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空氣源熱泵信息

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空氣源熱泵的原理、最新發(fā)展及其典型應(yīng)用

來源：kjgourmetfoods.com 發(fā)布時間：2022/4/26 17:07:06

空氣源熱泵的原理、最新發(fā)展及其典型應(yīng)用

傳統(tǒng)建筑通常采用冷水機組和鍋爐滿足制冷和供暖的需求。然而，由于燃煤和燃氣鍋爐燃燒過程中會排放溫室氣體和顆粒物，因此并不環(huán)保。直接使用電力的電鍋爐或電加熱供暖方式由于一次能源效率低，故不節(jié)能。因此，熱泵作為一種高效、冷熱同源的設(shè)備，在世界范圍內(nèi)被廣泛發(fā)展和應(yīng)用。根據(jù)熱熱源/匯的類型不同，熱泵一般可以分為空氣源熱泵（ASHP）、地源熱泵（GSHP）和水源熱泵（WSHP）等。

相比水源熱泵和地源熱泵，空氣源熱泵從環(huán)境空氣中吸收或向空氣中排出熱量，具備成本低廉、應(yīng)用場合廣的優(yōu)勢。因此，空氣源熱泵在同時有冷、熱需求的建筑中扮演著越來越重要的角色。近年來，空氣源熱泵在建筑供冷和供暖中的應(yīng)用得到了大的發(fā)展。

本文綜述了空氣源熱泵的原理、最新發(fā)展及其典型應(yīng)用。由于近年對空氣源熱泵制冷技術(shù)的研究已經(jīng)較為成熟，當(dāng)前的挑戰(zhàn)主要來自于供暖，故本文重點關(guān)注供暖領(lǐng)域的新發(fā)展，其中一些技術(shù)也適用于制冷。

運行原理：

空氣源熱泵與簡單蒸氣壓縮循環(huán)較為相似，也由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器串聯(lián)而成，大的區(qū)別是在壓縮機出口設(shè)置四通閥用于制冷和熱泵模式下的制冷劑流向切換，如圖1所示。在制冷模式下，壓縮機出口排氣經(jīng)四通閥被引入室外冷凝器，制冷劑向環(huán)境空氣放熱后被冷凝成液體，之后液態(tài)制冷劑節(jié)流為低壓兩相狀態(tài)，在蒸發(fā)器中吸收外側(cè)流體中的熱量，實現(xiàn)制冷效果；蒸發(fā)后的制冷劑返回到壓縮機，被循環(huán)壓縮。制熱模式下，四通閥切換制冷劑流通方向，壓縮機排氣經(jīng)四通閥被引入室內(nèi)冷凝器，制冷劑向室內(nèi)空氣或流體中排熱，實現(xiàn)供暖；然后液態(tài)制冷劑經(jīng)節(jié)流為低壓兩相狀態(tài)，通過室外換熱器吸收環(huán)境空氣中的熱量。根據(jù)換熱流體的不同，通常將空氣源熱泵分為兩類：空氣-空氣型主要指分體式空調(diào)、組合式空調(diào)等，用于直接加熱/冷卻室內(nèi)空氣；空氣-水型主要指空氣源熱泵冷熱水機組，用于向空調(diào)機組、風(fēng)機盤管機組、散熱器、散熱板等不同類型的室內(nèi)末端裝置供應(yīng)冷熱水，以冷卻/加熱室內(nèi)空氣。

空氣源熱泵制熱時在投入少量電能的情況下從環(huán)境中吸取大量熱量，因此其供熱效率通常是直接電加熱的3-4倍。然而，有幾個因素顯著影響空氣源熱泵的性能：第一，在環(huán)境溫度較低的工況下，空氣源熱泵的性能顯著降低；第二，制熱過程中的結(jié)霜問題嚴重影響能效和可靠性。為解決上述問題，近年許多研究人員和工程技術(shù)人員在空氣源熱泵技術(shù)改進方面投入了大量的精力，以下內(nèi)容綜述了這些技術(shù)的最新發(fā)展。

