空氣源熱泵供暖技術(shù)的全面解析

       近兩年“煤改電”市場呈現(xiàn)井噴式發(fā)展?fàn)顟B(tài)，主要原因可歸結(jié)為兩個方面：一方面，霧霾頻發(fā)、環(huán)境污染、能源緊張等問題嚴重影響到人們的生活和身體健康；另一方面，我國開始加速發(fā)展城鎮(zhèn)化建設(shè)和新農(nóng)村建設(shè)。根據(jù)《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017—2021）》，到2019年，北方地區(qū)清潔取暖率將達到50%，到2021年北方地區(qū)清潔取暖率將達到70%。作為煤改清潔能源的推動力量，空氣源熱泵逐漸獲得政府和用戶的多方面認可。由于在實施熱泵集中供暖過程中，難免會遇到諸如如何獲得政府補貼、如何進行系統(tǒng)設(shè)計、不同末端系統(tǒng)的設(shè)計要點、如何提升熱泵行業(yè)從業(yè)人員的從業(yè)技能等難題，所以空氣源熱泵集中供暖應(yīng)該深扎施工技術(shù)，建立企業(yè)品牌，減少產(chǎn)品售后服務(wù)，使熱泵行業(yè)向更加正規(guī)化、規(guī)范化和品牌化的方向發(fā)展。

本文重點介紹熱泵的概念，以及空氣源熱泵供暖的機理。

       何以一臺酷似空調(diào)外機的鐵家伙就能“憑空”輸送出熱量，讓你的房間溫暖如春？無論你是使用者還是經(jīng)銷商，是否真的了解空氣源熱泵呢？

       首先，什么是熱泵？它是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經(jīng)過電力做功，提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。簡潔地說，熱泵就是對自然界的能量進行“搬運”，供應(yīng)在我們所需要的地方的技術(shù)，比如供暖。

       熱泵根據(jù)其吸收能量的來源（熱源）不同，可以分為空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵等。而空氣源熱泵，憑借其各種優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛地被認為是未來最有發(fā)展?jié)撃艿男履茉醇夹g(shù)之一。

一、空氣源熱泵的工作原理

       以空氣源熱泵應(yīng)用于供暖為例，熱泵機組設(shè)備內(nèi)專置一種吸熱介質(zhì)——冷媒，它在液化的狀態(tài)下低于-25℃，與外界溫度存在著溫差，因此，冷媒可吸收外界的熱能，在蒸發(fā)器內(nèi)部蒸發(fā)汽化，通過熱泵機組中壓縮機的工作提高冷媒的溫度，再通過冷凝器使冷媒從汽化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為液化狀態(tài)，在轉(zhuǎn)化過程中，釋放出大量的熱量，傳遞給水箱中的儲備水，使水溫升高，達到制熱水的目的。之后，冷媒經(jīng)過膨脹閥的節(jié)流后，再次變?yōu)榈蜏匾簯B(tài)被運送至蒸發(fā)器內(nèi)，進行下一個循環(huán)。

       機組構(gòu)成運行模式及原理：德費諾熱泵式熱水機組是由一個制冷循環(huán)組成，包括主機和冷凝器兩部分。其中主機部分包括蒸發(fā)器、風(fēng)扇、壓縮機及膨脹閥；冷凝器為內(nèi)放冷凝盤管的保溫箱或者換熱器。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收外部空氣的熱量，通過熱泵循環(huán)在冷凝盤管內(nèi)釋放熱量，加熱水箱內(nèi)的水。水箱的保溫層采用閉孔橡膠海綿或聚氨脂發(fā)泡，且具有良好的保溫性能。圖1表示的是空氣源熱泵的工作原理之一。

空氣源熱泵工作原理圖

       這一由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的循環(huán)，即后來所稱的“卡諾循環(huán)”。

