低溫空氣源熱泵機組研究

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1、1緒論熱泵技術(shù)是近年來倍受關(guān)注的新能源利用技術(shù)[10】，它具有制熱系數(shù)高、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)點，而且最近世界各國為了節(jié)能減排，紛紛出臺了相關(guān)的政策措施，鼓勵熱泵技術(shù)的發(fā)展，如歐洲電熱水器被禁止生產(chǎn)，日本對熱泵產(chǎn)品的補貼，中國十二五規(guī)劃提出了大力發(fā)展地源熱泵的新舉措等等，因此熱泵機組具有廣闊的發(fā)展前景。熱泵性能受低溫?zé)嵩从绊戄^大，目前應(yīng)用較多的低溫?zé)嵩从械叵滤?、土壤、以及環(huán)境空氣?J。地下水一般指地球淺層水源，水源的溫度相對穩(wěn)定，基本與當(dāng)?shù)氐哪昃鶜鉁叵嘟舅?。我國代表性區(qū)域的地下水溫度分別為：華南地區(qū)約為18℃’25℃，華東地區(qū)約為17℃’23℃，華北地區(qū)約為14。C～17℃，東

2、北地區(qū)約為6℃’16℃D3]，均很適合作為熱泵的低溫?zé)嵩?。水源熱泵系統(tǒng)簡單，制熱系數(shù)高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但是出于對地下水的保護以免使地下水源受到污染，以及地上建筑安全的考慮以防建筑物地基沉降，地下水利用必須回灌，而且目前許多地區(qū)在利用地下水前都要相關(guān)部門的審批ll41。土壤源一般是指地表下200米之內(nèi)土壤所蘊含的熱能，土壤源熱泵是一種利用淺層地?zé)豳Y源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)設(shè)備，土壤源也具有熱能容量大、溫度相對穩(wěn)定等優(yōu)勢【15】。土壤源的問題是初投資大、可能存在負荷不平衡也就是連續(xù)運行時熱泵的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度受土壤溫度的變化發(fā)生波動、它需要用防凍液在土壤和熱泵之問輸送熱

3、量，帶來了額外的傳熱溫差和防凍液泵的能耗，此外部分地區(qū)應(yīng)用土壤源熱泵時需要在相關(guān)部門各案。空氣源是指室外環(huán)境中空氣所蘊含的熱能[16】，優(yōu)點是隨時隨地可得、系統(tǒng)初投資小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單；缺點是空氣溫度在不同季節(jié)變化很大，尤其是北方地區(qū)冬季溫度很低，空氣源熱泵的適用性欠佳。表1．1列出了中國主要城市的冬季平均溫度表。表1．1中國主要城市的冬季平均溫度表Tablel-1Theaveragewintertemperatureofcityinchina綜上，水源熱泵和土壤源熱泵工況參數(shù)變化范圍相對較小，但是如果選為熱泵機組的低溫?zé)嵩淳蜁驗橐恍﹪艺呤艿胶芏嗟南拗?。而空氣源熱泵因?/p>

4、低天津科技大學(xué)碩士學(xué)位論文溫?zé)嵩词黔h(huán)境空氣，使用完全不受限制，因此空氣源熱泵技術(shù)更容易大規(guī)模推廣使用，這樣節(jié)能環(huán)保的效果也更加突出。雖然空氣源熱泵有著廣闊的市場和美好的前景，但是由于空氣溫度變化范圍大，尤其是在我國北方冬季氣溫很低，普通熱泵的制熱量和制熱系數(shù)均下降很大。因為環(huán)境溫度降低后，會給機組帶來如下幾個問題：第一，壓縮機壓比增大，排氣溫度升高。第二，機組制熱能力下降，不能滿足室內(nèi)預(yù)定溫度。第三，機組效率降低。第四，需要給室外機除霜【17】。因此亟需研究在低溫條件下能夠穩(wěn)定工作的空氣源熱泵及相關(guān)技術(shù)，這樣就會提高空氣源熱泵在我國北方寒冷地區(qū)的冬季供暖應(yīng)用效果，推廣空氣源熱泵

5、在我國北方的應(yīng)用范圍，從而減少我國北方冬季供暖對化石燃料的使用，達到節(jié)能減排和保護環(huán)境的目的。1．2空氣源熱泵國內(nèi)外研究現(xiàn)狀提高空氣源熱泵的低溫適用性，一向都是國內(nèi)外學(xué)者的研究重點，之前國際制冷學(xué)會已經(jīng)把《寒冷地區(qū)使用空氣源熱泵的可行性和替代性研究》定位為制冷領(lǐng)域應(yīng)優(yōu)先解決的重要問題【191。20世紀(jì)80年代早期，Arai等人提出了一種帶有閃發(fā)器的渦旋壓縮機補氣系統(tǒng)，這一個措施就使得空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能提高約為15％【201。在80年代的中期有些學(xué)者提出了一種帶有經(jīng)濟器的準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)，并且在螺桿機組中得到成功應(yīng)用【21】【221。為了能夠解決低溫工況制熱時排氣溫度

6、過高的問題，同本的學(xué)者Yanagisawa等人【23】提出了一種帶有噴液旁路的渦旋壓縮系統(tǒng)，而且該項技術(shù)還成功的用在了日立公司推出的J系列熱泵空調(diào)機組中，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明由于使用了該項技術(shù)，機組可以正常工作于．15攝氏度以上的低溫環(huán)境中。美[]Westing．House公司采用“Hi—Re．Li”新循環(huán)[241，成功實現(xiàn)了機組在．28攝氏度的工況下正常運行。Sami，等人[25】采用HFC一23、HCFC一22、HFC一152a組分的混合制冷劑，在．13．5攝氏度工況下進行實測，數(shù)據(jù)表明機組的供熱性能系數(shù)平均值可以達到2．4。2000年，谷輪公司提出了一種二級壓縮并且能夠調(diào)節(jié)容

7、量的渦旋壓縮機設(shè)計理念(2們，這項技術(shù)如果在我國北方地區(qū)應(yīng)用，可有效降低輔助電加熱的電用量。我國學(xué)者馬最良先生提出了一種采用空氣源熱泵與水．水熱泵或水．空氣熱泵組成耦合的雙級耦合式熱泵供暖系統(tǒng)【2’7]，可以解決寒冷地區(qū)低溫制熱時熱泵性能惡化的難題。Wang等A[28】對馬最良先生提出的用于北京地區(qū)的雙級耦合式熱泵供暖系統(tǒng)做了為期一個月的現(xiàn)場測試，測試數(shù)據(jù)表明，低溫環(huán)境中雙級運行工況，擁有較高的供熱性能系數(shù)。馬國遠等學(xué)者利用帶有輔助進氣口的渦旋壓縮機[291，成功研制了帶經(jīng)濟器的緒淪準(zhǔn)二級壓