空氣能熱泵熱水系統性能分析與工藝設計

　　熱泵工作原理

　　一臺壓縮式熱泵裝置，主要有蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過讓工質不斷完成蒸發(吸取環境中的熱量)→壓縮→冷凝(放出熱量)→節流→再蒸發的熱力循環過程，從而將環境里的熱量轉移到水中或空氣中(如圖1所示)。

　　熱泵在工作時，把環境介質中的能量QA在蒸發器中加以吸收;它本身消耗一部分能量，即壓縮機耗電QB;通過工質循環系統在冷凝器中進行放熱QC，QC=QA+QB，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機做的功QB和熱泵從環境中吸收的熱量QA;其制熱系數為εh=QC / QB，可見εh值恒大于1。因此，采用熱泵技術可以節約大量的電能。

　　熱泵的分類多種多樣，按與熱泵的蒸發器和冷凝器換熱的介質不同分類，熱泵可以分為：空氣能熱泵、地源熱泵、水源熱泵等等。

　　空氣能熱泵的研究現狀

　　空氣能熱泵是以空氣作為高溫(低溫) 熱源來進行供熱(供冷) 的裝置。相對于其它熱泵類型而言，我國對空氣能熱泵的研究起步較早，研究內容也較多。以環境空氣作為低品位熱源，可以取之不盡，用之不竭。空氣能熱泵安裝靈活、使用方便、初投資相對較低，且比較適用于分戶安裝，這也就使得我國空氣能熱泵冷熱水機組市場空前繁榮，生產研制已經比較成型，產品規格齊全，品牌繁多。隨著空氣能熱泵在我國應用的日趨廣泛，了解我國空氣能熱泵的研究狀況對于后續研究而言具有重要的意義。

　　1、空氣能熱泵結霜、化霜問題的研究

　　由于空氣能熱泵冬季采用空氣作為熱源，所以，隨著室外溫度的降低，其蒸發溫度也隨之降低，蒸發器表面溫度隨之下降，甚至低于0 ℃。此時，當室外空氣在流經蒸發器被冷卻時，其所含的水分就會析出并依附于蒸發器表面形成霜層。結霜對熱泵是極其不利的，隨著霜層的形成，蒸發器傳熱熱阻增加，蒸發溫度下降，機組的性能下降，工況惡化，制熱量也將下降，這將嚴重影響壓縮機以及熱泵整體的性能。同時，除霜帶來的額外費用還將降低空氣能熱泵的經濟性。盡管空氣能熱泵具有很多優點，但受室外環境的限制也比較大，這也是空氣能熱泵目前僅在我國黃河以南地區得到了廣泛應用的主要原因。而在黃河以北地區，應用空氣能熱泵則根據所處地區不同有其特殊要求。

　　結霜機理、化霜方法一直是空氣能熱泵研究與應用中要解決的重點與難點。目前，有不少關于空氣能熱泵機組冬季運行狀況的研究，主要分析供熱時不同工況下空氣盤管表面濕空氣結霜、結露及干冷卻特性，并結合結霜過程進行試驗和模擬，分析了迎面風速、環境溫濕度、翅片間距、管排數等參數對結霜性能的影響及其可能產生的一系列后果。了解結霜機理的主要目的是要解決如何除霜的問題，傳統的除霜控制方法主要包括：定時除霜法、時間―溫度(壓力)法、空氣壓差控制除霜法、霜層傳感器控制除霜法、聲音震蕩器控制除霜法、最大平均供熱量控制除霜法、最佳除霜時間控制法等。近年來由于計算機技術的發展，將模糊控制技術引入空氣能熱泵除霜問題的研究，作為一項先進可行的新技術，逐漸引起了人們的注意。這主要是因為空氣能熱泵結霜問題的影響是多因素、非線性的，而模糊控制技術的優勢就是處理多維、非線性、時變問題。將模糊控制技術引入空氣能熱泵的除霜控制，通過對除霜過程的系統響應分析，可以使除霜控制能夠自動適應機組工作環境的變化，達到智能除霜的控制要求。此外，還有考慮環境工況變化的雙溫度傳感器智能化除霜控制方法等。`

　　2、空氣能熱泵節能問題的研究

　　節能是對系統能的質與量的綜合評價。對系統進行節能分析可以揭示出系統中?損失的部位、類型和數量，以便設法減少這些損失。通過?計算分析可知，壓縮功只有20%被利用，有80%被損失，其中，壓縮機?損失占30.7%，冷凝器占20.14%，蒸發器占17.15%，毛細管占10%。由此我們可以看出，空氣能熱泵系統節能的主要部件是壓縮機，提高壓縮機本身的技術指標，是提高整個系統?效率的關鍵，而冷凝器和蒸發器?優化措施主要是設法降低傳熱溫差。當然，系統的節能改進與經濟性是相互制約的，僅從能效進行分析有一定的局限性。從這個角度出發，有關研究人員提出供熱最佳經濟平衡點的概念，以期在此最佳經濟平衡點溫度條件下， 整個供熱系統(熱泵+ 輔助熱源)的初投資與運行費最少，從而合理實現熱泵節能優化。此外，通過空氣能熱泵機組與水冷冷水+鍋爐機組、溴化鋰吸收式機組3種方案的經濟性比較可以得出，空氣能熱泵相對于其它兩種形式而言，經濟性上具有顯著的優越性。

　　3、計算機模擬在空氣能熱泵系統中的應用

　　隨著計算機技術的不斷普及，計算機在暖通空調中的應用也日益廣泛。前面所述及的一些研究中有很多也都應用了計算機技術，關于計算機模擬在暖通空調中具有代表性的應用主要有以下幾個方面：

　　(1)對壓縮機的計算模擬

　　采用神經網絡法對空氣能熱泵中螺桿式壓縮機的冬季運行特性進行模擬，并結合誤差反向傳播算法(BP算法)進行調整，結果表明，采用該方法對壓縮機進行建模模擬可以達到較高的精度要求，模擬結果與實驗結果吻合較好。

　　(2)對蒸發器的計算模擬

　　通過對空氣能熱泵的蒸發器結霜問題進行動態模擬計算，可以詳細分析蒸發器結霜和制冷劑充灌量對系統性能所產生的影響。另外，對于采用ε-NTU 法(效率―傳熱單元數法)對空氣能熱泵蒸發器肋片管在干工況、濕工況及結霜工況下的傳熱傳質計算方法也有相關探討。

　　(3)系統仿真研究

　　通過建立房間空調器熱泵運行時的瞬態仿真的數學模型，可以得出房間空調器熱泵運行時的制冷系統參數及房間溫度變化的曲線，這對實現空氣能熱泵系統的自控有很大的意義。 　　(4)系統能耗分析軟件

　　關于空氣能熱泵全年能耗分析應用軟件的開發應用在相關文獻中有所介紹，該軟件在求解熱泵供冷全年能耗時，綜合考慮了空調冷負荷、室外干球溫度、熱泵出水溫度?@3個因素，在求熱泵供熱能耗時，還將室外空氣相對濕度這個重要參數考慮進去，這就使得熱泵供熱能耗計算更為準確，也為空氣能熱泵的應用提供了一個很好的分析方法。

　　4、變頻技術在空氣能熱泵中的應用

　　變頻技術在空氣能熱泵中的應用是一項新技術，根據對變頻控制熱泵式VRV空調系統夏季制冷運行時的節能特性所做的一系列實驗研究，可以獲得夏季部分負荷運行特性。通過在節能方面與普通空氣能熱泵進行比較，證明應用變頻技術以后的空氣能熱泵機組比普通機組更加節能。