在“雙碳”和“清潔供暖”的大背景下,電動(dòng)式熱泵成為業(yè)內(nèi)發(fā)展重點(diǎn)。空氣源熱泵以環(huán)境空氣為低位熱源,具有熱量“處處存在、時(shí)時(shí)可得、隨需而取”的特點(diǎn),已在我國(guó)以多種形式在建筑供暖中規(guī)�；瘧�(yīng)用。
空氣源熱泵的性能受制于自然,其應(yīng)用效果受送風(fēng)形式和室外氣候條件影響,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在工作區(qū)供熱效率偏離實(shí)際性能、熱舒適度低等問(wèn)題,如“低溫”和“結(jié)霜”都是制約空氣源熱泵機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和高效供暖的關(guān)鍵因素。
01—低溫性能提升技術(shù)
傳統(tǒng)空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)時(shí),隨著冬季環(huán)境溫度的降低,會(huì)出現(xiàn)制熱量急劇衰減,制熱能效下降,甚至壓縮機(jī)過(guò)熱燒毀的問(wèn)題。
為解決上述行業(yè)難題,目前可采用在單臺(tái)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)上實(shí)現(xiàn)帶中間補(bǔ)氣的雙級(jí)壓縮技術(shù),即雙級(jí)增焓滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)以及三缸雙級(jí)變?nèi)莘e比壓縮機(jī)。
雙級(jí)增焓滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)將制冷劑的一次壓縮過(guò)程分解為兩次,制冷劑在低壓級(jí)氣缸中壓縮至中壓后排入中間腔,與來(lái)自增焓部件的中壓制冷劑充分混合,然后進(jìn)入高壓級(jí)氣缸進(jìn)行壓縮,達(dá)到高壓狀態(tài)排出,有效解決在低溫環(huán)境下制熱量衰減大、能效低、可靠性差的問(wèn)題。
雙級(jí)壓縮技術(shù)可將空氣源熱泵運(yùn)行范圍由-15℃~43℃拓寬至-30℃~54℃,如采用三缸雙級(jí)變?nèi)莘e比壓縮機(jī),則可將系統(tǒng)最低運(yùn)行溫度拓展至-35℃,大幅提升空氣源熱泵在低溫制熱能力和全工況下的運(yùn)行效率。
(雙級(jí)增焓壓縮和單級(jí)壓縮循環(huán)系統(tǒng)對(duì)比)
煦聯(lián)得當(dāng)前運(yùn)行的節(jié)能項(xiàng)目中所部署的空氣源熱泵,均采用超低溫抑霜除霜技術(shù),在我國(guó)東北地區(qū)、川西高原等冬季嚴(yán)寒環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定,節(jié)能效果顯著。
02—抑制結(jié)霜技術(shù)
對(duì)于高濕重霜工況,空氣源熱泵一旦開(kāi)機(jī)運(yùn)行便會(huì)迅速結(jié)霜,導(dǎo)致機(jī)組頻繁除霜且長(zhǎng)期低效運(yùn)行,機(jī)組需要同時(shí)具備除霜控制和抑制結(jié)霜的能力。
傳統(tǒng)機(jī)組的研發(fā)流程是以名義制熱工況點(diǎn)的制熱性能確定機(jī)組的制熱目標(biāo),而未對(duì)抑霜提出任何要求。
新方法打破常規(guī)“制熱為單一目標(biāo)”,耦合抑霜目標(biāo)(CICO,可表征空氣源熱泵機(jī)組結(jié)霜程度的無(wú)量綱綜合本構(gòu)參數(shù)),參數(shù)涉及室外換熱器面積、壓縮機(jī)行程容積、室外風(fēng)機(jī)風(fēng)量、壓縮機(jī)運(yùn)行頻率,重構(gòu)空氣源熱泵機(jī)組研制流程,建立“制熱優(yōu)先、兼顧抑霜”的抑霜型空氣源熱泵機(jī)組研制新流程。
(抑霜型空氣源熱泵機(jī)組研制新流程)
抑霜新技術(shù)突破傳統(tǒng)以室外換熱器表面改性、運(yùn)行環(huán)境優(yōu)化及改善冷媒溫度等抑霜方法,解決了局部?jī)?yōu)化存在的耐久性弱、技術(shù)復(fù)雜度高、規(guī)模應(yīng)用難和適用性差等問(wèn)題,依據(jù)抑霜目標(biāo)重構(gòu)空氣源熱泵機(jī)組研制新方法,有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)空氣源熱泵抑霜能力的不足,實(shí)現(xiàn)了熱泵設(shè)備抑霜功能的從無(wú)到有。
經(jīng)國(guó)家空調(diào)設(shè)備質(zhì)檢中心等權(quán)威技術(shù)部門,在低溫高濕地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè):抑霜型熱風(fēng)機(jī)結(jié)霜率較常規(guī)熱風(fēng)機(jī)降低59.2%,抑霜型熱水機(jī)結(jié)霜頻率較常規(guī)熱水機(jī)降低36.%,供暖季平均運(yùn)行COP分別為3.7和3.0。
03—準(zhǔn)確除霜技術(shù)
對(duì)于復(fù)雜結(jié)霜?dú)夂騾^(qū),在“抑制結(jié)霜”的同時(shí),還需要“準(zhǔn)確除霜”。開(kāi)展有效感知霜層存在、檢測(cè)霜層動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)、判定最佳除霜時(shí)機(jī)、高效除霜過(guò)程等基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究是空氣源熱泵機(jī)組“按需除霜”所不可或缺的重要技術(shù)體系。
