低温空气能

空气能以空气作为热源,经过电能驱动,吸取冬天户外空气中的低品位热能,将其转化为高品位热能,以室内空气或水作为传热介质,向建筑供暖。根据使用测传热介质的不同,可以分为空气源热水热泵(如空气能热水机组)和空气源空气热泵(如分体式热泵空调器)。 普通空气能在长江中下游等地区采暖中得到了广泛应用,但是在寒冷的北方地区使用效果不佳。我国寒冷地区冬天气候干燥,即便气温较低,空气能的结霜现象不太严重。制约空气能在寒冷地区应用的主要问题是:

低温空气能 (1)热量需求较大时,制热量不足随着户外环境温度的下降,建筑热负荷是增加的,而空气能的制热量却是随之减少的。这是因为,当户外气温降低时,循环工质的吸气比容增大,导致机组吸气量降低,系统工质循环量减少,机组的制热量会急剧下降。在低温环境下,空气能的制热性能系数也急速降低。 (2)在低温环境下,空气能的可靠性差随着环境温度的降低,循环工质的吸气压力降低,导致压缩机压缩比不断增大,排气温度迅速升高。当室外温度降到一定值时,压缩机排气温度会超过允许的工作范围,压缩机自动停机保护,机组停止正常工作。同时,随着压缩机排气温度升高,润滑剂受热后粘度急剧下降,润滑性能变差,出现压缩机频繁启停的状况。 将热泵循环过程改进为双级压缩循环,理论上可以解决空气能在低温环境下的上述问题。双级压缩循环是将来自蒸发器的低温低压制冷剂蒸气首先压缩到中间压力,经过中间冷却后再压缩到冷凝压力,这样就可以降低压缩机的排气温度,压缩比控制在合理范围内,又可以减少压缩机功耗,机组的稳定性、经济性都有所提高,热泵可以在低环境温度下运行。 国内外学者对此做了机组设计和性能优化的研究,在实验室测试中已经得到了不错的运行效果。 1993年,空气能工程师提出了带经济器的准二级压缩系统,并应用在螺杆机组中,COP可以提升5-11%。不过螺杆式压缩机容量较大,一般不应用于小型空气能。   2001年,马先生等研制了一款适合寒冷地区使用的空气能原型机,利用带辅助进气口的涡旋压缩机,设计了带经济器的一次节流准二级压缩系统。原型机额定制冷量为10kW,在-15℃环境下制热量约6kW,满足100m面积的空调需求。在实验室测试中,原型机在-15℃的低温环境中稳定运行,测试COP为2.32,排气温度不超过130℃。   赵女士对涡旋压缩机准二级热泵系统进行了更为详细的理论研究和实验验证,对最佳补气口位置等机组性能进行优化,并且提出闪发器比过冷器更适合寒冷地区用小型空气能系统采用。庞卫科以带闪发器的涡旋压缩机准二级热泵系统为基础,选用毛细管作为节流元件,设计了一台样机并在北京地区运行测试,机组长期稳定运行,在环境温度-15℃时COP为1.88。   Bertsch提出了带经济器的双级压缩一次节流系统,建立模型模拟设计,并且搭建了实验室原型机,机组设计制热量为17kW,可以在-20℃环境温度下提供50℃的热水。双级压缩系统采用两台单机压缩机,环境温度较高时可以独立单级运行,环境温度较低时系统按双级压缩运行。实验室测试中,机组排气温度始终不超过105℃,热力完善度达45%,可以在低至-30℃的环境温度下运行,COP为2.1。   田先生等提出一种带中间冷却器的双级压缩变频空气能机组,并以16kW制冷量的涡旋压缩机组为例进行了试验研究和模拟计算。试验验证,在-18℃以上的室外气温环境中,系统稳定运行,制热量满足要求。在蒸发温度-25℃、冷凝温度50℃的工况下,COP高于2.0,压缩机排气温度低于120℃。   王先生对两级节流双级压缩的低温空气能系统进行研究,设计并搭建了实验样机和系统测试实验台,进行性能测试和系统优化。样机具有单双级两种循环运行模式,实验结果表明,样机可以长时间可靠运行,在环境温度-20℃下,制取50℃的采暖热水,机组制热量为4.65kW,COP为2.01,压缩机排气温度低于100℃。   低温空气能技术已经取得大量理论研究和样机开发的研究成果,小型低温空气能机组在实验台测试中可靠稳定运行,在低温环境下制热性能良好。   目前市场上已经开发出性能稳定的小型低温空气能家用设备,适宜在农村住宅中安装使用。一类是小型热水型低温空气能,能够提供30℃~50℃的采暖热水,连接地板辐射盘管、散热器等采暖末端系统可以给整户农宅供暖,自2012年开始在北京农村地区陆续建立了几处地板采暖系统的示范工程。一类是小型热风型低温空气能,2015年刚刚推出针对农村地区的价格低廉的分体式空调器设备,还没有示范实践。   北京农村地区燃煤采暖的改造工作势在必行,刻不容缓;另一方面,目前已有的采暖技术都不能十分理想地替代燃煤采暖,小型低温空气能可能是适宜推广的一种替代方式。因此,需要尽快建立农宅示范,验证小型低温空气能用于农宅采暖的可行性,并且通过实际运行效果和运行能耗的测试,研究小型低温空气能是否适宜作为北京农村燃煤采暖替代方案加以推广。    

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