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夏热冬冷地区空气源热泵关键技术研究和应用

发表日期:2020/7/21 10:49:36 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

能源是社会发展必不可少的动力,随着化石燃料的过度使用,酸雨、雾霾等环境问题凸显,减少化石能源的使用、发展可再生的清洁能源已成为全人类的共识。为此,许多国家、国际组织出台了相关法案,规划和促进可再生能源的发展。据能源展望,可再生能源正在快速发展,预计未来20年内,其所占比例将超过15%。2009年,空气源热泵技术被欧盟确定为可再生能源技术。

在我国,建筑能耗约占社会总能耗的30%,而供暖与空调能耗约占建筑总能耗的50%,这就意味着供暖与空调能耗约占社会总能耗的15%。降低供暖与空调能耗可以有效降低社会总能耗。

我国幅员辽阔,地大物博,有五大气候分区,分别是严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。夏热冬冷地区面积约占全国总面积的18.7%,人口约占全国总人口的43%,国内生产总值约占全国的一半。该地区属于非传统的集中供暖区。随着人们生活水平的提高,该地区人们对冬季采暖和舒适性都提出了新要求。为此许多学者对夏热冬冷地区的采暖问题进行过大量的调查研究,并提出了不同的看法。殷平详细分析了夏热冬冷地区家庭供暖的现状,并指出了目前存在的主要问题。马一太通过研究得出,分散式供暖在南方有着较好的前景。闫增峰通过对夏热冬冷地区典型城市的实地调研和现场测试得出,该地区不适于集中供暖。并根据不同的情况,给出了不同的采暖技术路线。该地区有空气源热泵采暖、热电联产集中供暖、电热取暖、燃气壁挂炉等采暖方式,其中空气源热泵采暖方式以其高效、节能、环保、适用性广、性价比高的优势,在夏热冬冷地区被广泛应用。吴迪等详细分析了我国空气源热泵的采暖现状,相关技术及国家政策。近几年,空气源热泵技术作为一种可再生能源技术在我国发展迅速,从2014年的130余万台增长至2018年的230余万台,5年复合增长率达17% 。未来5年内,预计空气源热泵市场将以超过20%的增幅继续发展。但是由于夏热冬冷地区夏季闷热、冬季湿冷的气候特点,解决空气源热泵采暖存在的用户痛点问题具有非常重要的现实意义。

本文针对夏热冬冷地区空气源热泵采暖技术存在的问题进行了相关的研究,并提出了适用于该地区的空气源热泵新技术。

1  夏热冬冷地区空气源热泵采暖新型化霜技术

1.1  传统空气源热泵结化霜现状及问题分析

夏热冬冷地区属于我国长江流域,该地区冬季最冷月平均气温均在0 ℃左右,相对湿度在70%左右。冬季湿冷,降温幅度大、低温持续时间长,雨雪多。空气源热泵外机在这种低温高湿的环境下极易结霜,机组会频繁进入结霜和化霜状态。

空气源热泵机组常规化霜主要采用换向化霜技术,通过四通阀换向,使室外侧换热器成为冷凝器,室内侧换热器成为蒸发器,依靠冷凝器散发的热量进行融霜。冷凝器的热量来自于压缩机做功和室内吸收的热量之和,具体工作原理如图1所示。由于机组在融霜过程中需要从室内侧吸取热量,室温就会降低,融霜过程结束后再次恢复到融霜前的室温所需要的时间较长。


图1  传统热泵制热和除霜循环

为了得到空气源热泵机组频繁结霜化霜对室内热舒适性造成的影响,我们在舒适性环境试验室进行了模拟实际测试。

在舒适性环境试验室中,安装一套某品牌家装多联机,在室外-7 ℃,相对湿度80%的条件下开机进行制热运行。由于室外为极易结霜的低温高湿环境,机组开机运行不到30 min,外机结了厚厚的霜。由图2可知,在一个化霜周期中,室内温度降低为2 ℃~7 ℃,室内温度恢复到化霜前的室温需要10~20 min。


图2  热泵机组传统化霜运行时室内温度变化情况

1.2  新型蓄热化霜技术

新型蓄热化霜技术可以分为主动外置式蓄热化霜和被动内置式蓄热化霜两种类型。该系统与普通热泵系统相比,多了蓄热模块。蓄热模块释放热量用于化霜,所以,化霜过程不需从室内取热,很大程度上降低了室内温度波动。

1.2.1  主动外置式蓄热化霜

主动外置式蓄热化霜技术,主要是在室内机侧并联一个蓄热模块。当系统正常制热运行时,如图3(a)所示,电磁阀1全开,电磁阀2开启一定步数,在系统正常制热运行的同时,蓄热模块开始蓄热运行。当系统检测到模块蓄满热量后,电磁阀2关闭。当系统需要化霜运行时,电磁阀1关闭,电磁阀2全开,化霜结束后的制冷剂经膨胀阀节流后,再流进蓄热模块进行吸热蒸发,最后流回压缩机,形成完整的化霜周期,系统如3(b)所示。


图3  主动式蓄热化霜系统图

1.2.2  被动内置式蓄热化霜

被动内置式蓄热化霜技术,主要是在压缩机排气口串联一个蓄热模块。当系统正常制热运行时,如图4(a)所示,膨胀阀1自动控制,膨胀阀2全开;电磁阀1开启,电磁阀2关闭。从压缩机出来的高温高压制冷剂经室内换热器冷凝散热后,经膨胀阀1节流,在室外侧换热器吸热蒸发,最后流回压缩机,形成一个完成的运行周期。当系统需要化霜运行时,膨胀阀1全开,膨胀阀2自动控制,电磁阀1关闭,电磁阀2开启。制冷剂经过室内蒸发器和室外冷凝器散热后,经膨胀阀2节流,通过电磁阀2流路在蓄热模块处吸热蒸发,最后流回压缩机,形成完整的化霜周期,系统如图4(b)所示。


