低环温空气源热泵技术研究新进展
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2015年第10期(总第43卷第296期) doi:10.3969 ̄.issn.1673—7237.2015.10.007 建筑节能 ■暖通与空调 低环温空气源热泵技术研究新进展 张超 , 吕新刚1 7 陈建平 , 张亚伟 , 乔(1.中原工学院能源与环境学院,郑州2.法凯涞玛(杭州)冷暖设备有限公司,杭州婧 , 王园园 31 1 1 18) 450007; 摘要: 空气源热泵以其高效节能、安全环保、使用方便等特点在我国长江流域及以南地区广泛应用, 但其在我国北方寒冷地区的推广应用却困难重重。主要是因为在低环境温度下,空气源热泵系 统面临着制热能力和制热系数急剧下降、压缩机启动困难、排气温度过高,以及蒸发器频繁结 霜等问题。针对这些问题,国内外研究人员对低温空气源热泵技术进行了大量研究。围绕低环 温空气源热泵系统、蒸发器除霜技术等方面对现有的研究成果进行总结分析,分析结果对空气 源热泵系统在低环温地区的进一步推广应用具有一定的指导意义。 关键词: 空气源热泵; 低环温; 系统优化; 研究进展 中图分类号:TU831 文献标志码: A 文章编号: 1673.7237(2015)10.0022—05 New Progress of Low Ambient Temperature ASHP Techn0l0gies ZHANG Chao ,LYU Xin-gang1,CHEN Jian-ping2,ZHANG Ya-wei ,QIAO ring ,WANG Yuan-yuan (1.School ofEnergy and Environmental Engineering,Zhongyuan University ofTechnology, Zhengzhou 450007,China;2.Airclimasia Thermal Equipment CO,Ltd,Hangzhou 3 1 1 1 1 8,China) Abstract:A ir-Source Heat Pumps have been widely used in the area of Yangtze River,with the features of its high eficifency,energy saving,safety and environmental protection and easy to USe.But troubles in its populriazation are obvious in cold regions of northern China,Main reasons includes:when the Air-Source Heat Pump is in a low ambient temperature,its heating performance and COP are at a very low level,the compressor is dificulft to start,the compressor shuts down to protect itself because of the^ gh exhaust temperture.aand the evaportor afrosts frequently in high humidity areas.Faced with these problems,domestic and foreign researchers have done a lot of researches on the low ambient temperature heat pump technology.This paper mainly introduces and analyzes new technologies of A SHP system and evaporatorfrosting.The analysis has directive sinigfcance for spreading ASHP in low ambient temperature areas・ Keywords:Air-Source Heat Pumps;low ambient temperature;system optimization;sudy tprogress O 引言 些问题严重限制了空气源热泵技术在低环温地区的 近年来,高能耗所带来的能源和环境问题日益 受到人们的关注。