空气源热泵冷热水机组在寒冷地区的应用研究

黎志瑜

（广东瑞星新能源科技有限公司，广东 江门 529700）

目前，空气源热泵系统作为一种热能再生系统，它可以有效的将热量进行处理与转移，从而实现热量传输的目的。但是，空气源热泵系统作为一种常用的热能再生系统，其设备系统本身不会产生热量，主要工作机理是将空气热源进行处理与存储，然后经过系统设备的转换，实现热量的转换目的。设备系统运行的过程中，以智能技术的方式将有用热能可以直接转换成可直接应用的热能，满足人类热源的需求。因此，使用暖通空调或者热水供应的用户，可以直接从空气源热泵系统中获得有用热能，基于此，我们才将空气源热泵系统称为是一种热能再生系统。同时空气源热泵系统在遵循能量的循环利用原则基础上，将室内的热量通过围护结构传播到室外的大气中，形成室内热损失。从另一角度分析，空气源热泵系统也可以作为低温热源二次被大气中的热量吸收，从而维护人们日常所需要的室内温度，这种循环方式解决了传统供暖方式中的高耗能问题。因此，使用空气源热泵供暖，其应用前景广阔。

1 空气源热泵冷热水机组设计

1.1 空气源热泵冷热水机组设计概述

以LWH-500HMCRN1H 空气源热泵冷热水机组为例，对空气侧换热器进行优化设计。所设计的空气源热泵冷热水机组采用可单台/多台并联方式，在制冷工况下，单台的输入功率为40W；在制热工况下，单台的输入功率为43W，在办公楼、商场、宾馆或酒店中使用。LWH-500HMCRN1H 空气源热泵冷热水机组采用R410A 作为制冷工质，以制冷工作模式作为基准进行设计，以制热工作模式进行校验，其工作条件和设计工况如表1所示。

1.2 循环系统及工作原理

LWH-500HMCRN1H 空气源热泵冷热水机组的循环原理如图1 所示。整个循环的方式为当低温低压制冷剂蒸气通过压缩机压缩成高温高压气体后，通过四通换气阀进入翅片管风冷换热器放热，将释放的气体冷凝成液体，低温低压制冷剂通过第一电子膨胀阀内的节流与气液混合，通过管壳式换热器吸热，通过四通换气阀进入气液分离器，然后返回压缩机，完成整个制冷循环的过程。

图1 空气源热泵冷热水机组系统原理图

2 系统热力过程分析

2.1 制冷模式下的热力过程分析

根据表1 设定的条件，将制冷量设置为130kW，制热量设置为140kW，冷热机组是由不同的子系统组成，每一个子系统的制冷量为32.5kW，制热量为35kW。根据条件，在设计的过程中需要注意：不同管路之间的连接压降可忽略；制冷工质中，冷凝和过冷都在冷凝器中进行；压缩机的冷却和散热也在冷凝器中进行；过热过程在蒸发器中进行。

表1 机组工作条件和设计工况

制冷循环相关参数如下：

冷凝压力与蒸发压力比：

单位质量制冷量：Q0=h1-h5=1.52.45kJ/Kg

表示进出口焓值。

单位容积制冷量：qv=q0/v1=4779.0kg/m3

v1表示进气口比体积。

单位质量理论功：w0=h2s-h51=35.7kJ/Kg

2.2 计算输气系数

涡旋式压缩机与其它同类机器相比，其具有噪音低、运行可靠、振动小、体积小的显著特点，因此具有超静压缩机的称号，在工业、农业以及医疗器械等方面得到了广泛应用。由于涡旋式压缩机的结构与运行机制存在着一定特殊性，因此溶剂系统λ=1 另外，该压缩机在结构组成上并没有设置吸气阀，整个压缩机的吸气过程中，吸气压力损失较小，所以，压力系数为λp=1，发生泄露的几率较小，而且容积效率保持在95%以上，因此可以将泄露系数设置为λ1=0.95。

