在“雙碳”和“清潔供暖”的大背景下,電動式熱泵成為業(yè)內(nèi)發(fā)展重點。空氣源熱泵以環(huán)境空氣為低位熱源,具有熱量“處處存在、時時可得、隨需而取”的特點,已在我國以多種形式在建筑供暖中規(guī)模化應用。
空氣源熱泵的性能受制于自然,其應用效果受送風形式和室外氣候條件影響,在實際應用過程中存在工作區(qū)供熱效率偏離實際性能、熱舒適度低等問題,如“低溫”和“結(jié)霜”都是制約空氣源熱泵機組穩(wěn)定運行和高效供暖的關鍵因素。
01—低溫性能提升技術
傳統(tǒng)空氣源熱泵在嚴寒地區(qū)時,隨著冬季環(huán)境溫度的降低,會出現(xiàn)制熱量急劇衰減,制熱能效下降,甚至壓縮機過熱燒毀的問題。
為解決上述行業(yè)難題,目前可采用在單臺滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機上實現(xiàn)帶中間補氣的雙級壓縮技術,即雙級增焓滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機以及三缸雙級變?nèi)莘e比壓縮機。
雙級增焓滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機將制冷劑的一次壓縮過程分解為兩次,制冷劑在低壓級氣缸中壓縮至中壓后排入中間腔,與來自增焓部件的中壓制冷劑充分混合,然后進入高壓級氣缸進行壓縮,達到高壓狀態(tài)排出,有效解決在低溫環(huán)境下制熱量衰減大、能效低、可靠性差的問題。
雙級壓縮技術可將空氣源熱泵運行范圍由-15℃~43℃拓寬至-30℃~54℃,如采用三缸雙級變?nèi)莘e比壓縮機,則可將系統(tǒng)最低運行溫度拓展至-35℃,大幅提升空氣源熱泵在低溫制熱能力和全工況下的運行效率。
(雙級增焓壓縮和單級壓縮循環(huán)系統(tǒng)對比)
煦聯(lián)得當前運行的節(jié)能項目中所部署的空氣源熱泵,均采用超低溫抑霜除霜技術,在我國東北地區(qū)、川西高原等冬季嚴寒環(huán)境中運行穩(wěn)定,節(jié)能效果顯著。
02—抑制結(jié)霜技術
對于高濕重霜工況,空氣源熱泵一旦開機運行便會迅速結(jié)霜,導致機組頻繁除霜且長期低效運行,機組需要同時具備除霜控制和抑制結(jié)霜的能力。
傳統(tǒng)機組的研發(fā)流程是以名義制熱工況點的制熱性能確定機組的制熱目標,而未對抑霜提出任何要求。
新方法打破常規(guī)“制熱為單一目標”,耦合抑霜目標(CICO,可表征空氣源熱泵機組結(jié)霜程度的無量綱綜合本構參數(shù)),參數(shù)涉及室外換熱器面積、壓縮機行程容積、室外風機風量、壓縮機運行頻率,重構空氣源熱泵機組研制流程,建立“制熱優(yōu)先、兼顧抑霜”的抑霜型空氣源熱泵機組研制新流程。
(抑霜型空氣源熱泵機組研制新流程)
抑霜新技術突破傳統(tǒng)以室外換熱器表面改性、運行環(huán)境優(yōu)化及改善冷媒溫度等抑霜方法,解決了局部優(yōu)化存在的耐久性弱、技術復雜度高、規(guī)模應用難和適用性差等問題,依據(jù)抑霜目標重構空氣源熱泵機組研制新方法,有效彌補傳統(tǒng)空氣源熱泵抑霜能力的不足,實現(xiàn)了熱泵設備抑霜功能的從無到有。
經(jīng)國家空調(diào)設備質(zhì)檢中心等權威技術部門,在低溫高濕地區(qū)現(xiàn)場檢測:抑霜型熱風機結(jié)霜率較常規(guī)熱風機降低59.2%,抑霜型熱水機結(jié)霜頻率較常規(guī)熱水機降低36.%,供暖季平均運行COP分別為3.7和3.0。
03—準確除霜技術
對于復雜結(jié)霜氣候區(qū),在“抑制結(jié)霜”的同時,還需要“準確除霜”。開展有效感知霜層存在、檢測霜層動態(tài)生長、判定最佳除霜時機、高效除霜過程等基礎理論和技術研究是空氣源熱泵機組“按需除霜”所不可或缺的重要技術體系。
