空气源热泵技术的应用与设计实例

罗强

四川职业技术学院电子电气工程系

【摘 要】为了更好地了解我国空气源热泵方面的发展动态，本文将对近年来我国关于空气源热泵的研究进行分析，并在此基础上指出空气源热泵所存在的问题及有待改进的方向。最后通过工程实例分析，说明恰当的设计是空气源热泵系统顺利得以应用的关键。

【关键词】空气源热泵；研究现状；应用

一、热泵工作原理

一台压缩式热泵装置，主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成，通过让工质不断完成蒸发（吸取环境中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中或空气中（如图1所示）。

热泵在工作时，把环境介质中的能量QA在蒸发器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即压缩机耗电QB；通过工质循环系统在冷凝器中进行放热QC，QC=QA+QB，由此可以看出，热泵输出的能量为压缩机做的功QB和热泵从环境中吸收的热量QA；其制热系数为εh=QC / QB，可见εh值恒大于1。因此，采用热泵技术可以节约大量的电能。

热泵的分类多种多样，按与热泵的蒸发器和冷凝器换热的介质不同分类，热泵可以分为：空气源热泵、地源热泵、水源热泵等等。

二、我国空气源热泵的研究现状

空气源热泵是以空气作为高温（低温） 热源来进行供热（供冷） 的装置。相对于其它热泵类型而言，我国对空气源热泵的研究起步较早，研究内容也较多。以环境空气作为低品位热源，可以取之不尽，用之不竭。空气源热泵安装灵活、使用方便、初投资相对较低，且比较适用于分户安装，这也就使得我国空气源热泵冷热水机组市场空前繁荣，生产研制已经比较成型，产品规格齐全，品牌繁多。随着空气源热泵在我国应用的日趋广泛，了解我国空气源热泵的研究状况对于后续研究而言具有重要的意义。

1、空气源热泵结霜、化霜问题的研究

由于空气源热泵冬季采用空气作为热源，所以，随着室外温度的降低，其蒸发温度也随之降低，蒸发器表面温度随之下降，甚至低于0 ℃。此时，当室外空气在流经蒸发器被冷却时，其所含的水分就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。结霜对热泵是极其不利的，随着霜层的形成，蒸发器传热热阻增加，蒸发温度下降，机组的性能下降，工况恶化，制热量也将下降，这将严重影响压缩机以及热泵整体的性能。同时，除霜带来的额外费用还将降低空气源热泵的经济性。尽管空气源热泵具有很多优点，但受室外环境的限制也比较大，这也是空气源热泵目前仅在我国黄河以南地区得到了广泛应用的主要原因。而在黄河以北地区，应用空气源热泵则根据所处地区不同有其特殊要求。

结霜机理、化霜方法一直是空气源热泵研究与应用中要解决的重点与难点。目前，有不少关于空气源热泵机组冬季运行状况的研究，主要分析供热时不同工况下空气盘管表面湿空气结霜、结露及干冷却特性，并结合结霜过程进行试验和模拟，分析了迎面风速、环境温湿度、翅片间距、管排数等参数对结霜性能的影响及其可能产生的一系列后果。了解结霜机理的主要目的是要解决如何除霜的问题，传统的除霜控制方法主要包括：定时除霜法、时间—温度（压力）法、空气压差控制除霜法、霜层传感器控制除霜法、声音震荡器控制除霜法、最大平均供热量控制除霜法、最佳除霜时间控制法等。近年来由于计算机技术的发展，将模糊控制技术引入空气源热泵除霜问题的研究，作为一项先进可行的新技术，逐渐引起了人们的注意。这主要是因为空气源热泵结霜问题的影响是多因素、非线性的，而模糊控制技术的优势就是处理多维、非线性、时变问题。将模糊控制技术引入空气源热泵的除霜控制，通过对除霜过程的系统响应分析，可以使除霜控制能够自动适应机组工作环境的变化，达到智能除霜的控制要求。此外，还有考虑环境工况变化的双温度传感器智能化除霜控制方法等。`