       逆卡諾循環(huán)，是卡諾循環(huán)的逆過程，低溫時做功吸熱，高溫時做負功放熱，將功轉(zhuǎn)換為熱，也是包括空氣源熱泵在內(nèi)的所有熱泵的工作原理。同時，這也是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷目照{(diào)、冰箱等制冷系統(tǒng)的工作原理。逆卡諾循環(huán)也包括四個步驟，都為可逆過程：絕熱膨脹，在這個過程中系統(tǒng)對環(huán)境做功，降溫；等溫膨脹，在這個過程中系統(tǒng)從低溫環(huán)境中吸收熱量，同時對環(huán)境做與該熱量等量的功；絕熱壓縮，在這個過程中系統(tǒng)對環(huán)境做負功，升溫；等溫壓縮，系統(tǒng)恢復(fù)原來的狀態(tài)，在這個過程中系統(tǒng)向高溫環(huán)境中放出熱量，同時環(huán)境向系統(tǒng)做與該熱量等量的功，即負功。

       從理論上講，只要冷媒液化溫度值和環(huán)境溫度間存在著溫度差，就能夠吸收熱量。但是，在實際運用過程中，還受到很多因素的制約。圖2是空氣源熱泵工作介質(zhì)循環(huán)原理。

空氣源熱泵工作介質(zhì)循環(huán)原理

二、空氣源熱泵的關(guān)鍵技術(shù)

       從空氣源熱泵工作原理中，我們可以找出幾個關(guān)鍵詞：冷媒、蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、熱交換器、膨脹閥等，它們都是構(gòu)成熱泵機組的關(guān)鍵性部件。

       冷媒大家并不陌生，最常見的就是一度與臭氧層破壞聯(lián)系起來的氟利昂。冷媒的作用就是在密閉系統(tǒng)內(nèi)通過自身物理特性的轉(zhuǎn)變吸收、釋放熱量。目前，空氣源熱泵機組中，最常見的冷媒有R22、R410A、R134A、R407C四種。冷媒的選擇，以具備無毒、不爆炸、對金屬及非金屬無腐蝕作用、具有較高的蒸發(fā)潛熱、對環(huán)境無害等特點為最理想。

       壓縮機是熱泵機組的“心臟”，理想的熱泵壓縮機能在最低大約-25℃的寒冷環(huán)境中穩(wěn)定運行，并確保在冬季能提供55℃乃至60℃的熱水。在反應(yīng)壓縮機性能方面，噴氣增焓技術(shù)是不得不提的。普通的空氣源熱泵熱水器在環(huán)境溫度低于-10℃時，就很難正常運行。低溫運行工況對熱水器的運行效率有很大的影響,并容易對熱水器的部件造成破壞。低溫工況下，壓縮比增大、吸氣比容增大，導(dǎo)致排氣溫度過高、制熱量減少、性能系數(shù)降低，嚴重時會導(dǎo)致壓縮機損壞等問題。所以針對低溫工況的運行，可以在熱泵熱水機的運行系統(tǒng)中加入補氣增焓、雙級壓縮等一系列措施，提高系統(tǒng)的運行效率。

       噴氣增焓系統(tǒng)是由噴氣增焓壓縮機、噴氣增焓技術(shù)、高效過冷卻器組成的新型系統(tǒng)，這三種技術(shù)的組合可提供高效的性能，是一個有機的整體。噴氣增焓壓縮機采用兩級節(jié)流中間噴氣技術(shù)，用閃蒸器進行氣液分離，實現(xiàn)增焓效果。它通過中低壓時邊壓縮邊噴氣混合冷卻，然后高壓時正常壓縮，提高壓縮機排氣量，達到低溫環(huán)境下提升制熱能力的目的。高效過冷卻器在整個系統(tǒng)中也起到了關(guān)鍵性的作用，一方面對主循環(huán)回路冷媒進行節(jié)流前過冷，增大焓差；另一方面，對輔助回路（這路冷媒將由壓縮機中部導(dǎo)入直接參與壓縮）中經(jīng)過電子膨脹閥降壓后的低壓低溫冷媒進行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，以達到合適的中壓，提供給壓縮機進行二次壓縮。圖3是空氣源熱泵制熱水機組。

