低溫空氣源熱泵的現狀與發(fā)展

  0 引言

 

  當今世界，節能與環(huán)保問(wèn)題日益提上日程。以燃煤為基礎的供暖模式所帶來(lái)的負面影響越來(lái)越不能適應社會(huì )可持續發(fā)展的要求。空氣源熱泵以其獨特優(yōu)點(diǎn)成為熱泵諸多型式中應用最為廣泛的一種，但是它的應用受到氣候條件的約束。隨著(zhù)室外氣溫的不斷下降，室內采暖熱負荷會(huì )不斷增加，同時(shí)傳統空氣源熱泵將會(huì )產(chǎn)生下列問(wèn)題[1]：

 

  (1)隨著(zhù)室外氣溫的降低，制冷劑吸氣比容增大，機組吸氣量迅速下降，從而減少熱泵系統的制熱量，不能滿(mǎn)足室內最大采暖熱負荷。

 

  (2)由于壓縮機壓縮比的不斷增加，壓縮機的排氣溫度迅速升高。在很低的室外溫度下，壓縮機會(huì )因防止過(guò)熱而自動(dòng)停機保護，這使得熱泵只能在不太低的室外氣溫下運行。

 

  (3)由于壓縮機壓力比的增大，系統的性能系數(COP)急劇下降。

 

  (4)如果熱泵只為低溫情況下設計，那么它的制熱量遠遠大于較高室外溫度下所需熱負荷。當熱泵在較高室外溫度情況下運行時(shí)，需要循環(huán)的啟閉來(lái)減少其制熱量，這樣會(huì )降低系統性能。

 

  針對傳統空氣源熱泵的以上局限性，國內外專(zhuān)家學(xué)者紛紛提出了不同的解決方案。其中包括：帶中間冷卻器或經(jīng)濟器的二級壓縮熱泵系統，帶經(jīng)濟器的準二級壓縮熱泵系統，以提高潤滑油流量來(lái)冷卻壓縮機的熱泵系統，采用變頻技術(shù)、輔助加熱器、復疊式蒸汽壓縮的熱泵系統，以及雙級耦合熱泵系統等。

 

  本文主要介紹以上提及的針對寒冷地區空氣源熱泵的解決方案，并做出分析比較，這對于更好地促進(jìn)空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展具有積極的意義。

 

  1 低溫空氣源熱泵的現狀與發(fā)展

 

  空氣源熱泵應用于寒冷地區冬季制熱時(shí)，系統制熱量隨著(zhù)室外溫度的降低而迅速下降。同時(shí)，隨著(zhù)吸氣壓力的降低，壓縮機壓力比迅速升高，導致排氣溫度急劇上升。解決空氣源熱泵的低溫適應性，主要應從以下幾方面著(zhù)手研究：增加低溫工況下系統工質(zhì)循環(huán)量、控制機組排氣溫度、優(yōu)化機組壓縮機內部的工作過(guò)程、選用適用于大工況范圍的制冷劑。通常在同一個(gè)低溫空氣源熱泵系統中綜合了多個(gè)解決途徑。

 

  1.1 單級低溫熱泵系統

 

  在室外溫度為-30 ℃，冷凝溫度為60 ℃的工況下，采用專(zhuān)為低溫制冷設計的壓縮機的單級熱泵系統仍然可以穩定運行。這種壓縮機主要采用R507、R404為工質(zhì)，在大壓縮比下仍可穩定運行，不會(huì )因過(guò)熱而停機。但是相對其他低溫熱泵系統來(lái)說(shuō)，它的COP 相對較低。同時(shí)，由于壓縮機專(zhuān)為低蒸發(fā)壓力工況設計，在較高室外氣溫下其性能降低。隨著(zhù)室外溫度的升高，系統的制熱量逐漸增加，但是室內采暖熱負荷減小，這使得熱泵系統運行時(shí)間短，從而降低系統運行效率。單級低溫熱泵系統可以綜合變頻技術(shù)、并聯(lián)壓縮機或可替換壓縮機方式、蓄熱系統，但是這樣會(huì )增加單級系統的投資，從而丟掉了其最大的優(yōu)點(diǎn)———低廉的安裝費用。