2013年我国建筑能耗已达社会总 能耗的28%~30%,在建筑能耗中空调和采暖能耗达 56%~58%。热泵技术因高效、节能环保等优点而被人 推广使用。 因此,如何解决低环温下空气源热泵制热量不足、 性能低下以及蒸发器结霜等问题成为目前该技术在 低环温地区推广使用需要解决的关键问题。本文针对 低环温下空气源热泵系统存在的上述系列问题,总结 和分析了在空气源热泵系统、蒸发器除霜技术等方面 们所关注,其中空气源热泵因使用方便、安装费用低 等优点得到广大消费者喜爱。然而,空气源热泵的应 用在很大程度上受到气候条件的限制。当环境温度较 的研究新进展,分析结果为低环温空气源热泵系统的 进一步研究和发展提供了依据。 1热泵系统的研究 针对空气源热泵在低环温下供热性能低下的问 低时,空气源热泵将面临着制热量不足、制热系数降 低、压缩机排气温度升高以及蒸发器结霜等问题,这 收稿日期:2015.03—10;修回日期:2015—10一叭 22 张超,等:低环温空气源热泵技术研究新进展 题,国内外学者在系统方案的改进方面进行了大量的 研究,主要提出以下几种改进方案。 1.1 带油冷却的单级压缩系统 带油冷却的单级压缩系统利用从排气管路中分 离出来的润滑油来降低排气温度,减少压缩机的输入 功率;但是润滑油的温度高于蒸发温度,回到压缩机 进油口的润滑油会增加制冷剂的过热度,从而增加压 缩机功耗,降低系统COPt”。目前,此系统多被补气增 焓系统所取代,但在高温或超低温热泵中还有运用。 1.2准双级压缩系统和双级压缩系统 准双级压缩系统和双级压缩系统利用中间补气 的方式可以在相当程度上解决低环境温度时的排气 温度过高、压缩机容积效率偏低的问题,其中准双级 压缩系统因系统简单而受到更多关注。 1.2.1准双级压缩系统 准双级压缩系统一般与经济器配合使用,于20世纪 80年代中期提出,其原理图如图1所示。准双级压缩 系统的关键在于压缩机必须带有中间补气口,来自 于经济器的中间补气可有效地降低压缩机的排气温 度、提高压缩机的容积效率,从而改善热泵系统的低 温性能。 补气增焓压缩机 图1 准双级压缩空气源热泵原理图 Fig.1 The principle ofquasi two—stage system Nobukatsu Arai ̄提出了一种带闪发器的涡旋式压 缩机注气系统,并简要分析了其性能,指出采取这一措 施后热泵系统在低温工况下的制热性能提高了15%。 陈骏骥等人[3]构建了低温喷气增焓准双级压缩热泵热 水器试验系统。试验表明该系统可在_20 ̄4O℃温度范 围内正常运行,且在一15℃环境温度下热水温度可达 65℃,COP也在2.0以上。马国远等人[41成功利用带辅 助进气口的涡旋压缩机,提高了带经济器的准双级压 缩系统在低温工况下的制热性能。实际测试表明,在蒸 发温度为一25℃、冷凝温度为45℃、相对补气压力为 1.2工况下,系统具有最大制热系数3.0。柴沁虎等人_5J指 出涡旋压缩机最合理的补气口在吸气腔刚刚闭合处。 赵会霞等人[61对闪发式经济器系统和过冷式经济 器系统进行了实验比较。研究结果表明,在蒸发温度为 一25℃、冷凝温度为45℃的工况下,带闪发式经济器 的热泵系统其制热量可达到8.15 kW,制热性能略高 于带过冷式经济器的热泵系统。马国远 通过实验得 到了闪发式经济器的最佳补气压力为0.95~1.0 MPa, 在一10 ̄-5℃的环境温度下切换普通单级压缩系统为 闪发器系统效果最佳。闪发式系统在低温工况下相比 过冷式系统可更有效调节制热性能。过冷式经济器可 方便调节补气过热度,更具有可调控性。 准双级压缩系统通过补气加大制冷剂循环量,同 时,降低排气温度,使热泵可以稳定运行在不低于一1 5℃ 的环境温度下,但随着蒸发温度的升高经济器的作用 明显降低,换热器的阻力会给系统带来较大的不可逆 损失,在更低的环境温度下仍有排气温度过高的现 象,这时需要借助双级压缩的形式。 1.2.2双级压缩系统 双级压缩中间补气系统可有效解决低温工况单 级压缩压缩比过大、排气温度过高等问题,中间补气 的闪发亦可提高主路制冷剂的过冷度,并降低高压级 的吸气过热度,从而增加系统COP,但双级压缩系统 一般较为复杂。 