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低温空气能热泵的现状与发展

低温空气能热泵的现状与发展

热泵作为一种节能技术受到了世界各国的普遍重视,而空气源热泵可从环境大气中吸取丰富的低品位能量,使用方便,安装费用较低,因此,空气源热泵成为热泵诸多型式中应用最为广泛的一种。但是,空气源热泵的应用范围受到气候条件的约束。随着室外温度的降低,用户的需热量不断增加。当室外气温很低时,空气源热泵的制热量不能满足用户采暖要求。同时,随着压缩机压力比的增加,其 COP 急剧下降,排气温度迅速升高,从而导致压缩机不能正常运行甚至损坏。国内外学者针对这样的问题提了不同的解决方案。通过对一些低温空气源热泵研究成果的分析比较,对更好地促进空气源热泵技术的发展具有积极意义。

当今世界,节能与环保问题日益提上日程。以燃煤为基础的供暖模式所带来的负面影响越来越不能适应社会可持续发展的要求。空气源热泵以其独特优
点成为热泵诸多型式中应用最为广泛的一种,但是它的应用受到气候条件的约束。随着室外气温的不断下降,室内采暖热负荷会不断增加,同时传统空气源热泵将会产生下列问题:
(1)随着室外气温的降低,制冷剂吸气比容增大,机组吸气量迅速下降,从而减少热泵系统的制热量,不能满足室内最大采暖热负荷。
(2)由于压缩机压缩比的不断增加,压缩机的排气温度迅速升高。在很低的室外温度下,压缩机会因防止过热而自动停机保护,这使得热泵只能在不太低的室外气温下运行。

(3)由于压缩机压力比的增大,系统的性能系数(COP)急剧下降。
(4)如果热泵只为低温情况下设计,那么它的制热量远远大于较高室外温度下所需热负荷。当热泵在较高室外温度情况下运行时,需要循环的启闭来减少其制热量,这样会降低系统性能。针对传统空气源热泵的以上局限性,国内外专家学者纷纷提出了不同的解决方案。其中包括:带中间冷却器或经济器的二级压缩热泵系统,带经济器的准二级压缩热泵系统,以提高润滑油流量来冷却压缩机的热泵系统,采用变频技术、辅助加热器、复叠式蒸汽压缩的热泵系统,以及双级耦合热泵系统等。本文主要介绍以上提及的针对寒冷地区空气源热泵的解决方案,并做出分析比较,这对于更好地促进空气源热泵技术的发展具有积极的意义。

1 低温空气源热泵的现状与发展

空气源热泵应用于寒冷地区冬季制热时,系统制热量随着室外温度的降低而迅速下降。同时,随着吸气压力的降低,压缩机压力比迅速升高,导致排气温度急剧上升。解决空气源热泵的低温适应性,主要应从以下几方面着手研究:增加低温工况下系统工质循环量、控制机组排气温度、优化机组压缩机内部的工作过程、选用适用于大工况范围的制冷剂。通常在同一个低温空气源热泵系统中综合了多个解决途径[1]。

1.1 单级低温热泵系统

在室外温度为 -30 ℃,冷凝温度为 60 ℃的工况下,采用专为低温制冷设计的压缩机的单级热泵系统仍然可以稳定运行。这种压缩机主要采用 R507、R404为工质,在大压缩比下仍可稳定运行,不会因过热而停机。但是相对其他低温热泵系统来说,它的 COP 相对较低。同时,由于压缩机专为低蒸发压力工况设计,在较高室外气温下其性能降低。随着室外温度的升高,系统的制热量逐渐增加,但是室内采暖热负荷减小,这使得热泵系统运行时间短,从而降低系统运行效率。单级低温热泵系统可以综合变频技术、并联压缩机或可替换压缩机方式、蓄热系统,但是这样会增加单级系统的投资,从而丢掉了其最大的优点——低廉的安装费用[1]。

1.2 带油冷却的单级压缩热泵系统

在压缩过程中使用在排气管路中分离出的大量的油来降低制冷剂温度是另一种降低排气温度的方法。带油冷却的单级压缩热泵系统流程见图 1。

冷却过程发生在冷凝器中,换热后的油回到压缩机油路进口。较低的排气温度使得压缩机输入功率减小,同时系统在较低的吸气压力下进行。但是油的温
度高于蒸发温度,因而增加了系统过热度,从而增加压缩机功耗,同时降低了系统 COP。总之,如果系统设计合理,在不用过多增加安装费用的情况下可以提高系统的运行效率,并且可以在较低室外温度下稳定运行。