根据以上数据可以得到涡旋式压缩机的输入系数为：λ=λvλpλrλ1=0.95。

2.3 COP 计算

空调使用的涡旋式压缩机指示效率在75%左右，因此压缩机的指示效率为：

Pi=p0/ηi=10.01kW

其中，ηi表示指示效率；P 表示指示功率。

空调使用的涡旋式压缩机机械机械效率大概在90%左右，因此压缩机的轴功率为：

Pe=pi/ηm=11.13kW

其中，ηm表示机械效率。

电动机的效率一般保持在90%以内，因此压缩机的输入功率为：

P=Pe/ηcl=11.13/0.96=11.59kW其中，ηcl表示取电效率。

综上所述，可得COP 的值为：COP=F0/P=2.08

3 空气源热泵在严寒地区的应用

3.1 空气源热泵冷热水机组在我国的应用

空气源热泵冷热水机组是我国常用的一种热泵，也是最早的热泵机组。20 世纪80 年代，我国拥有了第一套水热泵空调系统，8F10S 冰箱作为主机为商场供热/供冷，运行效果良好，但尚未完全推广。直至20 世纪80 年代末，我国信息技术的不断发展，开始促进了空气源热水泵系统的升级与改造，诸多科学研究者开始尝试将新的技术系统放置在原有的空气源热泵冷热水机组之中，从而加大了空气源热泵冷热水机组的运行效能。新的空气源热泵冷热水机组研发使用，逐渐取代传统的活塞式空气源热泵冷热水机组。在随后的发展中，空气源热泵冷热水机组随着生产厂家的增加和市场的繁荣，在国内受到了极大的欢迎。

目前，空气源热水泵在我国的使用呈现出爆发趋势，其主要广泛地应用于商场、写字楼、公共场所等建筑领域空间内容。并且，随着空气源热水泵的系统完善与升级，其应用范围越来越广，尤其是在北风寒冷的地区，在京津地区、山东、河南、河北、西安等地区，采用空气源热泵作为冷热源。这些地区冬季气温低，需要供暖，供暖周期长，需求量大。北方冬季气候干燥，室外相对湿度基本保持在45%-65%之间，具体如表2 所示。

表2 部分城市采暖温度与室外相对湿度

根据表2 可得，这些地区进行供暖十分有必要，在这些地区选用空气源热泵冷热水机组作为冷热源，可以让冬天保持在一个相对平均的室内温度。目前，空气源热泵冷热水机组广泛的应用于我国的商场、银行、写字楼等领域中，但是，其应用环境一般都是普通温度环境。一旦空气源热泵冷热水机组遭遇低温环境，其设备运行效果就会降低，如何加强空气源热泵冷热水机组的低温适应性已经成为研究应用的焦点。以当前空气源热泵冷热水机组的应用现状为例，其提高该设备的低温适用性方法通常有：当室外气温较低时，可用变速风机启动高速运转，增加吸热，减少结霜。如果在寒冷地区，建筑物的排风可以作为低温热源，改善低层热源；当室外环境温度较低时，可以通过提高压缩机的转速来增加供热。当废气温度较高时，可以通过排出液体来吸收冷却温度，从而降低废气温度。

3.2 空气源热泵在寒冷地区的应用

3.2.1 现状分析

从目前我国空气源热泵在寒冷地区的应用现状来看，仍然存在着较为明显的应用局限性、设备环境适应差的现象。虽然单从空气源热泵的功能机制来看，其具有明显的优点与功能特点，但是，空气源热泵系统本身受温度环境的影响性较大。而在我国北方地区，冬季时温度会极具下降，如东北地区，这就导致空气源热泵的系统效能受限，甚至会对设备的稳定性、寿命造成影响。并且，空气源热泵系统的制热能力会随着室外温度的变化而变化，室外温度越低，供暖性能越差。一旦温度低于空气源热泵的原设定工作温度值时，就会导致整台设备系统的运行异常或作业停止。且如果热泵系统的假除霜情况加剧或者除霜时间过长，室内温度会发生变化，用户总会感觉有冷风吹过。机组低温启动时间长，启动阶段或除霜阶段后容易烧毁。同时也会造成较为严重的经济损失。如果新风机组无法正常工作，容易影响到室内的空气质量，让长期生活在室内的人们出现相应的负面影响。据相关调查，传统的新风机组的防冻方式也无法解决新风机组存在的防冻问题。

