空气源热泵技术及研究进展与使用

空气源热泵技术及研究进展与使用

秦振春

一、热泵技术介绍

热泵原理：

热泵可以把热量从低温传递到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体）。

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

热泵制热系数εh值恒大于1。因此，采用热泵技术可以节约大量的电能。

热泵技术发展史：

19世纪初，英国物理学家J.P.Joule提出了“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的Lord Kelvin勋爵）发表论文，提出了热量倍增器（Heat Multiplier）的概念，首次描述了热泵的设想。

二战以后，工业经济的长足发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供热及工业用热泵的发展。1973年的全球性能源危机，进一步促进了热泵在全世界范围内的发展。但热泵在世界范围内的大规模商业应用是最近20年的事，如美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45，000台，到目前为止已安装了400，000台，而且每年以10％的速度稳步增长。

我国的热泵工业相对于世界上工业发达国家的热泵的发展应用来说有一段滞后期。我国热泵的发展从工业上应用开始，然后才用于空调并逐步进入家庭，这也与日本及其他国家的热泵发展过程相似。

目前，在世界范围内热泵作为空调商品已处于成熟期，在我国也处于迅速发展期。热泵，作为一种环保节能的产品，它不仅在工业农业应用上，更多的将在空调应用上在我国发挥越来越重要的作用。

热泵的分类:

热泵的分类多种多样，如果按同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-空气热泵

空气-水热泵

水-水热泵

水-空气热泵

土壤-空气热泵

土壤-水热泵

二、空气源热泵

空气源热泵的特点:

1、空调系统冷热源合一，不需要设专门的冷冻机房、锅炉房。

2、无冷却水系统，无冷却水系统动力消耗，无冷却水损耗。

3、由于无锅炉、无相应的燃料供应系统，无烟气，无冷却水，系统安全、卫生、简洁。

4、系统设备少而集中，操作、维护管理简单方便。

5、规格齐全，工程适应性强，利于系统划分，可分层、分块、分用户单元独立设置系统等。

6、夏天运行COP值较水冷机组较低，耗电较多，冬季运行节省能源消耗。对于南京这样冬冷夏热城市的一般建筑而言，热泵系统的全年能耗低于水冷机组加锅炉的空调系统。

7、造价较高。

8、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。

9、热泵机组的噪音较大，对环境及相邻房间有一定影响。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。

10、空气源热泵的性能随室外气候变化明显。

三、我国空气源热泵的研究的研究现状

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,处处都有,无偿获取。空气源热泵则安装灵活、使用方便、初投资相对较低,且比较适用于分户安装,目前我国室内空调器大都采用的是这种形式。目前我国空气源热泵冷热水机组生产厂家已由1995 年的十几家发展到现在的四十多家,据不完全统计,国内销售的机组已逾45 个品牌,其中国产机组约占25 %左右,其余为合资产品,台资产品和进口产品。

我国空气源热泵研究状况：

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,这也就是为什么空气源热泵在寒冷、潮湿地区的应用受到限制的原因。所以说,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。

为了对空气源热泵结霜除霜所带来的损失进行量化的分析,有研究提出了不同地区、不同使用情况下的平均结霜除霜损失系数的概念,平均结霜除霜损失系数越大的地区应用空气源热泵越不经济。据此,将我国空气源热泵使用地区根据平均结霜损失系数分成4 类:低温结霜区: 如济南、北京、郑州、西安、兰州等;轻霜区:如成都、桂林、重庆等;重霜区:如长沙;一般结霜区:如杭州、武汉、上海、南京、南昌、宜昌等。这些都可以作为热泵设计选用中重要的参考依据。` 2 . 空气源热泵节能问题的研究

火用是对系统能的质与量的综合评价。对系统进行火用分析可以揭示出系统中火用损失的部位、类型和数量,以便设法减少这些损失。通过火用计算分析可知,压缩功只有20 %被利用,而有80 %被损失,其中,压缩机火用损失占30. 7 % ,冷凝器占20.14 % ,蒸发器占17.15 % ,毛细管占10 %。冷凝器和蒸发器火用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( + 锅炉) 这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,但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

②对蒸发器的计算模拟

③系统仿真研究

4. 其它

近来针对热泵分户计量的需要,有观点在对传统的计量方法进行比较分析的基础上提出了用比率法测量热泵制热量的新思路,并结合实际测量给出了应用评价

变频技术在空气源ＶＲＶ热泵中的应用是一项新技术。根据对大金变频控制热泵式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。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

空气源热泵有待解决的问题及改进方向:

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,随着室外环境的恶化而恶化，热泵的工作性能急剧下降,又反过来加剧了室外环境的恶劣程度。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),严重时将损坏压缩机,使系统不能正常运转,同时,结霜还将使机组运行费用增加。

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。

四、空气源热泵的应用:

南京是个夏季热、冬季冷，湿度又高的城市，尽管许多人对南京地区冬季热泵供暖的可靠性和合理性持一定的怀疑态度，但由于空气源热泵的上述某些优点，空气源热泵冷热水机组在南京的发展也相当的快。二十世纪九十年代初南京就有工程开始采用空气源热泵冷热水机组。至1995—1998年投入使用的空气源热泵数量明显增加。空气源热泵冷热水机组为冷热源的项目中有商场、写字楼、办公楼、酒店、厂房、综合楼等。

这几年空气源热泵冷热水机组在南京的发展很快，且大多数工程的热泵空调系统还是能基本满足所需的制冷供热要求的。下面就几个典型工程的情况作些介绍。

长江贸易大楼1991年设计，1994年建成投入使用的现代化写字楼，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6台，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。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。

明日大酒店，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，实际只用2台。冬季使用效果良好，某晚，室外温度0-2℃，天气多云，热泵出水温度维持在39-41℃，客房内温度可达25℃。下雪天气，热泵仍能正常运行。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，其室内噪单约为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。