 

  1.2 帶油冷卻的單級壓縮熱泵系統

 

  在壓縮過(guò)程中使用在排氣管路中分離出的大量的油來(lái)降低制冷劑溫度是另一種降低排氣溫度的方法。帶油冷卻的單級壓縮熱泵系統流程見(jiàn)圖1。

 

  冷卻過(guò)程發(fā)生在冷凝器中，換熱后的油回到壓縮機油路進(jìn)口。較低的排氣溫度使得壓縮機輸入功率減小，同時(shí)系統在較低的吸氣壓力下進(jìn)行。但是油的溫度高于蒸發(fā)溫度，因而增加了系統過(guò)熱度，從而增加壓縮機功耗，同時(shí)降低了系統COP?？傊?，如果系統設計合理，在不用過(guò)多增加安裝費用的情況下可以提高系統的運行效率，并且可以在較低室外溫度下穩定運行。

 

  1.3 帶中間冷卻器的二級壓縮熱泵系統

 

  這種系統主要是應用于蒸發(fā)溫和冷凝溫度相差較大的工況，并且在室外氣溫較高時(shí)可以單獨使用一個(gè)壓縮機，從而減少制熱量。通過(guò)兩級壓縮之間對制冷劑的冷卻，第二級壓縮后的排氣溫度明顯降低，這使得空氣源熱泵運行的溫度適應性大大提高。但是由于中間冷卻器是由循環(huán)熱水來(lái)進(jìn)行冷卻，這樣冷卻器的溫度較高，低壓級壓縮機的制冷劑不能被冷卻至飽和狀態(tài)，這樣會(huì )使得系統運行不能達到最佳COP。

 

  1.4 帶經(jīng)濟器的二級壓縮熱泵系統

 

  帶經(jīng)濟器的二級壓縮熱泵系統流程見(jiàn)圖3。在帶經(jīng)濟器的二級壓縮熱泵系統高壓級壓縮機吸氣處，一定量的兩相制冷劑與低壓級壓縮機排出的高溫氣態(tài)制冷劑相混合。這樣壓縮機排氣溫度過(guò)高現象得以解決，同時(shí)，由于經(jīng)濟器中的換熱，使得從冷凝器出來(lái)的制冷劑在進(jìn)入膨脹閥之前過(guò)冷，從而提高系統的COP。但是該系統要準確控制好進(jìn)入高壓級壓縮機制冷劑狀態(tài)。帶經(jīng)濟器的二級壓縮熱泵系統相對于其他低溫熱泵系統有較高的運行效率。但是它的安裝費用較高，在逆運行除霜及空調用方面有一定的局限性。

 

  1.5 帶經(jīng)濟器的準二級壓縮熱泵系統

 

  在80 年代中期國內學(xué)者提出了帶經(jīng)濟器的準二級壓縮熱泵系統，并在螺桿機組中得到成功應用。經(jīng)研究，在-30 ℃工況下，該系統完全可以取代雙級壓縮系統。但是螺桿機組容量一般較大，同時(shí)其相對于雙級壓縮系統的優(yōu)點(diǎn)隨蒸發(fā)溫度的上升而不明顯，長(cháng)期以來(lái)它的研究?jì)H僅局限于低溫制熱情況。

 