變頻空氣源熱泵在我國不同地域應用時,結(jié)霜區(qū)域會發(fā)生明顯的變化。在煦聯(lián)得部署于不同地域的同一型號空氣源熱泵的臨界結(jié)霜點監(jiān)測中發(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)實際情況區(qū)分對待或開發(fā)新型除霜控制方法。
在感知霜層存在和監(jiān)測霜層動態(tài)生長方面,現(xiàn)有空氣源熱泵除霜技術普遍缺乏可靠的結(jié)霜故障診斷特征參數(shù),無法有效感知并監(jiān)測霜層狀況,導致空氣源熱泵頻繁發(fā)生“有霜不除”和“無霜除霜”等事故。
針對這一情況,目前提出基于“風機電流”和“圖像識別”的新型除霜控制技術,將從源頭上解決空氣源熱泵機組的“誤除霜”事故。
在實現(xiàn)霜層有效感知和動態(tài)生長檢測的基礎上,針對機組的最佳除霜時機進行判定,避免因除霜時機不準導致機組頻繁進入除霜動作和運行能效衰減過大的問題。
通過建立空氣源熱泵“名義制熱量損失系數(shù)”預測模型和最佳除霜控制點計算模型,并結(jié)合“風機電流”和“圖像識別”等多種判斷結(jié)霜程度的特征參數(shù),實現(xiàn)空氣源熱泵“按需除霜”,控制準確率可由50%提升至95%,供暖系統(tǒng)性能整體提高10%以上。
此外,通過除霜過程吸氣干度控制,室外換熱器并行分流設計,以及利用空氣能聯(lián)動除霜等技術,解決除霜熱量不足、除霜位置前后不同步、過熱損耗大等除霜效率問題,實現(xiàn)高效除霜。
04—供暖熱舒適技術
在解決完空氣源熱泵機組“低溫”和“結(jié)霜”問題后,仍需重點關注室內(nèi)供暖熱舒適性問題,其使用效果和性能受送風形式和室外氣候條件影響,在實際應用過程中存在工作區(qū)供熱效率偏離實際性能、熱舒適度低等問題。
通風供熱受熱浮力特性影響,熱氣上浮。目前采用的上送風、側(cè)送風形式的室內(nèi)末端,使整個室內(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,考慮空氣的浮生力和下墜力,并結(jié)合人體不同部位對冷熱刺激的不同反應,提出一種基于熱舒適與節(jié)能的分布式送風末端技術。
(分布式送風熱泵空調(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,更好實現(xiàn)供熱、供冷,在降低無效能耗的同時,解決人體在空調(diào)房間內(nèi)制熱“頭熱腳冷”、制冷“冷風吹人”的痛點問題,實現(xiàn)舒適與節(jié)能運行。
(制熱送風人體熱舒適需求)
對不同送風方式(上部出風口送風、正面長條形風口送風、分布式送風)制熱運行效果進行實驗對比驗證,可以看到,分布式送風熱泵空調(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,為了更好的服務國家“雙碳”目標,空氣源熱泵技術優(yōu)勢將得到進一步發(fā)揮。
針對嚴寒地區(qū)的增焓、變?nèi)莸燃夹g,針對長江流域的高效快速除霜等技術將成為發(fā)展重點。同時還將結(jié)合熱風對流規(guī)律,在通風供熱方式上調(diào)整送風方式,提高通風供熱效率。
在新技術路線發(fā)展上,熱泵還可以電力調(diào)峰填谷,間接消納風電;如何實現(xiàn)熱泵需求側(cè)響應模式的間歇運行,實現(xiàn)建筑柔性用電,也將是該領域研究的重要方向。
(文章整理自《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2022》,僅供學習交流使用,完整內(nèi)容請購買正版圖書。)
【廣告】免責聲明：本內(nèi)容為廣告，相關素材由廣告主提供，廣告主對本廣告內(nèi)容的真實性負責。本網(wǎng)發(fā)布目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點和對其真實性負責，廣告內(nèi)容僅供讀者參考。