王伟、金苏敏等[ ]提出了一种两级节流中间不完 全冷却双级压缩系统,如图2所示。得出了最佳中间 温度关系式,并确定了在最佳中间温度下两压机压缩 比均小于6,当蒸发温度为一30℃、冷凝温度为60℃ 时,系统制热系数明显提高,接近于3.0。许树学等人 通过对1台单机双级滚动活塞式压缩机建立模型分 析得出最佳高低压腔容积比范围为0.75~0.8,当蒸发 温度为5℃、冷凝温度为35℃时,热泵系统制热量和 COP可分别达到4.8 kW和3.81。 图2带中间冷却器的双级压缩系统 Fig.2 The principle oftwo—stage system with intermediate cooler 1-3复叠式系统 复叠式系统通过一个热泵系统制取热量为另一 23 张超,等:低环温空气源热泵技术研究新进展 个热泵系统运行创造条件,通过一个冷凝蒸发器把两 个系统合二为一。相对于双级压缩系统,复叠式系统 可以采用两种不同工质,使每种工质在最佳设计工况 范围内工作。 ’ 王林、陈光明等人[ 0j提出了一种既可以按传统单 级系统运行,也可按复叠系统运行的双级耦合式系统, 如图3所示。该系统可在一30~40℃的环境下可靠运 行,在蒸发温度为一29℃、冷凝温度为55℃、输入功 率为7.53 kW时,比单级压缩系统节能15.3%。但该 系统换热器增多,由传热引起的不可逆损失也相应增 加。传统的除霜方式也不适合该系统,需要开发新的 除霜方式。 图3新型复叠式热泵系统 Fig 3 The principle ofa new cascade system 马最良等人[11]提出了一种单双级耦合空气源热 泵系统,该系统通过中间循环水路将高低级热泵系统 耦合,研究结果表明,该系统平均能效比为3.2,最高 可达4.4;还提出了利用寒冷地区建筑物内区发热量及 引入太阳能等能量形式作为辅助热源来进一步提升 系统性能的设想。 1.4 多种能源形式的复合系统 韩宗伟等人㈣提出了带有季节性蓄热的太阳能 与低温空气源热泵复合供暖空调系统,初步分析了该 系统的经济性和节能性,并对主要部件进行了匹配设 计计算。 柴沁虎 结了Et本学者提出的利用燃烧器辅 助加热的方法解决制热量不足问题的系统。但此方案 存在安全隐患,且会加大市政燃气系统压力,使用有 代价的热源,故而没有得到广泛应用。 1.5变频系统 变频系统采用变频压缩机提高压缩机转速来增 加制冷剂循环量,从而提高热泵系统制热量,并采取 了旁路喷液的保护措施。该方案解决了热泵系统的可 靠性问题,但没有解决系统的经济性问题,系统COP 下降明显。随着压缩机转速的提高,噪音增大,且对压 缩机的制造工艺要求提高。 1.6可变制冷剂、级内压缩系统 开利公司[14]研制出使用非共沸工质带精馏塔的 系统,该系统可随环境温度的变化改变参加循环的制 冷剂组分,低温工况时通过精馏塔除去混合制冷剂中 大部分低压组分,使得制冷剂在蒸发器内更容易蒸发, 从而增大制热量。此系统兼顾了各工况的经济性,但 系统形式复杂,且制冷剂的组分确定和制冷剂泄漏速 度对系统热力性能的影响有待研究。 2空气源热泵的除霜技术 蒸发器结霜是空气源热泵系统面临的又一主要 问题。常用的除霜技术主要有电加热除霜、逆循环除 霜、热气旁通除霜、蓄热除霜等四种方法。 电加热除霜系统简单方便,除霜完全,耗电量大, 在各小型系统中应用广泛。逆循环除霜需要从室内换 热器吸热,造成冷风感,使舒适性降低。若关闭室内风 机,则低位热源会不足,高低压对接时会对系统造成 严重冲击,四通阀的频繁启动也会影响系统寿命。另 外,需要除霜与实际除霜不合拍,误除霜现象严重,除 霜水排放也是问题。 2.1热气旁通除霜 热气旁通法除霜的能量主要来自压缩机的输入 功,制冷剂流过分液器和分液毛细管的能量损失较 大,同时,除霜时蒸发压力变低,制冷剂循环量较小, 除霜时间较长。 黄东等人[151分别研究了逆循环除霜和热气旁通 除霜对同一台热泵机组的运行效果,研究表明热气旁 通除霜法比逆循环除霜法多耗时1 78 S,但此研究没有 考虑从制热开始到室内换热器出水温度恢复到除霜 前水平的时间,所以得出的除霜时间不合理。 西原义和[15 提出的热气旁通除霜系统可解决除 霜时蒸发器流出的制冷剂的蒸发问题,如图4所示。 