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空气源热泵在北方地区应用现状以及优化原则
来源:地大热能 2015-08-12
  随着人民生活水平不断提高, 热泵空调机组尤其是空气源热泵空调机组在我国长江中下游、西南、华南地区(中国气候分区的Ⅲ 、Ⅳ区)得到广泛的应用, 这些地区冬季室外温度一般不低于零下5 ℃, 室内需热量不大, 夏季气温较高, 一般有制冷的要求, 当采用空气源热泵系统时, 应用效果良好, 机组运行平稳, 由于在这些地区热泵的运行区间(外温由10 ~ -5 ℃)相对较窄, 机组的经济性可以得到较好的保证, 无需辅助热源, 能够以较低的初投资、较低的能耗较好地满足该地区的采暖、空调要求, 高效节能、不污染环境、能实现一机两用。
 
  而对于黄河流域、华北地区这些传统的采暖地区(中国气象分区的Ⅱ区和Ⅰ区南部)长期以来一直依靠燃煤、燃油采暖。随着经济的发展、城市规模的扩大, 这些传统的采暖方式的缺点越来越突出, 不能适应可持续发展的要求, 据统计燃煤采暖已经成为北方冬季城市空气污染的罪魁祸首。
 
  因此对于这些地区探索出一些可持续发展的洁净采暖技术就具有非常现实而且重要的意义, 并逐渐成为工程界、学术界普遍关注的一个热点问题 。空气源热泵使用方便、能量利用效率高、对使用地区基本不产生什么污染, 如果能够解决在低温环境下工作的一些不足, 应该是21 世纪替代传统供暖模式的具有节能、环保意义的最有竞争力的一种电力驱动采暖技术。不仅如此, 这种技术的推广对于地区能源结构调整、治理大中城市环境污染, 解决电力结构性过剩、促进暖通空调的可持续发展也有着十分积极的意义。
 
  但是, 长期以来的理论和实践均表明, 如果这种空气源热泵系统不作任何改进就加以推广到黄河流域、华北、西北等地区, 那么设备将无法在冬季正常工作:系统的制热量随着外温的下降而迅速下降, 而需热量却随着外温的下降而迅速上升,当外界温度很低时, 系统的制热量将小到无法满足这些地区的冬季采暖需求;与此同时, 随着室外环境温度的降低, 机组COP 急剧下降、压缩机的压比会越来越大, 导致排气温度不断升高, 长期运行必然会严重损坏压机。此外从空气源热泵冷热水机组在这些地区的实际运行的效果看, 热泵系统除霜的准确性还不尽人意, 有许多有待改进的地方, 主要表现为现有的除霜判据不能适应北方的这种大范围运行工况, 热泵系统误除霜现象严重, 需要除霜与实际除霜不合拍、除霜水不易流尽、除霜时间过长往往会导致室内温度波动过大,用户有明显的吹冷风的感觉;机组在低温工况启动困难, 机组在启动阶段或者除霜结束恢复制热时经常容易发生烧机现象。
 
  对于工程设计而言, 长期以来, 除了增设辅助热源(燃油、燃气锅炉房)外, 国内工程设计一直依靠加装辅助电加热器来解决低温环境下制热量不足的问题, 辅助电加热器往往加装在室内水路上,或者在室内进风口前。辅助电加热器主要采用电热管或PTC 两种加热元件, 这两种方式的具体使用效果的比较已有详细叙述, 本文不再赘叙[ 6] 。
 
  应指出的是, 这种加热方式尽管增加了初投资, 但仍然要比整个冬季都直接采用电加热采暖(如电热膜)要经济一些, 研究表明:在北京地区使用带辅助电加热空气源热泵供暖的整个冬季耗电量约为全部直接依赖电加热采暖的电耗的一半, 因而对于某些特定场合(二环以内)仍是值得优先考虑的方案。但这种方式下房间空调器吹出的热风舒适性比较差, 如果采用其他一些改进出风过于干燥的措施, 则初投资又将急剧上升。
 
  要想研究最适合于北方寒冷地区使用的空气源热泵系统, 就必须了解北方地区的实际气候特点, 黄河流域、华北地区冬季采暖期间的气候特点见表1 。由表1可以看出:这些地区冬季采暖期较长,而且室外气温较低, 空气源热泵要想不依靠辅助热源满足这一地区的冬季采暖需要, 一般而言必须能够在-15 ℃左右的大气环境中长期高效、安全运行。但是这一段气温特别低的室外环境温度持续时间又特别短, 系统大部分时间还是运行在一个相对较高的室外温度环境下。综合考虑空气源热泵的冬、夏季的性能, 压缩机的最佳压缩比一般均在3 .5 ~ 4 .0 的水平, 一般不超过7 , 这样在进行系统优化设计时, 出于热泵系统安全性、经济性的考虑, 现行的设计方案均存在一个供暖不保证时间, 当外界温度低于一定值时, 热泵系统停运,启动备用热源[ 4] 。应该说, 相对于目前的热泵技术现状而言, 这是一种较为合理的技术方案, 问题是由于这一过程持续时间很短, 备用热源(辅助电加热或者锅炉房)的存在对于用户而言实在是一块鸡肋, 如果能够开发出一种空气源热泵既能保证在其冬季最大运行时段所对应的效率最高, 同时当室外温度较低时, 仍能安全、经济运行, 这样就可以省去后备热源, 这样无论从初投资还是实际运行费用来看都是用户最希望看到的。近年来, 在华北地区出现了一些使用空气源热泵系统的工程实例, 这些实例均宣称能够在低温寒冷地区正常运行[ 5] , 但是由于这些地区冬季室外温度变化范围较大, 为保证安全, 系统设计一般均选用高压缩比(>10)的压缩机, 虽然这种系统在低温工况下制热效果良好, 经济性也还不错, 但是在室外温度稍高的条件下, 或者夏季制冷运行时由于过压缩会导致系统效率下降较多, 空调机组全年经济指标(SEER)有很大程度的降低, 这种做法并不能使用户真正地实惠, 这种舍本逐末的做法对于热泵行业的持久发展是非常有害的。
 
  

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