2、空气源热泵节能问题的研究

?是对系统能的质与量的综合评价。对系统进行?分析可以揭示出系统中?损失的部位、类型和数量，以便设法减少这些损失。通过?计算分析可知，压缩功只有20%被利用，有80%被损失，其中，压缩机?损失占30.7%，冷凝器占20.14%，蒸发器占17.15%，毛细管占10%。由此我们可以看出，空气源热泵系统节能的主要部件是压缩机，提高压缩机本身的技术指标，是提高整个系统?效率的关键，而冷凝器和蒸发器?优化措施主要是设法降低传热温差。当然，系统的节能改进与经济性是相互制约的，仅从能效进行分析有一定的局限性。从这个角度出发，有关研究人员提出供热最佳经济平衡点的概念，以期在此最佳经济平衡点温度条件下， 整个供热系统（热泵+ 辅助热源）的初投资与运行费最少，从而合理实现热泵节能优化。此外，通过空气源热泵机组与水冷冷水+锅炉机组、溴化锂吸收式机组3种方案的经济性比较可以得出，空气源热泵相对于其它两种形式而言，经济性上具有显著的优越性。

3、计算机模拟在空气源热泵系统中的应用

随着计算机技术的不断普及，计算机在暖通空调中的应用也日益广泛。前面所述及的一些研究中有很多也都应用了计算机技术，关于计算机模拟在暖通空调中具有代表性的应用主要有以下几个方面：

（1）对压缩机的计算模拟

采用神经网络法对空气源热泵中螺杆式压缩机的冬季运行特性进行模拟，并结合误差反向传播算法（BP算法）进行调整，结果表明，采用该方法对压缩机进行建模模拟可以达到较高的精度要求，模拟结果与实验结果吻合较好。

（2）对蒸发器的计算模拟

通过对空气源热泵的蒸发器结霜问题进行动态模拟计算，可以详细分析蒸发器结霜和制冷剂充灌量对系统性能所产生的影响。另外，对于采用ε-NTU 法（效率—传热单元数法）对空气源热泵蒸发器肋片管在干工况、湿工况及结霜工况下的传热传质计算方法也有相关探讨。

（3）系统仿真研究

通过建立房间空调器热泵运行时的瞬态仿真的数学模型，可以得出房间空调器热泵运行时的制冷系统参数及房间温度变化的曲线，这对实现空气源热泵系统的自控有很大的意义。

（4）系统能耗分析软件

关于空气源热泵全年能耗分析应用软件的开发应用在相关文献中有所介绍，该软件在求解热泵供冷全年能耗时，综合考虑了空调冷负荷、室外干球温度、热泵出水温度這3个因素，在求热泵供热能耗时，还将室外空气相对湿度这个重要参数考虑进去，这就使得热泵供热能耗计算更为准确，也为空气源热泵的应用提供了一个很好的分析方法。

4、变频技术在空气源热泵中的应用

变频技术在空气源热泵中的应用是一项新技术，根据对变频控制热泵式VRV空调系统夏季制冷运行时的节能特性所做的一系列实验研究，可以获得夏季部分负荷运行特性。通过在节能方面与普通空气源热泵进行比较，证明应用变频技术以后的空气源热泵机组比普通机组更加节能。

三、空气源热泵的特点

1、空调系统冷热源合一，且置于建筑物屋面，不需要设专门的冷冻机房、锅炉房，也省去了烟囱和冷却水管道所占有的建筑空间。对于寸土寸金的城市繁华地段的建筑，或无条件设锅炉房的建筑，空气源热泵冷热水机组无疑是一个比较合适的选择。

2、无冷却水系统，无冷却水系统动力消耗，无冷却水损耗。水冷式冷水机组的水损失不仅有蒸发损失、漂水损失、还有排污损失、冬季防冻排水损失，夏季启用时的系统冲洗损失，化学清洗稀释损失等等，所有这些损失总和约折合冷却水循环水量的2～5%，根据不同性质的冷水机组，折合单位制冷量的损耗量为2～4t/100RT·h。

3、系统设备少而集中，操作、维护管理简单方便。一些小型系统可以做到通过室内风机盘管的启停控制热泵机组的开关。

4、单机容量从3RT至400RT，规格齐全，工程适应性强，利于系统细化划分，可分层、分块、分用户单元独立设置系统等。

5、作为空调系统的冷热源方面的设备投资，空气源热泵冷热水机组造价较高，比水冷式机组加锅炉的方案的系统综合造价贵20～30%。

6、空气源热泵冷热水机组常年暴露在室外，运行条件比水冷式冷水机组差，其寿命也相应要比水冷式冷水机组短。

7、热泵机组的噪音较大，对环境及相邻房间有一定影响。热泵通常直接置于裙楼或顶层屋面，合理的位置设置与隔振隔音措施的到位，热泵噪音的影响可以基本消除。

8、空气源热泵的性能随室外气候变化明显。室外空气温度高于40～45℃或低于-10～-15℃时，热泵机组不能正常工作。

四、空气源热泵有待解决的问题

对于空气源热泵而言，除了具有种种优点之外，仍存在很多不足及有待解决的问题。空气源热泵的性能受室外气候条件变化影响较大。夏季，随着室外空气温度的升高，制冷负荷增大，但热泵系统冷凝温度升高，热泵温差增加，机组整体效率降低；冬季，随着空气温度的降低，供热负荷增大，而蒸发温度随之降低，热泵温差增大，导致机组整体效率降低。进一步研究应考虑采取相应措施来合理改善机组的性能。

