在“雙碳”和“清潔供暖”的大背景下,電動式熱泵成為業內發展重點。空氣源熱泵以環境空氣為低位熱源,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模化應用。
空氣源熱泵的性能受制于自然,其應用效果受送風形式和室外氣候條件影響,在實際應用過程中存在工作區供熱效率偏離實際性能、熱舒適度低等問題,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鍵因素。
01—低溫性能提升技術
傳統空氣源熱泵在嚴寒地區時,隨著冬季環境溫度的降低,會出現制熱量急劇衰減,制熱能效下降,甚至壓縮機過熱燒毀的問題。
為解決上述行業難題,目前可采用在單臺滾動轉子式壓縮機上實現帶中間補氣的雙級壓縮技術,即雙級增焓滾動轉子式壓縮機以及三缸雙級變容積比壓縮機。
雙級增焓滾動轉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,然后進入高壓級氣缸進行壓縮,達到高壓狀態排出,有效解決在低溫環境下制熱量衰減大、能效低、可靠性差的問題。
雙級壓縮技術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系統對比)
煦聯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,在我國東北地區、川西高原等冬季嚴寒環境中運行穩定,節能效果顯著。
02—抑制結霜技術
對于高濕重霜工況,空氣源熱泵一旦開機運行便會迅速結霜,導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霜的能力。
傳統機組的研發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,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、室外風機風量、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)
抑霜新技術突破傳統以室外換熱器表面改性、運行環境優化及改善冷媒溫度等抑霜方法,解決了局部優化存在的耐久性弱、技術復雜度高、規模應用難和適用性差等問題,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,實現了熱泵設備抑霜功能的從無到有。
經國家空調設備質檢中心等權威技術部門,在低溫高濕地區現場檢測:抑霜型熱風機結霜率較常規熱風機降低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
對于復雜結霜氣候區,在“抑制結霜”的同時,還需要“準確除霜”。開展有效感知霜層存在、檢測霜層動態生長、判定最佳除霜時機、高效除霜過程等基礎理論和技術研究是空氣源熱泵機組“按需除霜”所不可或缺的重要技術體系。
變頻空氣源熱泵在我國不同地域應用時,結霜區域會發生明顯的變化。在煦聯得部署于不同地域的同一型號空氣源熱泵的臨界結霜點監測中發現,在哈爾濱的臨界結霜線明顯高于北京,而北京又明顯高于上海,需要根據實際情況區分對待或開發新型除霜控制方法。
在感知霜層存在和監測霜層動態生長方面,現有空氣源熱泵除霜技術普遍缺乏可靠的結霜故障診斷特征參數,無法有效感知并監測霜層狀況,導致空氣源熱泵頻繁發生“有霜不除”和“無霜除霜”等事故。
針對這一情況,目前提出基于“風機電流”和“圖像識別”的新型除霜控制技術,將從源頭上解決空氣源熱泵機組的“誤除霜”事故。
在實現霜層有效感知和動態生長檢測的基礎上,針對機組的最佳除霜時機進行判定,避免因除霜時機不準導致機組頻繁進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”預測模型和最佳除霜控制點計算模型,并結合“風機電流”和“圖像識別”等多種判斷結霜程度的特征參數,實現空氣源熱泵“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,通過除霜過程吸氣干度控制,室外換熱器并行分流設計,以及利用空氣能聯動除霜等技術,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,實現高效除霜。
04—供暖熱舒適技術
在解決完空氣源熱泵機組“低溫”和“結霜”問題后,仍需重點關注室內供暖熱舒適性問題,其使用效果和性能受送風形式和室外氣候條件影響,在實際應用過程中存在工作區供熱效率偏離實際性能、熱舒適度低等問題。
通風供熱受熱浮力特性影響,熱氣上浮。目前采用的上送風、側送風形式的室內末端,使整個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,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末端技術。
(分布式送風熱泵空調器模型)
根據不同的熱環境,采用合理的氣流組織形式,更好實現供熱、供冷,在降低無效能耗的同時,解決人體在空調房間內制熱“頭熱腳冷”、制冷“冷風吹人”的痛點問題,實現舒適與節能運行。
(制熱送風人體熱舒適需求)
對不同送風方式(上部出風口送風、正面長條形風口送風、分布式送風)制熱運行效果進行實驗對比驗證,可以看到,分布式送風熱泵空調房間溫度分布更均勻,升溫速率更高,比其他送風方式熱泵空調節能19%~48%。
05—空氣源熱泵的發展展望
未來,為了更好的服務國家“雙碳”目標,空氣源熱泵技術優勢將得到進一步發揮。
針對嚴寒地區的增焓、變容等技術,針對長江流域的高效快速除霜等技術將成為發展重點。同時還將結合熱風對流規律,在通風供熱方式上調整送風方式,提高通風供熱效率。
在新技術路線發展上,熱泵還可以電力調峰填谷,間接消納風電;如何實現熱泵需求側響應模式的間歇運行,實現建筑柔性用電,也將是該領域研究的重要方向。
(文章整理自《中國建筑節能年度發展研究報告2022》,僅供學習交流使用,完整內容請購買正版圖書。)
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