1、关 于 空 气 源 热 泵 机 组 冬 季 运 行制 热 量 衰 减 问 题 的 思 考上 海 市 机 电 设 计 研 究 院 周 祖 毅 摘 要 分 析 了 空 气 源 热 泵 机 组 冬 季 运 行 制 热 量 衰 减 的 原 因 ,并 定 量 分 析 了 室 外 空 气 温 度对 机 组 制 热 量 的 影 响 。 提 出 解 决 问 题 的 可 能 途 径 ,简 要 介 绍 了 日 本 某 公 司 的 最 新 产 品 在 此 方面 所 采 取 的 技 术 措 施 和 取 得 的 实 际 进 展 。关 键 词 空 气 源 热 泵 制 热 量 衰 减 湿 空 气 焓 压 缩 比C o ns
2、i d e r a ti o n o n a tt e n u a ti o n of h e a t g e n e r a t e db y a ir s o ur c e h e a t p u m p s i n wi nt e rBy Zhou Zuyi Abst ra ct A nalyses t he causes of t he p roblem. Quantitatively analyses t he influence of out doortemp erature on t he heat generation. Puts f orward a f ew p ossib
3、le solutions and briefly p resents t he technicalmeasures and p ractical achievements in t he newest p roducts of a J ap an comp any.Keywords air source heat p ump , attenuation of heat generation , ent halp y of wet air , comp ression ratio Shanghai Design Institute of Mechanical 另 一 方面 ,为 了 除 去 盘
4、管 上 的 霜 层 ,机 组 不 得 不 作 周 期 性 的 短 暂 换向 运 行 ,由 制 热 工 况 改 为 制 冷 工 况 。 这 必 然 导 致 机 组 实 际 制热 运 行 时 间 的 减 少 ,从 而 影 响 向 室 内 提 供 的 热 量 。 这 一 部 分热 量 衰 减 得 比 较 有 限 ,大 致 为 5 % 7 % ,而 且 机 组 多 在 空 气温 度 - 5 7 时 出 现 结 霜 。 随 着 室 外 温 度 的 降 低 ,由 于 空气 中 含 湿 量 的 减 小 ,结 霜 的 概 率 不 增 反 降 。 2) 由 于 室 外 温度 的 降 低 ,直 接 导 致 热 泵
5、 机 组 制 热 量 的 降 低 。上 述 第 2 个 原 因 似 乎 简 单 而 且 直 观 :既 然 空 气 源 热 泵机 组 赖 以 工 作 的 热 源 是 室 外 空 气 ,也 即 其 热 量 完 全 是 取 自于 室 外 大 气 ,那 么 ,随 着 室 外 温 度 的 降 低 ,空 气 本 身 的 比 焓自 然 也 会 随 之 减 小 ,所 以 ,热 泵 制 热 量 的 大 幅 度 衰 减 是 无 法避 免 的 。其 实 ,这 只 是 一 种 似 是 而 非 的 说 法 。 说 它 “ 似 是 ” ,是 因为 随 着 空 气 温 度 的 降 低 ,其 比 焓 的 确 也 会 降 低
6、。 比 如 ,干 球温 度 7 时 ,相 对 湿 度 70 %的 空 气 的 比 焓 是 18 kJ/ kg ,而- 5 时 ,相 对 湿 度 70 %的 空 气 的 比 焓 仅 为 0105 kJ/ kg。说 它 “ 非 ” ,是 因 为 热 泵 机 组 通 过 室 外 换 热 器 从 大 气 中 获 得24 专 业 论 坛 暖 通 空 调 HV V 通 过 换 热 器 的 空 气 流 量 ,m3 / h ; o 换 热 器 出 口 空 气 的 密 度 ,kg/ m3 ;ho 换 热 器 出 口 空 气 的 比 焓 ,kJ/ kg ; i 换 热 器 入 口 空 气 的 密 度 ,kg/ m
