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空气能热泵机组低温适应性问题综合分析

空气能热泵机组低温适应性问题综合分析

 

当室外环境温度降低时,热泵循环的各个过程都会受到影响。

(1)对蒸发过程的影响:

室外环境温度降低时,室外空气的焓值降低,在保持制冷剂与室外空气换热温差以及风量不变的情况下,制冷剂在低压侧蒸发器的吸热量逐渐降低,从而使系统的制热量降低。

(2)对压缩过程的影响:

室外温度降低时,压缩机吸气压力降低,在冷凝温度不变的情况下,压缩机压比增大,压比增大会导致压缩腔制冷剂泄漏损失加大,容积效率降低,压缩机偏离最佳运行工况运行。并且,压缩机的电机效率损失和机械损失也会逐渐增大,进而导致使压缩过程的不可逆损失增加。压比增大还会导致压缩机排气温度升高,超出压缩机正常的工作范围,致使压缩机频繁启停,严重时系统无法正常工作。

(3)对冷凝过程的影响:

压缩机排气温度升高,进入冷凝器高温高压制冷剂气体温度将会远远超过对应的饱和温度,而在冷凝器中有一大部分的换热面积为制冷剂与水的显热交换。由于显热换热时换热器壁面换热系数要远远小于两相区的换热系数,因此换热过程中降低了冷凝器的整体换热效率,导致供热量减少。

(4)对节流过程的影响:

在低温工况下运行时,低压侧蒸发器中制冷剂蒸发压力降低,且系统制热量下降,使系统供回水温度下降,冷凝压力下降,热力膨胀阀上下膜片的压差减小,严重时会超出节流装置正常的调节区间,致使机组启动困难以及机组运行时系统偏离正常设计运行工况,制热量下降。面对空气源热泵在低温环境下遇到的这些问题,国内外研究学者也提出了一些相应的解决方案。

 

(1)双级压缩热泵循环系统

双级压缩热泵循环系统通过中间冷却器补气的方式来解决机组在低温环境下的压比过大,排气温度过高问题。田长青等[13]提出把变频技术应用到双级压缩空气源热泵机组中,但是该系统无法确定最佳输气量,无法使机组在最佳中间压力下运行。王伟等[14]提出以制冷剂 R134a 为工质,在低压侧蒸发温度为-30℃,高压侧冷凝温度为60℃的情况下,两级压缩中间不完全冷却系统的压比及排气温度均低于单级压缩系统,而制热 COP 高于单级压缩系统,并指出单双级压缩系统切换的室外环境温度,但是作者只是通过理论计算得出该结论,并没有实际的实验验证。Zehnder[15]对双级压缩提出一种回油方案,该方案可以解决机组连续运行时出现的高压机油位低于正常油位问题,但此系统过于复杂,实际应用价值并不大。

 

(2)补气增焓系统

补气增焓系统即采用具有喷气增焓作用的压缩机及经济器的空气源热泵系统。Cao 等[16]对补气增焓系统采用混合制冷剂进行实验研究,结果表明该系统可以有效的增加冷凝功率,提高机组能效比。Ma 等[17]研究发现,带闪发器的补气增焓系统在低温环境下制热效率优于带过冷器的补气增焓系统,但是该系统目前阶段并不适用于大中型建筑物。张华俊等[18]发现环境温度在-15℃~-10℃时,系统仍具有较高的制热量与能效比。但随着环境温度的进一步降低制冷剂质量流量减小,补气量减小,此时系统对于能效比的提高幅度十分有限。

(3)复叠式热泵系统

复叠式热泵系统是选用一种中高温制冷剂和一种低温制冷剂并联运行,低温制冷剂从低温室外环境中吸取热量,通过冷凝器放热制取低温热水,高温制冷剂在从低温热水中吸取热量通过冷凝器制取高温热水供用户使用。系统最大的特点是特点是两种制冷剂均可以在比较理想的温度范围内运行。复叠式热泵的制热研究仍处于实验阶段,且系统过于复杂,目前阶段并不适用于实际的供暖工程。

(4)新工质替代

由于传统 R22 具有对臭氧层严重的破坏作用,致使全球范围内的空调及热泵行业发展面临巨大的挑战,研究开发可以代替传统制冷剂 R22 的新型制冷剂是一项急需解决的课题。

纵观国内外学者的研究,双级压缩系统、补气增焓系统、复叠式热泵系统都是理论上解决空气源热泵在低温环境下的适应性、推动空气源热泵在广大北方寒冷区域的应用的有效途径,不过由于系统运行原理较为复杂且机组制造费用成本较高,目前还没有真正意义上双级压缩热泵、补气增焓热泵或复叠式泵的成熟产品应用于实际的供暖工程中。而在广大北方地区严峻的能源消耗和环境污染的形势下,新工质的替代传统工质,并探索新工质在低温环境下的适应性成为当下的研究热点。