變頻空氣源熱泵在我國(guó)不同地域應(yīng)用時(shí),結(jié)霜區(qū)域會(huì)發(fā)生明顯的變化。在煦聯(lián)得部署于不同地域的同一型號(hào)空氣源熱泵的臨界結(jié)霜點(diǎn)監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn),在哈爾濱的臨界結(jié)霜線明顯高于北京,而北京又明顯高于上海,需要根據(jù)實(shí)際情況區(qū)分對(duì)待或開(kāi)發(fā)新型除霜控制方法。
在感知霜層存在和監(jiān)測(cè)霜層動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)方面,現(xiàn)有空氣源熱泵除霜技術(shù)普遍缺乏可靠的結(jié)霜故障診斷特征參數(shù),無(wú)法有效感知并監(jiān)測(cè)霜層狀況,導(dǎo)致空氣源熱泵頻繁發(fā)生“有霜不除”和“無(wú)霜除霜”等事故。
針對(duì)這一情況,目前提出基于“風(fēng)機(jī)電流”和“圖像識(shí)別”的新型除霜控制技術(shù),將從源頭上解決空氣源熱泵機(jī)組的“誤除霜”事故。
在實(shí)現(xiàn)霜層有效感知和動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)檢測(cè)的基礎(chǔ)上,針對(duì)機(jī)組的最佳除霜時(shí)機(jī)進(jìn)行判定,避免因除霜時(shí)機(jī)不準(zhǔn)導(dǎo)致機(jī)組頻繁進(jìn)入除霜?jiǎng)幼骱瓦\(yùn)行能效衰減過(guò)大的問(wèn)題。
通過(guò)建立空氣源熱泵“名義制熱量損失系數(shù)”預(yù)測(cè)模型和最佳除霜控制點(diǎn)計(jì)算模型,并結(jié)合“風(fēng)機(jī)電流”和“圖像識(shí)別”等多種判斷結(jié)霜程度的特征參數(shù),實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵“按需除霜”,控制準(zhǔn)確率可由50%提升至95%,供暖系統(tǒng)性能整體提高10%以上。
此外,通過(guò)除霜過(guò)程吸氣干度控制,室外換熱器并行分流設(shè)計(jì),以及利用空氣能聯(lián)動(dòng)除霜等技術(shù),解決除霜熱量不足、除霜位置前后不同步、過(guò)熱損耗大等除霜效率問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)高效除霜。
04—供暖熱舒適技術(shù)
在解決完空氣源熱泵機(jī)組“低溫”和“結(jié)霜”問(wèn)題后,仍需重點(diǎn)關(guān)注室內(nèi)供暖熱舒適性問(wèn)題,其使用效果和性能受送風(fēng)形式和室外氣候條件影響,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在工作區(qū)供熱效率偏離實(shí)際性能、熱舒適度低等問(wèn)題。
通風(fēng)供熱受熱浮力特性影響,熱氣上浮。目前采用的上送風(fēng)、側(cè)送風(fēng)形式的室內(nèi)末端,使整個(gè)室內(nèi)出現(xiàn)明顯的上部暖區(qū)和下部冷區(qū),空氣溫度梯度可達(dá)10℃,熱量利用效率低、溫度調(diào)節(jié)效果差,制約了空氣源熱泵空調(diào)高效舒適供熱。
基于空氣射流原理及人體熱工學(xué),考慮空氣的浮生力和下墜力,并結(jié)合人體不同部位對(duì)冷熱刺激的不同反應(yīng),提出一種基于熱舒適與節(jié)能的分布式送風(fēng)末端技術(shù)。
(分布式送風(fēng)熱泵空調(diào)器模型)
根據(jù)不同的熱環(huán)境,采用合理的氣流組織形式,更好實(shí)現(xiàn)供熱、供冷,在降低無(wú)效能耗的同時(shí),解決人體在空調(diào)房間內(nèi)制熱“頭熱腳冷”、制冷“冷風(fēng)吹人”的痛點(diǎn)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)舒適與節(jié)能運(yùn)行。
(制熱送風(fēng)人體熱舒適需求)
對(duì)不同送風(fēng)方式(上部出風(fēng)口送風(fēng)、正面長(zhǎng)條形風(fēng)口送風(fēng)、分布式送風(fēng))制熱運(yùn)行效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證,可以看到,分布式送風(fēng)熱泵空調(diào)房間溫度分布更均勻,升溫速率更高,比其他送風(fēng)方式熱泵空調(diào)節(jié)能19%~48%。
05—空氣源熱泵的發(fā)展展望
未來(lái),為了更好的服務(wù)國(guó)家“雙碳”目標(biāo),空氣源熱泵技術(shù)優(yōu)勢(shì)將得到進(jìn)一步發(fā)揮。
針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)的增焓、變?nèi)莸燃夹g(shù),針對(duì)長(zhǎng)江流域的高效快速除霜等技術(shù)將成為發(fā)展重點(diǎn)。同時(shí)還將結(jié)合熱風(fēng)對(duì)流規(guī)律,在通風(fēng)供熱方式上調(diào)整送風(fēng)方式,提高通風(fēng)供熱效率。
在新技術(shù)路線發(fā)展上,熱泵還可以電力調(diào)峰填谷,間接消納風(fēng)電;如何實(shí)現(xiàn)熱泵需求側(cè)響應(yīng)模式的間歇運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)建筑柔性用電,也將是該領(lǐng)域研究的重要方向。
(文章整理自《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2022》,僅供學(xué)習(xí)交流使用,完整內(nèi)容請(qǐng)購(gòu)買正版圖書。)
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