空气源热泵另一个突出的问题就是蒸发器冬季结霜问题。这不但导致系统供热性能的急剧下降，还将对压缩机等重要部件产生不良影响（如冰堵），使系统不能正常运转，同时，结霜还将使机组运行费用增加。尽管我国在这方面已经做了很多研究工作，但关于结霜的控制措施及除霜技术的研究方面，还需要进一步进行深入研究和实验论证。另外，如何对机组本身进行优化设计，减少蒸发器结霜，如何采用更好的除霜方式来提高空气源热泵的运行效率，节约机组的费用，这些都值得探讨。

由于室外空气一年四季甚至一天当中的温度波动较大，这就对实现整个空气源热泵系统的自动控制提出了很大的挑战，关于这一方面的研究尚不多见，还有待于逐渐探索和完善。

五、空气源热泵的应用

1、某现代化写字楼，大楼建筑面积约3.5万m2，建筑总高度95米，其中地下一层，地上23层，外围护结构为全玻璃幕墙。大楼选用6台美国约克公司AWHC-200热泵机组，装机额定制冷量为3672KW（1044RT），面积冷指标为105W/m2，热泵额定制热量为107W/m2。热泵机组置于主楼顶层屋面，系统配置8台水泵，每台泵的循环水量为200m3/h，扬程为32mH2O。热泵与水泵分别并联再串联，各热泵进出水管直接与分集水器连接，水泵置于室内。

热泵机组采用弹簧减振器减振，水泵也采用弹簧减振台座减振。空调系统末端设计为变水量，主机为定水量台数控制。据现场调查和测量，大楼工作人员对空调满意度较高，夏季某天在吸气温度40℃情况下（局部排除有短路吸入现象），系统出水7.58℃，回水12℃，水温差为4.42℃（热泵运行5台，水泵运行3台，尚有少数楼层未投入使用），室内基本满足26℃的设计要求。冬季某天下大雪，现场测得系统供水温度在39～40℃范围波动，某南面房间室内温度维持在23℃。冬季恶劣气候，人工设定化霜时间间隔为30分钟，化霜时间持续5分钟。个别天气出现早上不能正常开机时，管理人员先设定制冷化霜工况，再进入供热工况。由于热泵机组置于主楼敞开屋顶，通风条件良好。但因女儿墙较高，个别热泵出现了部分气流短路的现象。约克公司标准型热泵机组（200RT）的噪音在82dB（A）左右，但由于热泵位置较为合适，土建处理、减振措施都较为妥当（女儿墙较高，热泵与疏散楼梯为水泵房所隔，与疏散楼梯口有一定的水平距离），这些综合措施使热泵机组较大的噪音并未对大楼产生明显影响，在热泵所在楼层的电梯厅测得的噪音在45dB（A）左右，在紧贴热泵下部的办公室，噪音也在45dB（A）左右，吊顶内噪音约为50dB（A）左右。可见该工程减振隔音的综合措施收到明显效果。

2、某酒店建筑面积约7800M2，其中20%左右为酒店公共用房，80%左右为客房。酒店共选用3台110RT热泵。冬季使用效果良好，某晚，室外温度0～2℃，热泵出水温度维持在39～41℃，客房内温度可达25℃。使用至今曾有过一、二次结霜比较严重，自动除霜困难，管理人员用顶层生活用锅炉热水冲淋后，一切正常。热泵置于酒店顶层屋顶，三台水泵置于热泵旁的室外平台，与热泵一一对应，即每台泵与热泵串联后再并联。与热泵相邻的楼层为酒店内部办公用房，其室内噪音约为45～50dB（A），冬天个别雨雾寒冷天，由于橡胶隔振垫被冻，隔振效果减弱，其紧贴楼层噪音有所增加。但由于热泵未紧贴客房布置，客房未受明显影响。实际运行表明，系统开2台热泵已足以满足空调要求，冬天极个别的恶劣天气才需开3台热泵。

作者简介：

罗 强（1976- ），男，四川遂宁人，四川职业技术学院电子电气工程系讲师。研究方向：热能工程。