  圖4 帶過(guò)冷器的渦旋壓縮機準二級壓縮熱泵系統流程圖帶輔助進(jìn)氣口的渦旋壓縮機實(shí)現帶經(jīng)濟器的準二級壓縮空氣源熱泵于2000 年被提出，用來(lái)提高空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能。經(jīng)濟器系統分為過(guò)冷器系統和閃發(fā)器系統。帶過(guò)冷器的渦旋壓縮機準二級壓縮熱泵系統流程見(jiàn)圖4[3]。該系統結構簡(jiǎn)單，無(wú)需對常規系統進(jìn)行很大改造。在較低環(huán)境溫度時(shí)能夠穩定運行，且制熱量能夠滿(mǎn)足冬季采暖熱負荷。通過(guò)啟閉補氣回路的截止閥來(lái)實(shí)現準二級壓縮模式與單級壓縮模式之間的轉換，使系統在正常制熱/ 制冷及低溫制熱工況下的經(jīng)濟性得到較好兼顧。

 

  帶閃發(fā)器的渦旋壓縮機準二級壓縮熱泵系統流程見(jiàn)圖5。通過(guò)理論與實(shí)驗數據的分析比較得出：在低溫工況下，閃發(fā)器前節流系統比過(guò)冷器系統更能有效地提高空氣源熱泵的低溫制熱性能，同時(shí)由于其結構簡(jiǎn)單，成為寒冷地區用小型空氣源熱泵的較佳選擇。

 

  1.6 雙級耦合熱泵系統

 

  雙級耦合熱泵系統由一級側循環(huán)(空氣—水熱泵機組)和二級側循環(huán)(水—水熱泵機組)通過(guò)中間水環(huán)路耦合在一起，其流程見(jiàn)圖6。該系統可根據室外氣溫進(jìn)行單、雙級交替運行，使其可以很好地適應室內負荷波動(dòng)。在雙級工況下，一級側循環(huán)運行條件和供暖特性均得以有效改善，且中間水環(huán)路不存在回灌等技術(shù)難題。因此，雙級耦合熱泵系統也是一種適用于寒冷地區的新型供暖系統。

 

  1.7 其他解決方案

 

  1.7.1 采用變頻技術(shù)

 

  溫工況可靠性問(wèn)題而不能保證其經(jīng)濟性，此時(shí)系統COP 下降幅度非常大。同時(shí)，噪聲的增加、高頻運行回油問(wèn)題、電磁兼容問(wèn)題及變頻器價(jià)格問(wèn)題成為該方案推廣的障礙。

 

  1.7.2 采用輔助加熱器系統

 

  通過(guò)采用輔助加熱器來(lái)提高機組的蒸發(fā)溫度，解決由于蒸發(fā)溫度過(guò)低和壓縮比過(guò)高而造成的制冷劑循環(huán)量不足和欠壓縮問(wèn)題，從而改善機組運行環(huán)境。

 

  但是該系統形式較為復雜，燃料釋放的熱量不能充分利用，阻礙了該系統的發(fā)展前景。

 

  1.7.3 復疊式蒸汽壓縮系統

 

  復疊式蒸汽壓縮系統早已應用到制冷行業(yè)，相對其他二級壓縮系統，該系統可以采用兩種不同的制冷劑作為工質(zhì)，使得每種制冷劑可在其最佳設計工況范圍內工作。但是隨著(zhù)室外溫度的升高，其在高壓比下運行的較高COP 值將會(huì )減小。當壓縮機運行壓縮比低于設計壓縮比時(shí)，壓縮機運行效率迅速下降。同時(shí)，由于復疊式蒸汽壓縮系統不能單獨運行一個(gè)壓縮機，使得系統很難在部分負荷下運行。

 

  1.8 各方案的分析比較

 

  本文就空氣源熱泵的低溫適應性問(wèn)題，列出了國內外一些典型解決方案。其形式及特點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

 

  2 結論

 

  針對空氣源熱泵低溫適應性問(wèn)題，本文列出了國內外的一些解決方案，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)并進(jìn)行相互比較。由于在一個(gè)低溫空氣源中可綜合多種解決方案，通過(guò)對各種低溫空氣源熱泵的性能分析，有助于低溫空氣源熱泵的發(fā)展與完善，這對于空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。