7、3 ;hi 换 热 器 入 口 空 气 的 比 焓 ,kJ/ kg。下 面 对 7 和 - 5 时 两 种 入 口 空 气 温 度 情 况 下 换 热器 获 取 的 热 量 作 一 比 较 。 假 定 两 种 情 况 下 V 不 变 (风 机 转速 不 变 ) ,换 热 器 出 口 和 入 口 空 气 温 差 都 是 5 ,且 入 口 空气 相 对 湿 度 都 是 70 % ,计 算 结 果 见 表 1。表 1 两 种 工 况 的 计 算 结 果 比 较工 况 室 外 换 热 器 出 口 室 外 换 热 器 入 口 获 得 的 热 量to/ o/(kg/ m3)ho/(kJ/ kg)ti/ i
8、/(kg/ m3)hi/(kJ/ kg)Q/ (kJ/ h) 2 11261 18 7 11 284 918 10112V - 10 11317 - 0105 - 5 11 342 - 710 91 32V注 :因 V 前 后 温 度 变 化 很 小 ,故 风 机 转 速 不 变 情 况 下 其 改 变 量 可忽 略 不 计 。 to ,ti 分 别 为 换 热 器 出 、 入 口 的 空 气 温 度 。如 果 把 室 外 空 气 温 度 对 热 泵 室 外 换 热 器 从 室 外 空 气 中获 取 热 量 的 影 响 称 为 直 接 影 响 ,而 把 室 外 空 气 温 度 对 热 泵运 行
9、 性 能 的 影 响 称 为 间 接 影 响 的 话 ,那 么 ,计 算 结 果 表 明 ,冬 季 室 外 空 气 温 度 的 下 降 对 热 泵 机 组 制 热 能 力 确 实 有 直 接影 响 ,但 却 并 不 像 人 们 想 象 的 那 么 大 。 在 室 外 温 度 由 7 降 低 到 - 5 时 ,制 热 能 力 因 受 直 接 影 响 因 素 导 致 的 衰 减量 仅 为 8 %。 可 是 ,目 前 市 场 上 一 般 空 气 源 热 泵 机 组 在 此温 度 变 化 范 围 内 ,制 热 量 的 实 际 衰 减 幅 度 却 远 远 大 于 8 % ,原 因 何 在 ? 笔 者 以
10、 为 ,不 妨 用 室 外 空 气 温 度 的 间 接 影 响 来说 明 。 随 着 室 外 温 度 的 下 降 ,制 冷 循 环 中 的 蒸 发 温 度 和 蒸发 压 力 也 降 低 。 于 是 ,压 缩 机 的 吸 气 压 力 也 会 下 降 ,吸 入 制冷 剂 的 密 度 变 小 ,压 缩 机 的 实 际 单 位 时 间 质 量 排 量 减 小 ,其产 热 量 自 然 便 会 降 低 下 来 。 这 是 问 题 的 一 个 方 面 ,问 题 的另 一 方 面 是 ,当 室 外 温 度 和 吸 气 压 力 下 降 时 ,为 了 确 保 室 内供 暖 的 效 果 ,冷 凝 温 度 和 冷 凝
11、 压 力 还 得 保 持 相 应 的 水 平 。这 样 一 来 ,制 冷 循 环 中 的 压 缩 比 便 不 得 不 增 大 。 随 着 压 缩比 的 增 大 ,电 动 机 线 圈 的 散 热 负 荷 也 增 大 ,要 求 较 正 常 情 况加 强 冷 却 。 所 以 ,当 空 气 源 热 泵 机 组 在 室 外 温 度 降 低 到 一定 值 ,压 缩 比 大 到 一 定 程 度 ,而 排 气 温 度 提 高 到 某 一 限 值 ,电 动 机 得 不 到 适 当 冷 却 时 ,便 应 由 相 应 的 自 动 保 护 控 制 程序 指 示 打 开 电 磁 阀 ,实 施 短 暂 的 高 压 液 体
12、 直 接 喷 液 冷 却 。作 为 压 缩 机 在 高 压 缩 比 下 运 行 的 一 项 必 要 的 保 护 措 施 ,它非 但 不 会 对 制 冷 循 环 性 能 系 数 的 提 高 有 任 何 益 处 ,反 而 会降 低 其 效 能 。 所 以 ,这 些 都 是 导 致 热 泵 机 组 在 低 温 下 运 行制 热 量 进 一 步 衰 减 的 因 素 。3 避 免 空 气 源 热 泵 机 组 冬 季 运 行 制 热 量 衰 减 的 措 施由 上 述 分 析 可 见 ,既 然 导 致 空 气 源 热 泵 机 组 冬 季 运 行制 热 量 衰 减 的 因 素 是 多 样 的 ,那 么 ,要