技術(shù)現(xiàn)狀

1、低溫空氣源熱泵

空氣源熱泵在低溫下的性能較差，供熱能力不足，性能系數(shù)（COP）較低。供熱能力降低的原因是吸氣口制冷劑密度大大降低，以及壓縮機的容積效率較低；其能效較低的原因是壓比過高、壓縮機等熵效率低、節(jié)流損失大。因此，為了提高壓縮機的性能，開發(fā)了以下新技術(shù)。

變頻壓縮技術(shù)是提高空氣源熱泵供熱能力的有效方法之一。在低溫工況下，提高壓縮機轉(zhuǎn)速，可以顯著增加其排氣量，從而提高空氣源熱泵的供熱能力。然而，變頻技術(shù)并不能提高系統(tǒng)能效。為了同時提高供熱能力和低溫下的能效，研發(fā)了多級壓縮技術(shù)。根據(jù)壓縮級數(shù)和循環(huán)結(jié)構(gòu)的不同，多級壓縮空氣源熱泵可分為復(fù)疊循環(huán)和雙/多級壓縮等。特別地，為了提高單級壓縮系統(tǒng)在低環(huán)境溫度下的供熱能力，可以在壓縮過程中直接向壓縮腔噴入制冷劑，這就是所謂的準雙級壓縮。由于準雙級壓縮循環(huán)具備雙級壓縮循環(huán)的特點，故本文將納入雙級壓縮循環(huán)的范圍一并介紹。

?復(fù)疊式空氣源熱泵

由于環(huán)境溫度低，導(dǎo)致系統(tǒng)壓比高，壓縮功大，節(jié)流損失大，導(dǎo)致熱泵能效低。為了減少損失，復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)采用兩個蒸氣壓縮循環(huán)相串聯(lián)來代替單一的循環(huán)，以減小單級循環(huán)的壓縮比。

復(fù)疊系統(tǒng)由兩個獨立的蒸氣壓縮循環(huán)組成，其一為低溫級循環(huán)，另一個為高溫級循環(huán)。這兩個循環(huán)通過一個共用的中間換熱器相連接，該換熱器同時作為低溫循環(huán)的冷凝器和高溫循環(huán)的蒸發(fā)器運行。冬季，低溫循環(huán)通過蒸發(fā)器從環(huán)境空氣中吸收熱量，并將熱量提升到更高的溫度，作為熱源提供給高溫循環(huán)；在高溫循環(huán)中，熱量再次被提升至室內(nèi)供暖所需的溫度。

采用復(fù)疊式空氣源熱泵，循環(huán)的壓比大大降低，減少了總壓縮損失和節(jié)流損失，因而可以提高空氣源熱泵的能效；并且，根據(jù)不同的工況，復(fù)疊式循環(huán)的高、低溫級可采用不同的制冷劑。由于復(fù)疊式系統(tǒng)可采用兩個簡單的單級系統(tǒng)來實現(xiàn)，故已經(jīng)有多年被用于供暖和供應(yīng)熱水的應(yīng)用。然而，復(fù)疊循環(huán)中間換熱器的換熱溫差不可避免地會導(dǎo)致一定的效率損失；并且，復(fù)疊循環(huán)需要使用兩臺壓縮機和一個額外的換熱器，這與單級循環(huán)相比成本更高。

?雙級壓縮空氣源熱泵

雙級壓縮空氣源熱泵將兩個制冷循環(huán)連接在一起，可以看作是復(fù)疊式系統(tǒng)的簡化形式。如下圖所示，根據(jù)所采用經(jīng)濟器的不同，可以將雙級壓縮空氣源熱泵分為兩類：閃蒸罐（FT）系統(tǒng)[5]和中間換熱器（IHX）系統(tǒng)。

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