李勇
摘? 要:熱泵是當(dāng)前新能源技術(shù)應(yīng)用的重要支撐,其能將低位熱能轉(zhuǎn)化為高位熱能,滿足人們的實(shí)際應(yīng)用需要。本文在闡述低溫條件對(duì)空氣源熱泵影響的基礎(chǔ)上,就低溫空氣源熱泵的設(shè)計(jì)及應(yīng)用要點(diǎn)展開分析,期望能為低溫空氣源熱泵高效應(yīng)用提供保證。
關(guān)鍵詞:低溫空氣源;熱泵;設(shè)計(jì);應(yīng)用
可持續(xù)發(fā)展理念下,熱泵系統(tǒng)作為一種全新化的熱能源應(yīng)用設(shè)備而得到了廣泛應(yīng)用。然從低溫氣候空氣源熱泵運(yùn)作效率來看,其在蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流結(jié)構(gòu)、除霜方式等方面上存在一定問題,這使得設(shè)備的運(yùn)作性能和穩(wěn)定性受到較大影響,有必要進(jìn)行低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
一、低溫條件對(duì)空氣源熱泵的影響
空氣源熱泵由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)四大組件構(gòu)成。在實(shí)際運(yùn)作中,壓縮機(jī)會(huì)排出具有較高溫度和壓力的冷媒,這些冷媒會(huì)在冷凝器中冷凝液化,進(jìn)而釋放大量的熱能。同時(shí),節(jié)流后的冷媒會(huì)在蒸發(fā)器中蒸發(fā),從環(huán)境中吸收大量熱能,由此實(shí)現(xiàn)了低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹挠行мD(zhuǎn)化。
低溫條件對(duì)空氣源熱泵的運(yùn)作具有較大影響。其中,蒸發(fā)器、冷凝器是影響最強(qiáng)烈的兩個(gè)單元。就蒸發(fā)器而言,一旦采用低溫空氣作為空氣源,則蒸發(fā)器的翅片會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)因素而導(dǎo)致易結(jié)霜;同時(shí)當(dāng)制冷劑流向設(shè)計(jì)、風(fēng)扇位置存在缺陷時(shí),蒸發(fā)器還會(huì)出現(xiàn)換熱不均問題,使結(jié)霜現(xiàn)象更加惡化;此外,低溫條件下熱泵系統(tǒng)的冷媒循環(huán)量會(huì)減小,也會(huì)使得蒸發(fā)器出現(xiàn)分液不均。這些都降低了空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性和高效性。而在冷凝器使用中,當(dāng)冷凝溫度較低時(shí)也會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器頻繁結(jié)霜,因此冷凝溫度需要盡可能高點(diǎn)。但冷凝溫度高,壓縮機(jī)的排氣溫度也高,這樣一方面增加了壓縮機(jī)的能耗,降低了熱泵系統(tǒng)的運(yùn)作效率;另一方面,當(dāng)壓機(jī)的排氣溫度過高時(shí),可調(diào)速壓機(jī)出于自身保護(hù)會(huì)進(jìn)行降速,這樣熱泵系統(tǒng)的輸出能力又減小了。這些都使得既有空氣源熱泵機(jī)組在低環(huán)溫運(yùn)行時(shí),性能都大打折扣,甚至不能運(yùn)作。
二、基于低溫空氣源的熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1、熱泵蒸發(fā)器設(shè)計(jì)
對(duì)于熱泵蒸發(fā)器的設(shè)計(jì),翅片間距跟形狀、迎風(fēng)管排數(shù)和風(fēng)速、空氣濕度、制冷劑流向等都是較為主要的影響因素;其中,翅片間距和形狀的影響較為強(qiáng)烈。就翅片的間距而言,間距過小會(huì)使得蒸發(fā)器結(jié)霜的速度較快,從而增加了空氣流動(dòng)的阻力;對(duì)此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,應(yīng)基于蒸發(fā)器和空氣間的換熱、流動(dòng)性能最優(yōu)來設(shè)計(jì)翅片間距,通常情況下,翅片的間距應(yīng)不小于1.8mm[1]。其次,在翅片設(shè)計(jì)中,可考慮使用外加電場(chǎng)的方法來延緩結(jié)霜速度。此外,翅片表面還可通過噴親水顏料的方式來延緩結(jié)霜,以及在機(jī)組底盤設(shè)置加熱裝置,不斷提升蒸發(fā)器的運(yùn)作性能。