图4  被动式蓄热化霜系统图

1.3  技术应用效果

针对主动蓄热化霜系统、被动蓄热化霜系统与传统热泵系统在机组化霜时的差异,笔者在室外环境温度为-7 ℃,相对湿度为80%条件下,在环境能量实验室进行了对比测试,蓄热模块参数见表1。

表1  蓄热模块参数表


测试结果见图5。根据测试结果可知,主动蓄热方案的应用让系统化霜速度提升了60%,化霜过程中室内环境温度只降低了1.1 ℃,房间温度恢复至化霜前室温只需要4 min左右。被动蓄热方案的系统在化霜过程中室内机持续制热,所以在此过程中房间温度几乎没有下降。


图5  新型蓄热化霜技术与传统热泵系统对比效果

综上所述,新型蓄热化霜技术可以很好地解决热泵系统在化霜过程中从室内侧取热的问题,降低化霜过程中室内温度波动,提高化霜过程中室内舒适度。但对于普通暗藏式的风管末端,由于热聚集的存在,室内整体冷热效果不佳,用户整体热舒适体验无法得到全面提升。

2  夏热冬冷地区空气源热泵采暖新型分布式送风末端

2.1  传统暗藏风管式末端问题现状

2.1.1  热聚集问题现状

通过对传统家用中央空调热泵系统进行调研分析可知,目前家用中央空调热泵系统大多采用暗藏式风管末端。由于传统家用中央空调室内机安装位置较高,热风大多聚集在室内侧的上部空间,这样就会形成一种“头热脚冷”的不舒适感,使机组整体制热效果不佳。由大数据统计分析可知 ,家用空调制热运行时,温度设定在28 ℃~30 ℃的运行时间占总运行时间的60%(图6),但56%的室内实际温度低于20 ℃。究其原因是暗藏式风管末端的热聚集使热风在房间上层局部循环,存在热短路现象,而在环境温度采集区域亦即人体活动区域内温度较低,影响整体制热效果。


图6  制热运行室内各设定温度与环境温度时间占比

2.1.2  热聚集问题实验研究

为了更好地证明传统暗藏风管式末端热聚集问题的存在,笔者在环境能量实验室内进行了实际模拟测试,现场装机布置见图7,测试条件见表2。机组开机制热运行1h后,温度场稳定,其温度场分布如图8所示。


图7  环境能量模拟测试布置图


图8  温度场分布图

表2  测试条件表


从上图可知,在设置30 ℃制热运行温度场稳定的情况下,距离地面0.5 m高处,温度只有15 ℃;屋顶处处于25 ℃~26 ℃;而此时,内机出风口附近基本可以达到30 ℃。室内温度场热分层现象十分明显,热空气聚集在上层,冷空气聚集在下层,影响整个空间的制热效果。

2.2  新型分布式送风末端

新型分布式送风末端送风方式见图9。其采用下送风、侧回风的送风策略和0~90 °大角度扫风风口,保证了热风下吹的送风方式,改善了制热送风气流组织分布,彻底解决了热聚集的现象。


图9  分布式送风技术室内机送风方式图

2.3  技术应用效果

应用普通风管式室内机与新型分布式送风末端进行实验测试,室内温度场分布见图10所示。由图10可知,普通风管式室内机室内温度场出现严重的温度分层,在房间下半部分基本感觉不出升温的效果,上下温差超过10 ℃,房间整体热舒适性较差。新型分布式送风末端室内温度场分布较均匀,房间下半部分温度达到18 ℃,上下部分温差在1 ℃~2 ℃,房间整体热舒适性较好。


图10  普通内机送风与新型分布式送风温度场对比图

通过计算可知,在同样的制热量情况下,采用新型分布式送风末端的室内可将人体活动区域(房间1.35 m以下的区域)的热量提升28%,机组启动后至空间热量分布稳定的时间缩短75%。该新型末端使空调制热效果大为改善,制热效果大幅提高。

2.4  工程实例

该项目是位于河南省郑州市某酒店工程,室外机容量为16 kW,配置5台室内机,其中2台新型分布式送风内机,3台普通风管内机。在室外环境温度为-2 ℃的情况下分别开一台新型分布式送风内机和一台普通风管内机,得到机组运行的数据曲线如图11所示。由图11可知,新型分布式送风机组在设定27 ℃制热运行的情况下,开机运行35 min后室内环境温度可达22 ℃。在相同的室内和室外环境下,设置30 ℃开机制热运行35 min的普通风管内机,其室内最高达到17 ℃。从该工程可以看出,室内整体热舒适性和温升速度方面,新型分布式送风内机优于普通股风管室内机。


图11  工程运行数据对比图



3  结束语

本文通过对夏热冬冷地区空气源热泵采暖技术现状的问题分析,提出两种解决问题的新型采暖技术。

1)新型蓄热化霜技术可以有效解决热泵系统在化霜过程中从室内机取热的问题,降低化霜过程中室内温度波动,大幅度提高化霜过程中的热舒适性。

2)采用下送风、侧回风和0~90 °大角度扫风策略的新型分布式送风末端,改善了机组制热运行时气流组织分布,彻底解决了热聚集现象,大大提高了整体制热效果。

这两种新型技术,分别从化霜舒适性和温度分布整体舒适性对空气源热泵系统现存的问题进行了解决,提升了空气源热泵系统的整体热舒适性,具有很好的工程推广价值,可以促进空气源热泵系统更好的在夏热冬冷地区推广和应用。



本文选自《制冷与空调》2020年5月刊1-5+18页;作者:余凯  薛寒东  傅英胜  倪毅  王芳;未经许可,不得转载


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