该系统可实现制冷、制热以及不问断融霜制热循环, 并可以通过调节电磁阀后的毛细管长度来控制融霜 用的制冷剂流量,平衡室内制热量,达到最佳设计点。 该系统避免了压缩机湿压缩,但加入了电加热装置使 系统变得复杂,且存在安全隐患。 2.2蓄热除霜 石文星总结了前人的一种蓄热除霜系统,如图5 所示。该系统融霜时无需从室内吸热,除霜吸热充分, 耗时较短。此外,当系统切换为制热模式后,由于压缩 机包裹了蓄热体,室内换热器温度较高,故而可较快 升高房间温度。 张超,等:低环温空气源热泵技术研究新进展 lJ 3结论 囟 }—崭 ll电热式制冷l I誉l 针对低环温空气源热泵系统制热量不足、性能低 下等问题,总结了国内外学者在热泵系统方面研究的 新进展;针对低环温空气源热泵蒸发器热泵的结霜问 题,总结了不同除霜技术的新成果,并对比分析了其 优缺点。通过对各种方案的分析,分析结果对低环温 空气源热泵系统进一步的研究工作具有一定的指导 百囟室 —内 一l剂加热器l l f l I换l 导 图4带电加热的热气旁通除霜系统 Fig.4 The principle ofhot gas bypass defrosting with electric heating system 图5带蓄热体的热气旁通除霜系统 Fig.5 The principle ofhot gas bypass defrosting with regenerator 2-3其他方案的研究 梁彩华等人_l7j认为,热气旁通除霜难以在大中型 风冷机组中应用,因为除霜时大量制冷剂液体不可控 制地在气液分离器中聚集,这些制冷剂的蒸发也是问 题。梁等人提出了一种新型的显热除霜法,该系统除 霜时四通阀不换向,除霜时间比逆循环法长约130 S, 但该除霜方式刻意控制制冷剂在室外换热器不凝结,没 有充分利用能量。王志毅等人[ 计了制冷剂补偿器代 替传统的气液分离器系统,可增大除霜时系统制冷剂流 量。该方案取得了一定效果,但增加了压缩机功耗。 Mei V.C等人『19 提出了一种加过冷回热和毛细旁 通的系统,该系统提高了吸气压力和排气压力,增加 了制冷剂循环量,提高了系统性能。甄灸等人[20]指出, 系统经过冷回热后空气侧能力明显提高,存在最佳毛 细管长度使系统制热量增大,但能效比无明显变化。 文献[21]提出了一种新型干燥除湿无霜系统,该 系统利用冷凝后的余热加热空气来对固体吸湿剂进 行解析。但是在解析模式下,当蒸发温度低于0℃时 该系统依然存在结霜的问题。该学者并未对新型系统 进行实验验证以及固体吸湿材料的用量进行分析,对 该模型有待进一步研究。 意义。 参考文献: [1]俞丽华,马国远,等.低温空气源热泵的现状与发展[J].建筑节能, 2007,35(3):54—57. 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SHI Wen-xing.Development of the low temperature air source heat pump 通讯作者: 吕新 ̄]1J(1991),男,在读硕士研究生,研究方向为制冷空调 节能新技术(1159264348@qq.com)。 行 业资 讯 河北与德国能源署深化被动房建设 9月11 Et,德国能源署新任总裁安德烈亚斯・库 将与德国能源署在河北省共同实施“中德合作高能效建 尔曼一行到访河北,与河北省住房和城乡建设厅厅长 苏蕴山等相关人员就如何进一步推进被动房建设进 行研讨座谈,并与河北省建筑科学研究院代表签署 “第二代”被动房示范项目质量保证合作协议。 据悉,德国的建筑节能技术走在世界前列,河北 筑”项目质量保证服务体系,并大幅度提高独立承担工 作的比例,以此开发、实施更多的项目。另外,在此合作 协议下,德国能源署将使河北省建筑科学研究院具备独 立开展基础培训的能力,从而为有兴趣参与被动式低能 耗建筑项目的建筑设计师和工程师定期进行培训。 此行,库尔曼等德方专家还与河北省相关人员就 如何进一步促进河北被动房标准的落实、如何进一步 提高高能效建筑的经济性和市场化推广力度等问题 进行了探讨。 (来源:《中国建设报)2015.09—21王宝松) 省自20 1 1年开始与德开展被动式低能耗建筑技术合 作,并先后建成了中国首例被动式居住建筑(秦皇岛 “在水一方”住宅小区)、中国首例被动式公共建筑f河 北省建筑科技研发中心示范办公楼)。 此次进一步深化合作后,河北省建筑设计研究院