1.3 带中间冷却器的二级压缩热泵系统

带中间冷却器的二级压缩热泵系统流程见图 2。这种系统主要是应用于蒸发温和冷凝温度相差较大的工况,并且在室外气温较高时可以单独使用一个压缩机,从而减少制热量。通过两级压缩之间对制冷剂的冷却,第二级压缩后的排气温度明显降低,这使得空气源热泵运行的温度适应性大大提高。但是由于中间冷却器是由循环热水来进行冷却,这样冷却器的温度较高,低压级压缩机的制冷剂不能被冷却至饱和状态,这样会使得系统运行不能达到最佳 COP。

 

1.4 带经济器的二级压缩热泵系统

带经济器的二级压缩热泵系统流程见图 3。在带经济器的二级压缩热泵系统高压级压缩机吸气处,一定量的两相制冷剂与低压级压缩机排出的高温气态制冷剂相混合。这样压缩机排气温度过高现象得以解决,同时,由于经济器中的换热,使得从冷凝器出来的制冷剂在进入膨胀阀之前过冷,从而提高系统的COP。但是该系统要准确控制好进入高压级压缩机制冷剂状态。带经济器的二级压缩热泵系统相对于其他低温热泵系统有较高的运行效率。但是它的安装费用较高,在逆运行除霜及空调用方面有一定的局限性。

 

1.5 带经济器的准二级压缩热泵系统

在 80 年代中期国内学者提出了带经济器的准二级压缩热泵系统,并在螺杆机组中得到成功应用[2]。经研究,在 -30 ℃工况下,该系统完全可以取代双级压缩系统。但是螺杆机组容量一般较大,同时其相对于双级压缩系统的优点随蒸发温度的上升而不明显,长期以来它的研究仅仅局限于低温制热情况。

带辅助进气口的涡旋压缩机实现带经济器的准二级压缩空气源热泵于 2000 年被提出,用来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能。经济器系统分为
过冷器系统和闪发器系统。带过冷器的涡旋压缩机准二级压缩热泵系统流程见图 4[3]。该系统结构简单,无需对常规系统进行很大改造。在较低环境温度时能够稳定运行,且制热量能够满足冬季采暖热负荷。通过启闭补气回路的截止阀来实现准二级压缩模式与单级压缩模式之间的转换,使系统在正常制热 / 制冷及低温制热工况下的经济性得到较好兼顾。带闪发器的涡旋压缩机准二级压缩热泵系统流程见图 5。通过理论与实验数据的分析比较得出:在
低温工况下,闪发器前节流系统比过冷器系统更能有效地提高空气源热泵的低温制热性能[4],同时由于其结构简单,成为寒冷地区用小型空气源热泵的较佳选择。

 

1.6 双级耦合热泵系统

双级耦合热泵系统[5]由一级侧循环(空气—水热泵机组)和二级侧循环(水—水热泵机组)通过中间水环路耦合在一起,其流程见图 6。该系统可根据室外气温进行单、双级交替运行,使其可以很好地适应室内负荷波动。在双级工况下,一级侧循环运行条件和供暖特性均得以有效改善,且中间水环路不存在回灌等技术难题。因此,双级耦合热泵系统也是一种适用于寒冷地区的新型供暖系统。

 

1.7 其他解决方案

1.7.1 采用变频技术

温工况可靠性问题而不能保证其经济性,此时系统 COP 下降幅度非常大。同时,噪声的增加、高频运行回油问题、电磁兼容问题及变频器价格问题成为该方案推广的障碍。

1.7.2 采用辅助加热器系统

通过采用辅助加热器来提高机组的蒸发温度,解决由于蒸发温度过低和压缩比过高而造成的制冷剂循环量不足和欠压缩问题,从而改善机组运行环境。

但是该系统形式较为复杂,燃料释放的热量不能充分利用,阻碍了该系统的发展前景。

1.7.3 复叠式蒸汽压缩系统

复叠式蒸汽压缩系统早已应用到制冷行业,相对其他二级压缩系统,该系统可以采用两种不同的制冷剂作为工质,使得每种制冷剂可在其最佳设计工况范
围内工作。但是随着室外温度的升高,其在高压比下运行的较高 COP 值将会减小。当压缩机运行压缩比低于设计压缩比时,压缩机运行效率迅速下降。同时,由于复叠式蒸汽压缩系统不能单独运行一个压缩机,使得系统很难在部分负荷下运行。

1.8 各方案的分析比较

本文就空气源热泵的低温适应性问题,列出了国内外一些典型解决方案。其形式及特点比较见表 1。

2 结论

针对空气源热泵低温适应性问题,本文列出了国内外的一些解决方案,分析了其优缺点并进行相互比较。由于在一个低温空气源中可综合多种解决方案,
通过对各种低温空气源热泵的性能分析,有助于低温空气源热泵的发展与完善,这对于空气源热泵技术的发展具有重要意义