低温空气源热泵机组研究

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1、1绪论热泵技术是近年来倍受关注的新能源利用技术[10】，它具有制热系数高、应用领域广泛等优点，而且最近世界各国为了节能减排，纷纷出台了相关的政策措施，鼓励热泵技术的发展，如欧洲电热水器被禁止生产，日本对热泵产品的补贴，中国十二五规划提出了大力发展地源热泵的新举措等等，因此热泵机组具有广阔的发展前景。热泵性能受低温热源影响较大，目前应用较多的低温热源有地下水、土壤、以及环境空气⋯J。地下水一般指地球浅层水源，水源的温度相对稳定，基本与当地的年均气温相近【他1。我国代表性区域的地下水温度分别为：华南地区约为18℃’25℃，华东地区约为17℃’23℃，华北地区约为14。C～17℃，东

2、北地区约为6℃’16℃D3]，均很适合作为热泵的低温热源。水源热泵系统简单，制热系数高，系统运行稳定，但是出于对地下水的保护以免使地下水源受到污染，以及地上建筑安全的考虑以防建筑物地基沉降，地下水利用必须回灌，而且目前许多地区在利用地下水前都要相关部门的审批ll41。土壤源一般是指地表下200米之内土壤所蕴含的热能，土壤源热泵是一种利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调设备，土壤源也具有热能容量大、温度相对稳定等优势【15】。土壤源的问题是初投资大、可能存在负荷不平衡也就是连续运行时热泵的冷凝温度和蒸发温度受土壤温度的变化发生波动、它需要用防冻液在土壤和热泵之问输送热

3、量，带来了额外的传热温差和防冻液泵的能耗，此外部分地区应用土壤源热泵时需要在相关部门各案。空气源是指室外环境中空气所蕴含的热能[16】，优点是随时随地可得、系统初投资小、系统结构相对简单；缺点是空气温度在不同季节变化很大，尤其是北方地区冬季温度很低，空气源热泵的适用性欠佳。表1．1列出了中国主要城市的冬季平均温度表。表1．1中国主要城市的冬季平均温度表Tablel-1Theaveragewintertemperatureofcityinchina综上，水源热泵和土壤源热泵工况参数变化范围相对较小，但是如果选为热泵机组的低温热源就会因为一些国家政策受到很多的限制。而空气源热泵因为

4、低天津科技大学硕士学位论文温热源是环境空气，使用完全不受限制，因此空气源热泵技术更容易大规模推广使用，这样节能环保的效果也更加突出。虽然空气源热泵有着广阔的市场和美好的前景，但是由于空气温度变化范围大，尤其是在我国北方冬季气温很低，普通热泵的制热量和制热系数均下降很大。因为环境温度降低后，会给机组带来如下几个问题：第一，压缩机压比增大，排气温度升高。第二，机组制热能力下降，不能满足室内预定温度。第三，机组效率降低。第四，需要给室外机除霜【17】。因此亟需研究在低温条件下能够稳定工作的空气源热泵及相关技术，这样就会提高空气源热泵在我国北方寒冷地区的冬季供暖应用效果，推广空气源热泵

5、在我国北方的应用范围，从而减少我国北方冬季供暖对化石燃料的使用，达到节能减排和保护环境的目的。1．2空气源热泵国内外研究现状提高空气源热泵的低温适用性，一向都是国内外学者的研究重点，之前国际制冷学会已经把《寒冷地区使用空气源热泵的可行性和替代性研究》定位为制冷领域应优先解决的重要问题【191。20世纪80年代早期，Arai等人提出了一种带有闪发器的涡旋压缩机补气系统，这一个措施就使得空气源热泵在低温工况下的制热性能提高约为15％【201。在80年代的中期有些学者提出了一种带有经济器的准二级压缩系统，并且在螺杆机组中得到成功应用【21】【221。为了能够解决低温工况制热时排气温度

6、过高的问题，同本的学者Yanagisawa等人【23】提出了一种带有喷液旁路的涡旋压缩系统，而且该项技术还成功的用在了日立公司推出的J系列热泵空调机组中，现场测试数据表明由于使用了该项技术，机组可以正常工作于．15摄氏度以上的低温环境中。美[]Westing．House公司采用“Hi—Re．Li”新循环[241，成功实现了机组在．28摄氏度的工况下正常运行。Sami，等人[25】采用HFC一23、HCFC一22、HFC一152a组分的混合制冷剂，在．13．5摄氏度工况下进行实测，数据表明机组的供热性能系数平均值可以达到2．4。2000年，谷轮公司提出了一种二级压缩并且能够调节容

7、量的涡旋压缩机设计理念(2们，这项技术如果在我国北方地区应用，可有效降低辅助电加热的电用量。我国学者马最良先生提出了一种采用空气源热泵与水．水热泵或水．空气热泵组成耦合的双级耦合式热泵供暖系统【2’7]，可以解决寒冷地区低温制热时热泵性能恶化的难题。Wang等A[28】对马最良先生提出的用于北京地区的双级耦合式热泵供暖系统做了为期一个月的现场测试，测试数据表明，低温环境中双级运行工况，拥有较高的供热性能系数。马国远等学者利用带有辅助进气口的涡旋压缩机[291，成功研制了带经济器的绪沦准二级压