13、想 做 到 机 组 的 制 热 量在 较 低 的 室 外 温 度 范 围 内 不 衰 减 或 少 衰 减 ,就 必 须 针 对 上述 各 项 因 素 采 取 对 应 的 措 施 。 譬 如 ,针 对 室 外 低 温 空 气 的直 接 影 响 因 素 ,笔 者 以 为 可 用 适 时 提 高 风 机 转 速 、 加 大 风 量的 办 法 。 这 可 从 式 ( 1) 得 到 解 释 。 由 于 获 热 量 Q = V( h) ,随 着 室 外 温 度 的 降 低 , ( h) 减 小 ,要 保 持 获 热 量 Q不 变 ,只 有 加 大 风 量 V 予 以 补 偿 。 对 于 导 致 热 泵 机
14、 组 冬 季制 热 量 衰 减 的 间 接 影 响 因 素 ,笔 者 以 为 ,大 致 也 可 从 以 下 两个 方 面 着 手 :一 是 加 大 压 缩 机 转 速 ,增 大 压 缩 机 单 位 时 间 内工 质 的 质 量 排 量 ;二 是 改 进 制 冷 循 环 ,譬 如 增 加 节 能 器 。 当然 ,也 可 改 用 二 级 压 缩 ,不 过 ,这 会 大 大 增 加 制 冷 系 统 的 复杂 性 ,提 髙 生 产 成 本 和 产 品 价 格 ,未 必 现 实 。如 今 ,有 可 靠 信 息 表 明 ,日 本 某 公 司 在 这 一 方 面 已 取 得了 很 大 的 进 展 。 他 们
15、 新 一 代 的 商 用 空 气 源 热 泵 机 组 采 用 专利 技 术 ,已 能 成 功 地 实 现 在 室 外 温 度 - 15 及 以 上 时 ,保持 额 定 制 热 量 不 衰 减 。 只 有 当 室 外 温 度 降 低 到 - 15 以下 后 ,制 热 量 才 开 始 衰 减 ,而 且 ,其 最 低 运 行 温 度 可 低 至 -25 。 机 组 在 室 外 温 度 - 15 下 运 行 的 制 热 系 数 可 达 到215 ,较 之 于 该 公 司 原 来 的 变 频 式 机 提 高 30 %。 其 具 体 做法 是 改 进 制 冷 循 环 ,将 原 来 的 高 压 喷 液 冷
16、却 改 为 中 压 气 液两 相 混 流 喷 注 。 这 样 既 可 解 决 大 压 缩 比 下 的 排 气 高 温 自 动保 护 问 题 ,又 大 大 改 善 了 制 冷 循 环 ,并 确 保 了 低 温 下 工 质 的循 环 量 ,从 而 在 很 大 程 度 上 减 缓 了 制 热 量 的 衰 减 ,扩 大 了 机组 的 低 温 应 用 范 围 。 据 称 ,该 项 技 术 的 关 键 在 于 通 过 实 验确 定 两 相 喷 注 的 最 佳 气 液 混 合 比 例 。 另 外 ,该 公 司 的 资 料表 明 ,新 系 列 机 组 的 压 缩 机 、 室 外 机 和 室 内 机 的 通 风
17、 机 均 采用 了 高 效 的 直 流 电 动 机 传 动 技 术 ,可 确 保 从 低 转 速 到 高 转速 全 部 范 围 内 的 高 效 运 行 。 相 关 资 料 还 表 明 ,该 型 机 组 压缩 机 的 运 行 需 要 根 据 室 外 温 度 的 降 低 ,自 动 提 高 转 速 以 适应 工 况 的 变 化 。 从 上 述 分 析 可 知 ,这 正 是 机 组 在 低 温 条 件下 运 行 ,加 大 工 质 循 环 流 量 的 可 行 和 可 靠 的 措 施 。 对 于 室外 机 组 风 机 在 低 温 下 的 运 行 ,虽 然 资 料 没 有 作 进 一 步 说 明 ,不 过
18、,按 照 上 述 推 理 ,也 只 有 提 高 转 速 才 能 满 足 要 求 。总 结 以 上 论 述 ,不 难 看 到 ,空 气 源 热 泵 机 组 冬 季 制 热 量衰 减 的 问 题 ,不 管 是 从 理 论 上 ,还 是 从 实 践 上 说 ,都 是 可 以采 取 相 应 的 技 术 措 施 ,在 一 定 程 度 上 予 以 解 决 的 。参 考 文 献1 尉 迟 斌 , 卢 士 勋 , 周 祖 毅 . 实 用 制 冷 与 空 调 工 程 手 册 M .北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 20042 三 菱 电 机 寒 冷 地 向 用 . 200534 暖 通 空 调 HV &A C 2006 年 第 36 卷 第 6 期 专 业 论 坛
