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。

3.2 除霜节能
目前的空气源热泵冷热水机组大约有27％的除霜是误除霜【11】，这不仅造成了能量的损失，同时频繁的机组制冷制热切换也降低了压缩机的使用寿命。

最佳除霜时刻的确定是关系到用户运行成本大小最关键的技术，是提高节能的重要手段。

因为若除霜太晚，蒸发器上的霜层太厚会使翅片间的风道阻塞、风量降低，其结果是严重恶化换热器的换热效率，系统的制冷系数降低使耗能增加，同时当机组切换到除霜工况时，将需要更长的时间和更多的热量来除去翅片表面的霜。

相反若除霜时刻比较早，蒸发器还未结霜或只结了少量的霜，这样就会频繁除霜，也会造成能源的浪费、压缩机使用寿命的降低，而且对水温影响波动也较大，影响客户端的舒适性。

影响结霜的因素除了空气的湿度、壁面温度、环境温度等，还有结霜表面的特征，所以通过改变结霜表面的性质来抑制结霜是一个普便关注的技术【12】。

在冷壁金属表面涂以某种憎水或亲水涂料以阻止和延缓结霜，涂层对金属表面应有很好的附着性能，一般选硅脂和硅油作为憎水涂料，而选用丙三醇(甘油)作为亲水涂料。

(1)对有憎水涂层表面，表面出现露珠→露珠变大→露珠继续变大、不形成水膜→冰珠→枝晶、且分布不均匀、易倒伏；(2)对有亲水涂层表面，空气中的水蒸汽不断凝结于冷壁表面浓的丙三醇溶液中，使溶液不断被稀释，直到进行很长时间仍未出现结霜现象，随着丙三醇不断被主流空气带走, 亲水涂层消失时才出现结霜现象。

从这可以看出，无涂层表面形成膜状凝结速度很快，且很快形成霜生长所需要的冰核，对有憎水涂层表面始终保持珠状凝结，且形成易倒伏的枝晶容易被吹掉，从而延缓了霜的形成初期，对有亲水涂层表面, 由于水蒸汽不断溶于丙三醇溶液中，这相当于降低了空气经过换热器的焓湿量，也大大的延缓了霜的形成初期，降低了换热器的结霜速率。

另外，亲水涂层冷壁表面的凝固点较低，这使亲水涂层的冷壁表面的冰点大大降低，从而起到了抑制和延缓结霜的作用。

除了翅片表面的处理，合理的风速与换热面积的匹配也是设计时减少结霜的重要手段。

大冷量的风冷热泵机组会存在翅片换热器表面风速分配不均匀，在设计中可以通过调整制冷剂的分配以匹配空气侧风速分配不均；另外通过翅片盘管分配器的合理设计可以充分利用换热面积以防止盘管某些回路出口已有较大的过热度，而有些回路仍处于两相区，这样既没有充分利用换热面积，又容易使膨胀阀控制波动，形成翅片盘管表面结霜不均匀。

风冷热泵的除霜控制一直是文献讨论的焦点，因为除霜控制的好与坏直接影响到机组控制是否能按照机组的实际运行状况按真正需求除霜，这也是评判节能的重要指标。

1）较早采用的是定时除霜控制，这种控制往往按照最恶劣的环境条件来设定时间，因此在不同的环境条件下必然产生不必要的能源浪费。

2）考虑到这种不合理性，人们又引入了温度变量，形成了时间温度控制方法，这是目前普遍采用的方法，通过在时间量的基础上考虑了温度量，比单纯的时间法有进步，同时部分地考虑了机组工作环境的影响，但是仍不能很好地反映热泵机组在各种工况下合理除霜的问题。

3）通过吸气管上的吸气压力可以得到饱和蒸发温度，当在蒸发器表面结霜严重时，蒸发温度与大气温度的差会加大，以饱和蒸发温度与环境温度的差值能较好的反映结霜情况，但是对于环境温度变化剧烈的场合仍会有误动作产生。

4）由于蒸发器表面结霜，
会增大蒸发器两侧的空气压差，通过检测蒸发器两侧的空气压差确定是否需要除霜，这种方法可以实现根据需要除霜，但在蒸发器表面有异物或严重积灰时会误动作，而且微压差传感器的价格较高。

以上的方法由于参变量较少，只能适用于某些工况，而在另一些工况时会产生误操作。

可以通过引入参数如环境温度、环境湿度、翅片盘管表面温度（或通过压力传感器得到盘管蒸发温度）、制热运行时间、翅片盘管表面温度与环境温度的差值（或盘管蒸发温度与环境温度的差值）及翅片盘管温度的变化率（或盘管蒸发温度的变化率）等来综合考虑以达到降低不必要除霜的误动作。

3.3 热回收节能
利用热泵结合热回收技术，不仅可以利用余热提高机组本身的性能，还能减少对环境的热污染，缓解城市的热岛效应。

在夏季利用机组的冷凝热制取生活热水，不但节省了制取生活热水所耗的能量，而且降低冷凝温度提高机组性能；在冬季，对于仍需要部分制冷降温的场合，同样利用机组冷凝余热来制取生活热水；而对于冬季需要制热的场所，利用高温高压的工质气体的过热焓，仍可以同时得到采暖热水和生活热水。

但是，这会要求机组的制热量加大。

而且，当气温越低时所需的热负荷和生活热水用热负荷越大，而机组制热能力却随环境温度降低而降低，造成了矛盾。

可以通过以下的方法来平衡以达到热泵制冷、制热、全年生活热水供应的三用机组：
1）增大单台机组的制热能力。

采用变频压缩机以达到高负荷高转速、低负荷低转速的不同负荷需求；采用经济器结构，冬季低温时用经济器实现准二级压缩，温度较高时关闭经济器回路实现正常单级压缩；
改换制冷工质、采用新型的大压缩比的压缩机等办法。

2）寻求廉价的、易于获取的、非矿物燃料的辅助热源如太阳能、废水、余热等，以解决由于环境温度过低而使热泵机组制热能力下降的问题，同时有机地将热泵机组与辅助热源结合运行以达到最优的节能目的。

3）充分利用出压缩机的高温高压工质的过热焓（冷凝热）产生较高温度的生活用水。

4．结论
本文对风冷热泵的应用与节能方面进行了分析，提出了低温制热运行的解决方案以拓宽机组的运行范围，通过改进机组的自身能效比、采用有效的翅片盘管表面处理，应用合理的除霜方式及优化的除霜控制逻辑，将热回收技术应用于热泵技术中以达到节能的目的，以使风冷热泵在我国更广泛的应用，满足当前可持续性发展的节能要求。