2、熱泵冷凝器設(shè)計(jì)
冷凝器在空氣源的熱泵作業(yè)中發(fā)揮著重要作用。在低溫空氣條件下,熱泵所產(chǎn)生的熱能會(huì)比正常條件下少很多,在這種情況下,冷凝器很少會(huì)出現(xiàn)能力不足問題。熱泵系統(tǒng)若未采用變頻設(shè)計(jì),則不需要對(duì)冷凝器進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)。而當(dāng)系統(tǒng)采用了變頻設(shè)計(jì)或多級(jí)壓縮作業(yè)方式,則熱泵所產(chǎn)生的熱能與冷凝器結(jié)構(gòu)具有對(duì)應(yīng)性,此時(shí)應(yīng)根據(jù)具體系統(tǒng)對(duì)應(yīng)考慮冷凝器的面積,以此來實(shí)現(xiàn)冷凝換熱的最佳性能。
3、熱泵節(jié)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
低溫空氣源熱泵使用時(shí),其低位熱源溫度差異較大,這對(duì)熱泵系統(tǒng)的節(jié)流機(jī)構(gòu)提出了新的較高要求。既有空氣源熱泵采用的熱力膨脹閥不能滿足低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求?;谛滦枨?,設(shè)計(jì)可采用雙電子膨脹閥進(jìn)行冷媒流量的變化調(diào)節(jié)。在熱泵系統(tǒng)運(yùn)作中,當(dāng)?shù)臀粺嵩礈囟劝l(fā)生較大變化時(shí),電子膨脹閥會(huì)結(jié)合所采集的數(shù)據(jù)當(dāng)前工況進(jìn)行分析,隨后進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié),從而確??諝庠礋岜眠\(yùn)作的穩(wěn)定性。
4、壓機(jī)的選型設(shè)計(jì)
基于低溫環(huán)境條件對(duì)熱泵系統(tǒng)性能的影響,為充分滿足應(yīng)用需求,可采用低溫性能較好的噴氣增焓型壓縮機(jī),避免普通壓機(jī)低環(huán)溫下排氣過高和能力輸出不足的問題。
5、氣液分離器和儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)
低溫空氣源條件下,針對(duì)空氣源熱泵的設(shè)計(jì),還應(yīng)注重氣液分離器、儲(chǔ)液罐的有效規(guī)劃。具體而言,在低溫條件下,一旦熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī),則制冷劑會(huì)局部地往蒸發(fā)器內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移;在熱泵下次開啟瞬間,壓縮機(jī)內(nèi)部會(huì)流入較多的液體,這不僅降低了壓縮機(jī)的運(yùn)作性能,而且容易使得壓縮機(jī)發(fā)生損壞?;诖藨?yīng)增設(shè)氣液分離器進(jìn)行保護(hù)。就氣液分離器而言,可將其設(shè)置在壓縮機(jī)之前,避免熱泵開機(jī)前液體進(jìn)入到壓縮機(jī)當(dāng)中。此外,針對(duì)儲(chǔ)液罐的設(shè)計(jì),要求盡可能地增大冷凝器的容積,同時(shí)確保其容積接近蒸發(fā)器容積,這樣就可取消儲(chǔ)液器設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化;而當(dāng)冷凝器容積無法再進(jìn)行調(diào)整時(shí),則應(yīng)根據(jù)前端液體的實(shí)際流量,增設(shè)儲(chǔ)液罐進(jìn)行冷媒管理。需注意的是,儲(chǔ)液罐應(yīng)留有一定富余,同時(shí)應(yīng)合理設(shè)置儲(chǔ)液罐引流裝置,及時(shí)清理儲(chǔ)液罐,為壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)作創(chuàng)造有利條件。
6、除霜方式設(shè)計(jì)