空氣源熱泵制熱水機組

       噴氣增焓系統(tǒng)是由噴氣增焓壓縮機、冷媒噴射管路及高效過冷器組成。通過提高低溫環(huán)境工況下的壓縮機回氣量，使其制熱能力提升20%。噴氣增焓系統(tǒng)通過閃蒸器和經(jīng)濟器產(chǎn)生制冷劑蒸汽，同時冷卻主循環(huán)的制冷劑，既降低了排氣溫度，又降低了其排氣過熱度，減少冷凝器的氣相換熱區(qū)的長度，增加兩相換熱面積，提高冷凝器的換熱效率。在產(chǎn)生蒸汽的同時也增加了制冷劑在節(jié)流前的過冷度，使得制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量增加，從而增加制熱量。

       可見，每一個部件的質(zhì)量和效率都很重要，但作為一種清潔能源技術(shù)，最終決定空氣源熱泵工作效能的，并不是某一部分的優(yōu)劣，而是各個部件之間能否實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計組合，從而達到最高的COP值。

       假設(shè)在北方霜凍地區(qū)，一臺空氣源熱泵配備了國際最先進的壓縮機，能夠保證機組在-20℃的環(huán)境下啟動制熱，但是，假如在運行了一段時間之后，由于其除霜技術(shù)并不智能，那么就有可能出現(xiàn)由于頻繁除霜導(dǎo)致室內(nèi)供暖溫度極不均衡甚至直接停止制熱的現(xiàn)象。因此，越來越多的企業(yè)已經(jīng)深刻認識到系統(tǒng)化思維在熱泵生產(chǎn)應(yīng)用中的必要性和重要性。

       此外，考慮到消費者在使用空氣源熱泵采暖時的整體舒適性，機組在降低風(fēng)機運行噪音方，同樣是非常重要的。

三、空氣源熱泵的優(yōu)缺點分析

       空氣源熱泵機組的熱效率一般為3—5左右，以溫升40℃計算，生產(chǎn)一噸熱水約耗電9—15度，而普通電加熱方式需要耗電52度左右。節(jié)能空氣源熱泵在供暖、節(jié)能等方面的重要優(yōu)勢，也是其受到人們廣泛關(guān)注的一個重要原因。

       采用空氣源熱泵來做獨立供暖系統(tǒng)，相對于燃氣等其他采暖方式，在安全性、綜合造價、使用壽命、使用條件限制方面具有明顯優(yōu)勢，特別是一套空氣源熱泵系統(tǒng)既能滿足冬季的供暖需求，又能滿足夏季的制冷需求；使用的能源是最為普及的電力，相比之下，燃氣爐受供氣量、供氣管網(wǎng)等諸多限制；從環(huán)保性來講，燃氣爐畢竟還是有CO2的排放，而且消耗的是可以做其他用途的高品位能源，而空氣源熱泵消耗的是電力，雖然目前中國的大部分電力來自非清潔能源煤，但是，隨著核電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電和水電的進一步發(fā)展，中國的電力也將變得越來越清潔。

       另一方面，就目前的應(yīng)用狀況而言，空氣源熱泵的最大缺點是其制熱量和能效比隨熱源側(cè)（室外環(huán)境）的溫度下降而衰減。理論情況下，當(dāng)室外溫度降至-25℃時，大部分空氣源熱泵機組的能效比在1∶1.3左右，能效狀況并不理想。但是，目前市場上存在的專門針對嚴寒地區(qū)的超低溫空氣源熱泵機，已經(jīng)能夠保證在-15℃以上的環(huán)境下實現(xiàn)1∶2以上的能效比，大大拓寬了空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，特別適合無天燃氣等邊沿地區(qū)。2017年，北京市已完成實施700個平原村莊的煤改清潔能源，優(yōu)先確保完成朝陽、海淀、豐臺、石景山、大興、通州、房山7個區(qū)的改造，在10月底前將實現(xiàn)所有平原村莊的基本“無煤化”。

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