空气能热泵热水系统性能分析与工艺设计

　　热泵工作原理

　　一台压缩式热泵装置，主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成，通过让工质不断完成蒸发(吸取环境中的热量)→压缩→冷凝(放出热量)→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中或空气中(如图1所示)。

　　热泵在工作时，把环境介质中的能量QA在蒸发器中加以吸收;它本身消耗一部分能量，即压缩机耗电QB;通过工质循环系统在冷凝器中进行放热QC，QC=QA+QB，由此可以看出，热泵输出的能量为压缩机做的功QB和热泵从环境中吸收的热量QA;其制热系数为εh=QC / QB，可见εh值恒大于1。因此，采用热泵技术可以节约大量的电能。

　　热泵的分类多种多样，按与热泵的蒸发器和冷凝器换热的介质不同分类，热泵可以分为：空气能热泵、地源热泵、水源热泵等等。

　　空气能热泵的研究现状

　　空气能热泵是以空气作为高温(低温) 热源来进行供热(供冷) 的装置。相对于其它热泵类型而言，我国对空气能热泵的研究起步较早，研究内容也较多。以环境空气作为低品位热源，可以取之不尽，用之不竭。空气能热泵安装灵活、使用方便、初投资相对较低，且比较适用于分户安装，这也就使得我国空气能热泵冷热水机组市场空前繁荣，生产研制已经比较成型，产品规格齐全，品牌繁多。随着空气能热泵在我国应用的日趋广泛，了解我国空气能热泵的研究状况对于后续研究而言具有重要的意义。

　　1、空气能热泵结霜、化霜问题的研究

　　由于空气能热泵冬季采用空气作为热源，所以，随着室外温度的降低，其蒸发温度也随之降低，蒸发器表面温度随之下降，甚至低于0 ℃。此时，当室外空气在流经蒸发器被冷却时，其所含的水分就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。结霜对热泵是极其不利的，随着霜层的形成，蒸发器传热热阻增加，蒸发温度下降，机组的性能下降，工况恶化，制热量也将下降，这将严重影响压缩机以及热泵整体的性能。同时，除霜带来的额外费用还将降低空气能热泵的经济性。尽管空气能热泵具有很多优点，但受室外环境的限制也比较大，这也是空气能热泵目前仅在我国黄河以南地区得到了广泛应用的主要原因。而在黄河以北地区，应用空气能热泵则根据所处地区不同有其特殊要求。

　　结霜机理、化霜方法一直是空气能热泵研究与应用中要解决的重点与难点。目前，有不少关于空气能热泵机组冬季运行状况的研究，主要分析供热时不同工况下空气盘管表面湿空气结霜、结露及干冷却特性，并结合结霜过程进行试验和模拟，分析了迎面风速、环境温湿度、翅片间距、管排数等参数对结霜性能的影响及其可能产生的一系列后果。了解结霜机理的主要目的是要解决如何除霜的问题，传统的除霜控制方法主要包括：定时除霜法、时间―温度(压力)法、空气压差控制除霜法、霜层传感器控制除霜法、声音震荡器控制除霜法、最大平均供热量控制除霜法、最佳除霜时间控制法等。近年来由于计算机技术的发展，将模糊控制技术引入空气能热泵除霜问题的研究，作为一项先进可行的新技术，逐渐引起了人们的注意。这主要是因为空气能热泵结霜问题的影响是多因素、非线性的，而模糊控制技术的优势就是处理多维、非线性、时变问题。将模糊控制技术引入空气能热泵的除霜控制，通过对除霜过程的系统响应分析，可以使除霜控制能够自动适应机组工作环境的变化，达到智能除霜的控制要求。此外，还有考虑环境工况变化的双温度传感器智能化除霜控制方法等。`

　　2、空气能热泵节能问题的研究

　　节能是对系统能的质与量的综合评价。对系统进行节能分析可以揭示出系统中?损失的部位、类型和数量，以便设法减少这些损失。通过?计算分析可知，压缩功只有20%被利用，有80%被损失，其中，压缩机?损失占30.7%，冷凝器占20.14%，蒸发器占17.15%，毛细管占10%。由此我们可以看出，空气能热泵系统节能的主要部件是压缩机，提高压缩机本身的技术指标，是提高整个系统?效率的关键，而冷凝器和蒸发器?优化措施主要是设法降低传热温差。当然，系统的节能改进与经济性是相互制约的，仅从能效进行分析有一定的局限性。从这个角度出发，有关研究人员提出供热最佳经济平衡点的概念，以期在此最佳经济平衡点温度条件下， 整个供热系统(热泵+ 辅助热源)的初投资与运行费最少，从而合理实现热泵节能优化。此外，通过空气能热泵机组与水冷冷水+锅炉机组、溴化锂吸收式机组3种方案的经济性比较可以得出，空气能热泵相对于其它两种形式而言，经济性上具有显著的优越性。

　　3、计算机模拟在空气能热泵系统中的应用

　　随着计算机技术的不断普及，计算机在暖通空调中的应用也日益广泛。前面所述及的一些研究中有很多也都应用了计算机技术，关于计算机模拟在暖通空调中具有代表性的应用主要有以下几个方面：

　　(1)对压缩机的计算模拟

　　采用神经网络法对空气能热泵中螺杆式压缩机的冬季运行特性进行模拟，并结合误差反向传播算法(BP算法)进行调整，结果表明，采用该方法对压缩机进行建模模拟可以达到较高的精度要求，模拟结果与实验结果吻合较好。

　　(2)对蒸发器的计算模拟

　　通过对空气能热泵的蒸发器结霜问题进行动态模拟计算，可以详细分析蒸发器结霜和制冷剂充灌量对系统性能所产生的影响。另外，对于采用ε-NTU 法(效率―传热单元数法)对空气能热泵蒸发器肋片管在干工况、湿工况及结霜工况下的传热传质计算方法也有相关探讨。

　　(3)系统仿真研究

　　通过建立房间空调器热泵运行时的瞬态仿真的数学模型，可以得出房间空调器热泵运行时的制冷系统参数及房间温度变化的曲线，这对实现空气能热泵系统的自控有很大的意义。 　　(4)系统能耗分析软件

　　关于空气能热泵全年能耗分析应用软件的开发应用在相关文献中有所介绍，该软件在求解热泵供冷全年能耗时，综合考虑了空调冷负荷、室外干球温度、热泵出水温度�@3个因素，在求热泵供热能耗时，还将室外空气相对湿度这个重要参数考虑进去，这就使得热泵供热能耗计算更为准确，也为空气能热泵的应用提供了一个很好的分析方法。

　　4、变频技术在空气能热泵中的应用

　　变频技术在空气能热泵中的应用是一项新技术，根据对变频控制热泵式VRV空调系统夏季制冷运行时的节能特性所做的一系列实验研究，可以获得夏季部分负荷运行特性。通过在节能方面与普通空气能热泵进行比较，证明应用变频技术以后的空气能热泵机组比普通机组更加节能。