说下地源热泵与空气源热泵技术比较分析

地源热泵包含了抽地下水方式、埋管方式、抽取湖水或江河水方式等，抽取湖水或江河水方式造价最低，埋管方式最贵，但最好。

只要有足够的场可地埋设管道(地下冷热交换装置)或ZF允许抽取地下水的就应该优先考虑选择地源热泵中央空调。地源热泵中央空调如此节能是应为地源热泵技术借助了地下的能量，地下的能量还是来至于太阳能，“我们的脚下就有石油”这句话说的太好了，也很形象。但空气能热水器也有独特的优势是其他产品不能比拟的。“安全+省钱+舒服+环保”：1、安全：不用燃气，不会产生任何废气，更不会出现“煤气中毒”;不用电加热棒加热，不会有漏电危险，呵护家人健康安全。空气能2、省钱：COP值超过3以上，能效比高，绝对省电、省钱。可节省2/3~3/4的电费支出，或节省1/2~2/3的燃气费支出及太阳能热水器的辅助加热费用。3、舒适：专利技术-过流式间接加热，全自动定温有压供水，在使用热水时绝不会忽冷忽热，热水有压力，舒适感好。全天候、全年候供水，弥补了太阳能热水系统阴雨天、晚间、无阳光、上冻时无热水可用的尴尬。4、环保：空气(热泵)热水器排出的冷风，有利于降低室温。

一、浅层地热能源

在太阳的辐射照耀下，地球成为太阳能的巨型“存贮器”，在地壳浅层的水体和岩土体中贮存了大量清洁的可再生能源，称为浅层地热能，简称地源。

二、热泵技术

是近代科学发明的一种节能技术。向热泵机组输入一定电能驱动压缩机作功，使机组中的工质(如R22、R134a)反复发生蒸发吸热和冷凝放热的物理相变过程，就能实现空间上的热量交换和传递转移。

三、地源热泵中央空调系统

是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。其工作原理是：冬季，热泵机组从地源(浅层水体或岩土体)中吸收热量，向建筑物供暖;夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地源中，实现建筑物空调制冷。根据地热交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。

B、应用条件

一、地下水地源热泵系统应用条件：

1、建筑项目附近地下水资源丰富，并便于实施供回水工程。

2、地方政策允许利用地下水。

3、地下水温适度，水质适宜，供水稳定，回灌顺畅。

二、地表水地源热泵系统应用条件：

1、建筑项目附近有丰富的地表水(例如：江水、河水、湖水、海水、水库水、污水、中水、地热尾水、工业废水等等)。

2、水量充足，水温适度，水质经简单处理能达到使用要求。

三、土壤源热泵系统(地埋管)应用条件：

1、建筑物附近缺乏水资源或因各种因素限制，无法利用水资源。

2、建筑物附近有足够场地敷设“地埋管”(例如：办公楼前后场地、别墅花园，学校运动场等等)。

C、设计理念

“在满足人们冷热基本需求的前提下，最大限度地实现环境保护和能源节约，同时创造优良的室内空气品质”这是清华同方对空调产品的诠释。

“环保、节能、节水、满足用户需要”是研发设计的主题理念。

一、环保

水源热泵利用地表土壤和水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，无燃烧，无排烟，无废弃物，无污染，是一种清洁环保的利用可再生资源的一种技术。

二、节能

设计先进，能效高，制热时在4.0以上，制冷时在5.0以上，最高可达7.1。

三、节水

换热器采用“大温差，小流量”设计思路进行设计，机组用水量比传统设计节省40%。

四、节资

通过一套系统来实现供冷和供热需求，一次性投资只是传统制冷制热投资的1/2-2/3;运行费用只有传统方式的1/2-2/3。

五、可靠

采用分系统完全独立的模块化设计，部件数量少，品质精良，设置多种安全保护功能。充分考虑多系统的协调统一控制，可实现计算机远程操作，使机组更具人性化和智能化。

空气源热泵技术

1.空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术。

空气源热泵系统通过自然能(空气蓄热)获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取(供)暖或供应热水，整个系统集热效率甚高。

2.热泵有四大优点，第一是节能，有利于能源的综合利用，第二点是有利于环境保护，第三点是冷热结合，设备应用率高，节省出投资，第四因为它是电驱动，所以它调控比较方便，因此热泵备受大家的关心。

3.热泵技术就二十一世纪的一个能源技术，能通过热泵的形式，可以提高能效的利用，能效的利用有两个含义，从环境角度来讲，可以减少温室气体的排放，减少对环境的有害的因素，从另外一个方面来说，就是解决电力高空负荷的一项技术。

4.热泵用逆卡诺原理，以极少的电能，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能，传输至水箱，加热热水，所以它能耗低、效率高、速度快、安全性好、环保性强，源源不断的供应热水。作为热水系统它具有无以比拟的优点。

5.热泵热水机组遵循能量守恒定律和热力学第2定律，运用热泵的原理，只需要消耗一小部分的机械功(电能)，将处于低温环境(大气或地下水等)下的热量转移到高温环境下的热水器中，去加热制取高温的热水。热泵可以与水泵相比拟，水是不能自发地从低处流向高处，要将低处的水输送到高处，必须用一台水泵，消耗一部分电力，才能将水送到高处的水箱中。同样，根据热力学第二定律，热量也是不能自发地从低温环境向高温环境中转移(传送)，而要实现这个目的，必须要有一台机器，消耗一部分机械功(例如电能)，才能将低温环境中的热量传送到高温环境中去。这样的机器就称之为“热泵”。热泵的作用是将空气中或低温水中的热量取出，连同本身所用的电能转变成的热能，一起送到高温环境中去应用。