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(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,在實際應(yīng)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(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,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(shù),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(jìn)入高壓級氣缸進(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、可靠性差的問題。
雙級壓縮技術(shù)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(dāng)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(shù),在我國東北地區(qū)、川西高原等冬季嚴(yán)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(shù)
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(dǎo)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(biāo),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(biāo)”,耦合抑霜目標(biāo)(CICO,可表征空氣源熱泵機組結(jié)霜程度的無量綱綜合本構(gòu)參數(shù)),參數(shù)涉及室外換熱器面積、壓縮機行程容積、室外風(fēng)機風(fēng)量、壓縮機運行頻率,重構(gòu)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(shù)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(shù)復(fù)雜度高、規(guī)模應(yīng)用難和適用性差等問題,依據(jù)抑霜目標(biāo)重構(gòu)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(shè)備抑霜功能的從無到有。
經(jīng)國家空調(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)場檢測:抑霜型熱風(fēng)機結(jié)霜率較常規(guī)熱風(fēng)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(zhǔn)確除霜技術(shù)
對于復(fù)雜結(jié)霜氣候區(qū),在“抑制結(jié)霜”的同時,還需要“準(zhǔn)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(chǔ)理論和技術(shù)研究是空氣源熱泵機組“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不同地域應(yīng)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(shù)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(dǎo)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(fēng)機電流”和“圖像識別”的新型除霜控制技術(shù),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(chǔ)上,針對機組的最佳除霜時機進(jìn)行判定,避免因除霜時機不準(zhǔn)導(dǎo)致機組頻繁進(jìn)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(yù)測模型和最佳除霜控制點計算模型,并結(jié)合“風(fēng)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(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,通過除霜過程吸氣干度控制,室外換熱器并行分流設(shè)計,以及利用空氣能聯(lián)動除霜等技術(shù),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(shù)
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(guān)注室內(nèi)供暖熱舒適性問題,其使用效果和性能受送風(fēng)形式和室外氣候條件影響,在實際應(yīng)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(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(fēng)吹人”的痛點問題,實現(xiàn)舒適與節(jié)能運行。
(制熱送風(fēng)人體熱舒適需求)
對不同送風(fēng)方式(上部出風(fēng)口送風(fēng)、正面長條形風(fēng)口送風(fēng)、分布式送風(fēng))制熱運行效果進(jìn)行實驗對比驗證,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,為了更好的服務(wù)國家“雙碳”目標(biāo),空氣源熱泵技術(shù)優(yōu)勢將得到進(jìn)一步發(fā)揮。
針對嚴(yán)寒地區(qū)的增焓、變?nèi)莸燃夹g(shù),針對長江流域的高效快速除霜等技術(shù)將成為發(fā)展重點。同時還將結(jié)合熱風(fēng)對流規(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;如何實現(xiàn)熱泵需求側(cè)響應(yīng)模式的間歇運行,實現(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《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2022》,僅供學(xué)習(xí)交流使用,完整內(nèi)容請購買正版圖書。)
【廣告】免責(zé)聲明：本內(nèi)容為廣告，相關(guān)素材由廣告主提供，廣告主對本廣告內(nèi)容的真實性負(fù)責(zé)。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(fù)責(zé)，廣告內(nèi)容僅供讀者參考。
