5、作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源方面的設備投資，空氣源熱泵冷熱水機組造價較高，比水冷式機組加鍋爐的方案的系統(tǒng)綜合造價貴20～30%。

6、空氣源熱泵冷熱水機組常年暴露在室外，運行條件比水冷式冷水機組差，其壽命也相應要比水冷式冷水機組短。

7、熱泵機組的噪音較大，對環(huán)境及相鄰房間有一定影響。熱泵通常直接置于裙樓或頂層屋面，合理的位置設置與隔振隔音措施的到位，熱泵噪音的影響可以基本消除。

8、空氣源熱泵的性能隨室外氣候變化明顯。室外空氣溫度高于40～45℃或低于-10～-15℃時，熱泵機組不能正常工作。

四、空氣源熱泵有待解決的問題

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。夏季，隨著室外空氣溫度的升高，制冷負荷增大，但熱泵系統(tǒng)冷凝溫度升高，熱泵溫差增加，機組整體效率降低；冬季，隨著空氣溫度的降低，供熱負荷增大，而蒸發(fā)溫度隨之降低，熱泵溫差增大，導致機組整體效率降低。進一步研究應考慮采取相應措施來合理改善機組的性能。

空氣源熱泵另一個突出的問題就是蒸發(fā)器冬季結霜問題。這不但導致系統(tǒng)供熱性能的急劇下降，還將對壓縮機等重要部件產(chǎn)生不良影響（如冰堵），使系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn)，同時，結霜還將使機組運行費用增加。盡管我國在這方面已經(jīng)做了很多研究工作，但關于結霜的控制措施及除霜技術的研究方面，還需要進一步進行深入研究和實驗論證。另外，如何對機組本身進行優(yōu)化設計，減少蒸發(fā)器結霜，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)約機組的費用，這些都值得探討。

由于室外空氣一年四季甚至一天當中的溫度波動較大，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挑戰(zhàn)，關于這一方面的研究尚不多見，還有待于逐漸探索和完善。

五、空氣源熱泵的應用

1、某現(xiàn)代化寫字樓，大樓建筑面積約3.5萬m2，建筑總高度95米，其中地下一層，地上23層，外圍護結構為全玻璃幕墻。大樓選用6臺美國約克公司AWHC-200熱泵機組，裝機額定制冷量為3672KW（1044RT），面積冷指標為105W/m2，熱泵額定制熱量為107W/m2。熱泵機組置于主樓頂層屋面，系統(tǒng)配置8臺水泵，每臺泵的循環(huán)水量為200m3/h，揚程為32mH2O。熱泵與水泵分別并聯(lián)再串聯(lián)，各熱泵進出水管直接與分集水器連接，水泵置于室內(nèi)。

熱泵機組采用彈簧減振器減振，水泵也采用彈簧減振臺座減振?？照{(diào)系統(tǒng)末端設計為變水量，主機為定水量臺數(shù)控制。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和測量，大樓工作人員對空調(diào)滿意度較高，夏季某天在吸氣溫度40℃情況下（局部排除有短路吸入現(xiàn)象），系統(tǒng)出水7.58℃，回水12℃，水溫差為4.42℃（熱泵運行5臺，水泵運行3臺，尚有少數(shù)樓層未投入使用），室內(nèi)基本滿足26℃的設計要求。冬季某天下大雪，現(xiàn)場測得系統(tǒng)供水溫度在39～40℃范圍波動，某南面房間室內(nèi)溫度維持在23℃。冬季惡劣氣候，人工設定化霜時間間隔為30分鐘，化霜時間持續(xù)5分鐘。個別天氣出現(xiàn)早上不能正常開機時，管理人員先設定制冷化霜工況，再進入供熱工況。由于熱泵機組置于主樓敞開屋頂，通風條件良好。但因女兒墻較高，個別熱泵出現(xiàn)了部分氣流短路的現(xiàn)象。約克公司標準型熱泵機組（200RT）的噪音在82dB（A）左右，但由于熱泵位置較為合適，土建處理、減振措施都較為妥當（女兒墻較高，熱泵與疏散樓梯為水泵房所隔，與疏散樓梯口有一定的水平距離），這些綜合措施使熱泵機組較大的噪音并未對大樓產(chǎn)生明顯影響，在熱泵所在樓層的電梯廳測得的噪音在45dB（A）左右，在緊貼熱泵下部的辦公室，噪音也在45dB（A）左右，吊頂內(nèi)噪音約為50dB（A）左右?？梢娫摴こ虦p振隔音的綜合措施收到明顯效果。

2、某酒店建筑面積約7800M2，其中20%左右為酒店公共用房，80%左右為客房。酒店共選用3臺110RT熱泵。冬季使用效果良好，某晚，室外溫度0～2℃，熱泵出水溫度維持在39～41℃，客房內(nèi)溫度可達25℃。使用至今曾有過一、二次結霜比較嚴重，自動除霜困難，管理人員用頂層生活用鍋爐熱水沖淋后，一切正常。熱泵置于酒店頂層屋頂，三臺水泵置于熱泵旁的室外平臺，與熱泵一一對應，即每臺泵與熱泵串聯(lián)后再并聯(lián)。與熱泵相鄰的樓層為酒店內(nèi)部辦公用房，其室內(nèi)噪音約為45～50dB（A），冬天個別雨霧寒冷天，由于橡膠隔振墊被凍，隔振效果減弱，其緊貼樓層噪音有所增加。但由于熱泵未緊貼客房布置，客房未受明顯影響。實際運行表明，系統(tǒng)開2臺熱泵已足以滿足空調(diào)要求，冬天極個別的惡劣天氣才需開3臺熱泵。

作者簡介：

羅 強（1976- ），男，四川遂寧人，四川職業(yè)技術學院電子電氣工程系講師。研究方向：熱能工程。