在“雙碳”和“清潔供暖”的大背景下,電動(dòng)式熱泵成為業(yè)內發(fā)展重點(diǎn)�？諝庠礋岜靡原h(huán)境空氣為低位熱源,具有熱量“處處存在、時(shí)時(shí)可得、隨需而取”的特點(diǎn),已在我國以多種形式在建筑供暖中規�；瘧�用。

空氣源熱泵的性能受制于自然,其應用效果受送風(fēng)形式和室外氣候條件影響,在實(shí)際應用過(guò)程中存在工作區供熱效率偏離實(shí)際性能、熱舒適度低等問(wèn)題,如“低溫”和“結霜”都是制約空氣源熱泵機組穩定運行和高效供暖的關(guān)鍵因素。

01—低溫性能提升技術(shù)

傳統空氣源熱泵在嚴寒地區時(shí),隨著(zhù)冬季環(huán)境溫度的降低,會(huì )出現制熱量急劇衰減,制熱能效下降,甚至壓縮機過(guò)熱燒毀的問(wèn)題。

為解決上述行業(yè)難題,目前可采用在單臺滾動(dòng)轉子式壓縮機上實(shí)現帶中間補氣的雙級壓縮技術(shù),即雙級增焓滾動(dòng)轉子式壓縮機以及三缸雙級變容積比壓縮機。

雙級增焓滾動(dòng)轉子式壓縮機將制冷劑的一次壓縮過(guò)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(lái)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(wèn)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℃,如采用三缸雙級變容積比壓縮機,則可將系統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)系統對比)

煦聯(lián)得當前運行的節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、川西高原等冬季嚴寒環(huán)境中運行穩定,節能效果顯著(zhù)。

02—抑制結霜技術(shù)

對于高濕重霜工況,空氣源熱泵一旦開(kāi)機運行便會(huì )迅速結霜,導致機組頻繁除霜且長(cháng)期低效運行,機組需要同時(shí)具備除霜控制和抑制結霜的能力。

傳統機組的研發(fā)流程是以名義制熱工況點(diǎn)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“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霜程度的無(wú)量綱綜合本構參數),參數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?jì)?yōu)化存在的耐久性弱、技術(shù)復雜度高、規模應用難和適用性差等問(wèn)題,依據抑霜目標重構空氣源熱泵機組研制新方法,有效彌補傳統空氣源熱泵抑霜能力的不足,實(shí)現了熱泵設備抑霜功能的從無(wú)到有。

經(jīng)國家空調設備質(zhì)檢中心等權威技術(shù)部門(mén),在低溫高濕地區現場(chǎng)檢測:抑霜型熱風(fēng)機結霜率較常規熱風(fēng)機降低59.2%,抑霜型熱水機結霜頻率較常規熱水機降低36.%,供暖季平均運行COP分別為3.7和3.0。

03—準確除霜技術(shù)

對于復雜結霜氣候區,在“抑制結霜”的同時(shí),還需要“準確除霜”。開(kāi)展有效感知霜層存在、檢測霜層動(dòng)態(tài)生長(cháng)、判定最佳除霜時(shí)機、高效除霜過(guò)程等基礎理論和技術(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用時(shí),結霜區域會(huì )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霜點(diǎn)監測中發(fā)現,在哈爾濱的臨界結霜線(xiàn)明顯高于北京,而北京又明顯高于上海,需要根據實(shí)際情況區分對待或開(kāi)發(fā)新型除霜控制方法。

在感知霜層存在和監測霜層動(dòng)態(tài)生長(cháng)方面,現有空氣源熱泵除霜技術(shù)普遍缺乏可靠的結霜故障診斷特征參數,無(wú)法有效感知并監測霜層狀況,導致空氣源熱泵頻繁發(fā)生“有霜不除”和“無(wú)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(shí)現霜層有效感知和動(dòng)態(tài)生長(cháng)檢測的基礎上,針對機組的最佳除霜時(shí)機進(jìn)行判定,避免因除霜時(shí)機不準導致機組頻繁進(jìn)入除霜動(dòng)作和運行能效衰減過(guò)大的問(wèn)題。

通過(guò)建立空氣源熱泵“名義制熱量損失系數”預測模型和最佳除霜控制點(diǎn)計算模型,并結合“風(fēng)機電流”和“圖像識別”等多種判斷結霜程度的特征參數,實(shí)現空氣源熱泵“按需除霜”,控制準確率可由50%提升至95%,供暖系統性能整體提高10%以上。

此外,通過(guò)除霜過(guò)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(dòng)除霜等技術(shù),解決除霜熱量不足、除霜位置前后不同步、過(guò)熱損耗大等除霜效率問(wèn)題,實(shí)現高效除霜。

04—供暖熱舒適技術(shù)

在解決完空氣源熱泵機組“低溫”和“結霜”問(wèn)題后,仍需重點(diǎn)關(guān)注室內供暖熱舒適性問(wèn)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(shí)際應用過(guò)程中存在工作區供熱效率偏離實(shí)際性能、熱舒適度低等問(wèn)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)、側送風(fēng)形式的室內末端,使整個(gè)室內出現明顯的上部暖區和下部冷區,空氣溫度梯度可達10℃,熱量利用效率低、溫度調節效果差,制約了空氣源熱泵空調高效舒適供熱。

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能的分布式送風(fēng)末端技術(shù)。

(分布式送風(fēng)熱泵空調器模型)

根據不同的熱環(huán)境,采用合理的氣流組織形式,更好實(shí)現供熱、供冷,在降低無(wú)效能耗的同時(shí),解決人體在空調房間內制熱“頭熱腳冷”、制冷“冷風(fēng)吹人”的痛點(diǎn)問(wèn)題,實(shí)現舒適與節能運行。

(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(cháng)條形風(fēng)口送風(fēng)、分布式送風(fēng))制熱運行效果進(jìn)行實(shí)驗對比驗證,可以看到,分布式送風(fēng)熱泵空調房間溫度分布更均勻,升溫速率更高,比其他送風(fēng)方式熱泵空調節能19%~48%。

05—空氣源熱泵的發(fā)展展望

未來(lái),為了更好的服務(wù)國家“雙碳”目標,空氣源熱泵技術(shù)優(yōu)勢將得到進(jìn)一步發(fā)揮。

針對嚴寒地區的增焓、變容等技術(shù),針對長(cháng)江流域的高效快速除霜等技術(shù)將成為發(fā)展重點(diǎn)。同時(shí)還將結合熱風(fēng)對流規律,在通風(fēng)供熱方式上調整送風(fēng)方式,提高通風(fēng)供熱效率。

在新技術(shù)路線(xiàn)發(fā)展上,熱泵還可以電力調峰填谷,間接消納風(fēng)電;如何實(shí)現熱泵需求側響應模式的間歇運行,實(shí)現建筑柔性用電,也將是該領(lǐng)域研究的重要方向。

(文章整理自《中國建筑節能年度發(fā)展研究報告2022》,僅供學(xué)習交流使用,完整內容請購買(mǎi)正版圖書(shū)。)