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我國空氣源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀與問題解析

Tag：空氣源熱泵  
    內(nèi)容提示：對于空氣源熱泵而言,除了具有種種優(yōu)點(diǎn)之外,仍存在很多不足及有待解決的問題。空氣源熱泵的性能受室外氣候條件變化影響較大,隨著室外環(huán)境的惡化而惡化。

    空氣源熱泵是以空氣作為高溫(低溫)熱源來進(jìn)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,處處都有,無償獲取。空氣源熱泵則安裝靈活、使用方便、初投資相對較低,且比較適用于分戶安裝,目前我國室內(nèi)空調(diào)器大都采用的是這種形式。這也就使得我國空氣源熱泵冷熱水機(jī)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。據(jù)有關(guān)調(diào)查表明,目前我國空氣源熱泵冷熱水機(jī)組生產(chǎn)廠家已由1995年的十幾家發(fā)展到現(xiàn)在的四十多家,據(jù)不完全統(tǒng)計,國內(nèi)銷售的機(jī)組已逾45個品牌,其中國產(chǎn)機(jī)組約占25%左右, 其余為合資產(chǎn)品,臺資產(chǎn)品和進(jìn)口產(chǎn)品。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(guān)于空氣源熱泵的研究進(jìn)行分析,并在此基礎(chǔ)上指出空氣源熱泵所存在的問題及有待改進(jìn)的方向.

    我國空氣源熱泵研究狀況：

    隨著空氣源熱泵在我國應(yīng)用的日趨廣泛和研究的日趨深入，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。下面重點(diǎn)介紹我國近年來關(guān)于空氣源熱泵的技術(shù)進(jìn)展。

    1.空氣源熱泵結(jié)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(dāng)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(jié)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(jī)組的性能下降,工況惡化,制熱量也將下降,這將嚴(yán)重影響壓縮機(jī)以及熱泵整體的性能,同時,除霜帶來的額外費(fèi)用還將降低空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性,這也就是為什么空氣源熱泵在寒冷、潮濕地區(qū)的應(yīng)用受到限制的原因。

    所以說,結(jié)霜機(jī)理、化霜方法一直是空氣源熱泵研究與應(yīng)用中要解決的重點(diǎn)與難點(diǎn)。目前,有不少關(guān)于空氣源熱泵機(jī)組冬季運(yùn)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(jié)霜、結(jié)露及干冷卻特性,并結(jié)合結(jié)霜過程進(jìn)行試驗和模擬,分析了迎面風(fēng)速、環(huán)境溫濕度、翅片間距、管排數(shù)等參數(shù)對結(jié)霜性能的影響及其所可能產(chǎn)生的一系列后果。了解結(jié)霜的機(jī)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。這些方法各有利弊,有待完善。

    近年來由于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,將模糊控制技術(shù)引入空氣源熱泵除霜問題的研究作為一項先進(jìn)可行的新技術(shù),逐漸引起了人們的注意。這主要是因為空氣源熱泵結(jié)霜問題的影響是多因素,非線性的,而模糊控制技術(shù)的優(yōu)勢就是處理多維、非線性、時變問題。這樣一來,將模糊控制技術(shù)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(yīng)分析，可以使除霜控制能夠自動適應(yīng)機(jī)組工作環(huán)境的變化,達(dá)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。盡管空氣源熱泵具有很多優(yōu)點(diǎn),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(yīng)用的主要原因。
而在黃河以北地區(qū),應(yīng)用空氣源熱泵則根據(jù)所處地區(qū)不同有其特殊要求。
    目前,關(guān)于西安、膠東以及寒冷地區(qū)空氣源熱泵的實際應(yīng)用情況已有研究,并就所遇到的如壓縮比過大等具體問題提出了一些相應(yīng)的改進(jìn)措施,可在相應(yīng)地區(qū)的實際應(yīng)用中作為參考。此外,為了對空氣源熱泵結(jié)霜除霜所帶來的損失進(jìn)行量化的分析,有研究提出了不同地區(qū)、不同使用情況下的平均結(jié)霜除霜損失系數(shù)的概念,平均結(jié)霜除霜損失系數(shù)越大的地區(qū)應(yīng)用空氣源熱泵越不經(jīng)濟(jì)。據(jù)此,將我國空氣源熱泵使用地區(qū)根據(jù)平均結(jié)霜損失系數(shù)分成4類:低溫結(jié)霜區(qū):如濟(jì)南、北京、鄭州、西安、蘭州等;輕霜區(qū):如成都、桂林、重慶等;重霜區(qū):如長沙;一般結(jié)霜區(qū):如杭州、武漢、上海、南京、南昌、宜昌等。這些都可以作為熱泵設(shè)計選用中重要的參考依據(jù)。

