风冷热泵机组的应用及节能技术

风冷热泵机组的应用及节能技术

1．引言

风冷热泵机组又被称为空气源冷热水热泵机组。其本身实现自动控制（包括自动除霜）以达到管理运行简单；能提供制冷和制热以适应不同建筑物的使用要求，一机冬夏两用，具有设备利用率高的特点；夏季制冷时采用空气侧换热器，无需安装冷却塔及冷却水系统，冬季制热运行省去锅炉及锅炉房投资，结构紧凑且整体性好，可放置在屋顶，安装方便，不占用建筑物的室内空间；同时热泵能有效节省能源、减少大气污染和CO2排放，对于节水、节能和环保等都具有重要的意义。所以风冷热泵作为一种比较成熟的高效环保型供冷供热产品，近年来在我国得到了广泛的应用，在建筑节能工程中的作用越来越大。

2．风冷热泵机组的应用

风冷热泵机组近年来发展迅猛，在我国的长江流域、西南、华南地区有大量应用。这些区域冬季室外温度一般不低于零下8℃，室内供热量需求不大。而对于黄河流域及华北地区，长期采用燃煤燃油采暖，当采用热泵机组供热运行时，随着室外温度降低，建筑物热负荷增大，其提供的热量却逐渐减少，阻碍了风冷热泵机组北扩的趋势；同时，当室外翅片换热器表面温度低于空气露点温度时空气中的水蒸汽就会在翅片上凝结，若此温度低于0℃时，翅片换热器表面会结霜，热泵机组又面临了合理除霜、尽量减小除霜对制热系统冲击等问题。

2.1 低温环境制热

风冷热泵机组在供热运行时，随着室外温度降低，建筑物热负荷增大，所需的热量增加，然而由于环境温度的降低，翅片盘管蒸发温度下降，压缩机吸入制冷剂密度减小使系统制冷剂循环流量减小，导致机组的供热量降低而不能满足热负荷的需求。

为了解决这一矛盾，提高热泵系统的可靠性，可以通过加辅助热源来弥补机组本身供热不足的问题。辅助热源通常为燃油、燃煤、燃气、电锅炉或电加热。风冷热泵机组在胶东地区的设计尝试是热泵机组北扩的很好的例子，在室外温度较低时，锅炉供出的高温水与热泵供出的较低温水在分水器混合，将水温升高后一起供出【1】。如果环境温度过低（低于零下15℃），降低机组压缩比是空气源热泵冷热水机组在寒冷地区正常运行的惟一途径，因此，应采用技术措施如两级压缩【2】、经济器中间级补气式准两级压缩【3】【4】等方法来增加制冷系统的循环量、降低压缩比以保证机组在低环境温度下的可靠运行。另外通过加热吸气管路的气液分离器以提高吸气温度和吸气压力来增加压缩机的吸气量，以减缓结霜时间和制热供热不足的问题【5】。

2.2 除霜

风冷热泵冷热水机组有节水、节能和环保的优点，但当风侧换热器翅片表面温度低于空气露点温度且低于0 ℃时，风侧换热器表面会结霜。在结霜的早期，由于霜层增加了传热表面的粗糙度及表面积，使总传热系数有所增加。随着霜层的逐渐增厚，对风冷热泵机组的运行会产生不利影响，一方面增加了空气和

风冷换热器之间的传热热阻；另一方面，霜层使盘管上的空气流道变窄，减少了翅片间的空气流通面积，导致空气流动阻力增加，空气流量减少，从而使风冷换热器的换热量降低，风机功耗增加，工作状况恶化。因此，当霜层达到一定厚度时，必须进行除霜以使系统能高效运行。机组除霜时，不但停止向供热对象供热，而且需要降低水温来加热翅片盘管，影响室内环境热舒适度，降低了机组的制热能效比。

目前，常用的除霜方式有逆向除霜和热气旁通除霜。逆向除霜是指除霜时四通换向阀动作，机组处于制冷模式下，风侧换热器与水侧换热器的功能对调，风侧换热器作为冷凝器, 水侧换热器作为蒸发器, 用压缩机的排气高压进入翅片盘管来除霜。当翅片盘管上霜被除尽后，四通换向阀切换，机组恢复正常制热。热气旁通除霜是指当机组处于制热状态结霜时，导致机组系统吸气压力降低，当降低到设定值时，热气旁通阀开启，将系统高压端与蒸发器进口连通，高温高压气体进入蒸发器，可融化翅片盘管上的霜及提高吸气压力。当系统吸气压力回升到设定值时，热气旁通阀关闭，机组正常制热，在此除霜过程中四通换向阀不需要切换。梁彩华等【6】提出了第三种方法即显热除霜方式，显热除霜是指利用压缩机排气管至电子膨胀阀前的旁通回路，将排气由电子膨胀阀等焓节流在空气换热器中只进行显热交换来除去霜层。该方式可以不需要切换四通换向阀两次来完成以次除霜循环，减小了由于切换四通换向阀而带来的对压缩机的冲击。另外采用显热除霜可以改进热气旁通除霜所带来的大量液体进入吸气管影响压缩机可靠性的隐患。

3．风冷热泵机组的节能技术

中国GDP占世界GDP比重大约为4％，却消耗了相当于全球总产量30％的主要能源和原材料，由此也带来煤、电、油等原材料全面紧张。建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展是当前的空调与热泵节能技术热点问题。中国传统的高投入、高消耗、重污染、低产出的发展模式已受到了相关部门的高度重视，为此国家颁布了一系列节能标准，要求新建筑严格实施节能50％的设计标准。

风冷热泵机组以大自然中蕴藏着大量的较低温度的环境低品位空气热源，可以取之不尽，用之不竭，处处都有且无偿获取，为建筑物供热大大降低一次能源的消耗，对于节能具有非常重要的意义，是一项可持续发展技术。因此原机械工业部发布的《机械工业重点开发产品指南》，要求风冷热泵机组在-10℃环境温度下能稳定运行，这为风冷热泵冷热水机组制热工况运行的性能提出了明确的目标。

3.1 提高机组本身的效率以节能

新近出台的“空调机组能效”国家标准提出了能效限定值这一强制性要求，是空调产品市场准入的要求，这也意味着今后低COP值的热泵机组不能用于空调系统中，这对于热泵中央热水系统的主机也同样有效。开发、研制和选用高能效比的冷热水机组将是今后发展的重要方向，优化压缩机的设计以提高压缩机的制冷效率，如通过变频改变压缩机转速以适应不同负荷的需求来提高部分负荷效率、通过数码涡旋压缩机的上载下载时间来满足不同的负荷需求以提高部分负荷效率，以膨胀机代替节流阀以回收一部分功的两相螺杆压缩膨胀机减少能耗提高效率【7】【8】，采用经济器补气寻求最优的补气压力以提高压缩机的效率达到比较理想的状态【9】【10】；增强换热器的换热性能，改进蒸发器的制冷剂分配以充分利用换热面积来提高换热器的效率；降低四通换向阀的压降，提高风机效率和风机电机效率等方法以提高机组的COP。