3.2.2 具体应用

随着空调系统的普及与应用范围延伸，空调通风能耗增加。传统空调系统的能耗占建筑总能耗的20% ，而新风能耗占建筑总能耗的4%～12%。因此，要改善室内空气质量，不能只通过减少新风量来节省能耗，而要通过增加新风量的供给来节省能耗。当空气的风平衡和热平衡达到合理状态时，新鲜空气的能耗就会排到外面。在寒冷地区，新鲜空气的热量会根据室内外的温差而增加，这样可以从排放口获得更多的可用热量来使用。通过设置热回收装置，可以降低新风所需的能量，使机组负荷达到平衡状态，达到节能的目的。在图2 中可以清晰的看见热泵制热性能数值的变化。

图2 热泵制热性能指数跟随时间变化

为了让空气源热泵可以在低温的环境下高效运行，国内外都对其性能展开了技术研发和产品升级。在针对废热回收利用方面的研究较早，因此发展也较为迅速，在国外的发达国家，大型空调热回收的研究已经非常成熟，并对热回收热泵的可行性进行了测试。结果表明，热回收热泵的经济价值可以在5 年内得到很好的利用。同时，可以根据余热回收时间缩短热泵的回收周期，从而提高经济价值。为了解决热量回收问题，国内外各大空调厂商都下大力气对机组进行了改进，并进行了多轮节能产品研发。比如热回收型双管束冷凝器热泵机组和风冷型热回收型双管束冷凝器制冷机组，两者都属于冷凝热回收产品，双管束使用两个冷凝器回收冷凝热，但这种热回收型机组的适用场所有限。因此，为了解决热回收型机组的使用场所有限性问题，一些厂家相继开发了新的空气源热泵系统，主要采用翅片式冷凝器V 型结构设计，进而提升系统的散热效果。在压缩机的选择上，主要通过安装闭涡旋压缩机，提升压缩机及整个设备的抗液击能力，并通过在机组中设计微电脑系统，从而实现对整个机组的智能化控制，这从技术创新上提高了热泵设备的适用范围，又提高COP 的输出值，从而达到更好的节能效果。

目前，我国一直致力于新的热泵技术研究，国内市场上所采用的空气源热水泵与传统的空气源热水泵相比，其具有风量大、噪音低、寿命长、通用性强、作业效率高、系统稳定等特点，其广泛地应用于宾馆、商业住宅楼、医院、大型商场、办公楼、别墅、科研机构等场所。并且，现行的空气源热泵系统都进行重新设计与优化，每个制冷系统各自独立分工，任何一个制冷环路发生异常情况均不会影响到其它环路；其安装现场组合成完成的机组，模块单元重量轻、体积小，可根据用户要求以及空调的使用面积进行模块间自由组合。经过国内主流的空气源热泵运行数据统计，现状各个领域采用的空气源热水泵最起码都能够在-25℃的温度下正常运行，而这一使用数据与传统的空气源热水泵相比，显然是适用稳定性提升明显。因此，目前中国对热水技术的研究虽然与国外一些发达国家相比存在着一段差距，但是整体的技术水平却保持在世界的中端及以上。而近年来，国内的研究重点主要集中在如何利用空气源热泵回收空调系统的排热，该研究也是解决当前暖通空调环境问题的有效方法之一。

4 结论

热泵装置系统功能强大，而空气源热泵作为热泵系统中的一个重要组件，与其他热泵技术相比，其发展不可限量。不仅仅是因为空气源热泵具有节能环保的功能，更重要的是空气源热泵在整个供暖的过程中可以实现热量的循环，以一种能量闭路循环使用的方式进行使用。如果是在建筑物中进行使用，建筑物会将室内的热量散播到周围的大气中，让空气源热泵可以在大气中得到充足的热量吸收，继而再将品位送还至建筑物中，以弥补损失的热量，维系室内的温度。因此，空气源热泵供暖作为生态供暖的重要组成，其发展前景广阔，可以得到大力使用和推广。