     2.空氣源熱泵節(jié)能問題的研究

    火用是對系統(tǒng)能的質(zhì)與量的綜合評價。對系統(tǒng)進(jìn)行火用分析可以揭示出系統(tǒng)中火用損失的部位、類型和數(shù)量,以便設(shè)法減少這些損失。通過火用計算分析可知,壓縮功只有20%被利用,而有80%被損失,其中,壓縮機(jī)火用損失占30.7%,冷凝器占20.14%,蒸發(fā)器占17.15%,毛細(xì)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(jī),提高壓縮機(jī)本身的技術(shù)指標(biāo),是提高整個系統(tǒng)火用效率的關(guān)鍵,而冷凝器和蒸發(fā)器火用優(yōu)化措施主要是設(shè)法降低傳熱溫差。當(dāng)然,系統(tǒng)的節(jié)能改進(jìn)與經(jīng)濟(jì)性是相互制約的,僅從能效進(jìn)行分析有一定的局限性。從這個角度出發(fā),有關(guān)研究人員提出供熱最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)的概念,以期在此最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)溫度條件下,整個供熱系統(tǒng)(熱泵+輔助熱源)的初投資與運(yùn)行費(fèi)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(jī)組與水冷冷水+ 鍋爐機(jī)組、溴化鋰吸收式機(jī)組(+鍋爐)這3種方案的經(jīng)濟(jì)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(jì)性上具有顯著的優(yōu)越性。

    3.計算機(jī)模擬在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

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

    ①對壓縮機(jī)的計算模擬

    采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對空氣源熱泵中螺桿式壓縮機(jī)的冬季運(yùn)行特性進(jìn)行模擬,并結(jié)合誤差反向傳播算法(BP算法)進(jìn)行調(diào)整,結(jié)果表明,采用該方法對壓縮機(jī)進(jìn)行建模模擬可以達(dá)到較高的精度要求。模擬結(jié)果與實驗結(jié)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(jié)霜問題進(jìn)行動態(tài)模擬計算,可以詳細(xì)分析蒸發(fā)器結(jié)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(jié)霜工況下的傳熱傳質(zhì)計算方法也有相關(guān)探討。

    ③系統(tǒng)仿真研究

    通過建立房間空調(diào)器熱泵運(yùn)行時的瞬態(tài)仿真的數(shù)學(xué)模型,可以得出房間空調(diào)器熱泵運(yùn)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(guān)于空氣源熱泵全年能耗分析應(yīng)用軟件的開發(fā)應(yīng)用在相關(guān)文獻(xiàn)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(fù)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(jìn)去,這就使得熱泵供熱能耗計算更為準(zhǔn)確,也為空氣源熱泵的應(yīng)用提供了一個很好的分析方法。

    空氣源熱泵有待解決的問題及改進(jìn)方向:

    對于空氣源熱泵而言,除了具有種種優(yōu)點(diǎn)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,隨著室外環(huán)境的惡化而惡化。夏季,隨著室外空氣溫度的升高,制冷負(fù)荷增大,但熱泵系統(tǒng)冷凝溫度升高,熱泵溫差增加,機(jī)組整體效率降低;冬季,隨著空氣溫度的降低,供熱負(fù)荷增大,而蒸發(fā)溫度隨之降低,熱泵溫差增大,導(dǎo)致機(jī)組整體效率降低。同時,隨著室外條件的惡劣,熱泵的工作性能急劇下降,又反過來加劇了室外環(huán)境的惡劣程度。進(jìn)一步研究應(yīng)考慮采取相應(yīng)措施來合理改善機(jī)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(jié)霜問題。這不但導(dǎo)致系統(tǒng)供熱性能的急劇下降,還將對壓縮機(jī)等重要部件產(chǎn)生不良影響(如冰堵),嚴(yán)重時將損壞壓縮機(jī),使系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn),同時,結(jié)霜還將使機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用增加。盡管我國在這方面已經(jīng)做了很多研究工作,但關(guān)于結(jié)霜的控制措施及除霜技術(shù)的研究方面,還需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究和實驗論證。另外,如何對機(jī)組本身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,減少結(jié)霜,如何采用更好的除霜方式來提高空氣源熱泵的運(yùn)行效率,節(jié)約機(jī)組的費(fèi)用,這些都仍值得探討。

    由于室外空氣一年四季甚至一天當(dāng)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(guān)于這一方面的研究尚不多見,還有待于逐漸探索和完善。

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