低溫環(huán)境條件容易使得空氣源熱泵在運(yùn)作中出現(xiàn)冷凝霜,因此還需注重除霜方式的有效設(shè)計(jì)。就目前而言,熱氣旁通除霜、電除霜、四通閥反向除霜等都是較為常用的除霜方式。就熱氣旁通除霜而言,其在系統(tǒng)內(nèi)部的壓縮機(jī)出口處增加一個(gè)旁通的閥門,該閥門聯(lián)通蒸發(fā)器,隨后通過升溫條件控制即可達(dá)到除霜目的。電除霜中,人們?yōu)檎舭l(fā)器增設(shè)除霜盤管,隨后通過電加熱方式進(jìn)行除霜。此外,還可通過四通閥來切換熱泵的工作狀態(tài),有效去除熱泵中的冷凝霜,提升設(shè)備運(yùn)作效率。低溫空氣源熱泵系統(tǒng)帶四通閥時(shí)當(dāng)優(yōu)先采用四通閥反向除霜的方式,當(dāng)其不帶四通閥時(shí)優(yōu)先考慮熱氣旁通除霜。翅片電除霜一般較少考慮。
三、低溫空氣源熱泵的實(shí)際應(yīng)用
1、項(xiàng)目概況
某建筑為工程管理站辦公樓,建筑地上5層,總建筑面積為2800m2,從建筑結(jié)構(gòu)布局形體來看,建筑為南北朝向,熱工性能符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。在建筑采暖設(shè)計(jì)中,工程采用空氣源熱泵采暖系統(tǒng),在冬季,該地區(qū)室外溫度為零下14℃,而室內(nèi)溫度要求保持在20℃,為低溫空氣源熱泵采暖應(yīng)用。
2、低溫空氣源熱泵應(yīng)用過程控制
基于低溫環(huán)境對(duì)熱泵運(yùn)作性能的影響,本項(xiàng)目在空氣源熱泵應(yīng)用初期,先進(jìn)性房間負(fù)荷的確定及空氣源熱泵選型的確定。就房間負(fù)荷而言,考慮建筑總熱負(fù)荷需要及節(jié)能需要,然后根據(jù)熱源富余量不超過10%的要求,進(jìn)行空氣源熱泵機(jī)組選型。同時(shí),合理布局熱泵機(jī)組擺放形式,確保整個(gè)機(jī)組安裝部位無障礙物,無遮擋,同時(shí)通風(fēng)狀況良好,項(xiàng)目將熱泵機(jī)組安裝在陽臺(tái)或屋頂?shù)炔课?,并且確保安裝位置能承受室外機(jī)自重的2~3倍重量,為機(jī)組的高效運(yùn)作創(chuàng)造了有利條件。最后,對(duì)熱泵的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行管理,針對(duì)白天夜間不同的環(huán)境溫度設(shè)置不同的采暖目標(biāo)溫度,確保該低溫空氣源熱泵滿足項(xiàng)目采暖需要的同時(shí)盡可能的節(jié)能。
3、項(xiàng)目應(yīng)用效果
項(xiàng)目投入運(yùn)行后,經(jīng)過1個(gè)完整采暖季節(jié)的運(yùn)行,該低溫空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、效果良好,能滿足用戶采暖需求,也受到了用戶的好評(píng)。從后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)看,采暖季房間溫度白天平均維持在28℃,夜間維持在22℃,日平均運(yùn)行時(shí)間約16小時(shí)。
結(jié)論
低溫環(huán)境條件對(duì)于空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用具有較大影響。只有充分認(rèn)識(shí)到低溫環(huán)境條件對(duì)熱泵系統(tǒng)的影響,然后在熱泵蒸發(fā)器、熱泵冷凝器、熱泵節(jié)流機(jī)構(gòu)、壓縮機(jī)、氣液分離器和儲(chǔ)液罐、除霜方式等要素針對(duì)設(shè)計(jì)的同時(shí),加大空氣源熱泵機(jī)組應(yīng)用管理,才能有效提升空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用效率和穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能的有效轉(zhuǎn)化。
參考文獻(xiàn)
[1]? 王超,趙蕾,李延,等.制冷劑噴入技術(shù)在空氣源熱泵中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].制冷學(xué)報(bào),2019(5):13-25.