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-35℃低温不再是障碍!6大技术使空气能热泵战胜严寒

发布日期:2020-05-11 15:41
  [金富圭讯]中国的空气能热泵技术目前处于地位,近年来通过新的压缩机技术、变频技术和新的系统形式,已经把空气能热泵的适用范围扩展到-35℃乃至更低的低温环境,这就使得空气能热泵在绝大多数地区都可高效制热。 
  目前,已应用的低温空气能热泵技术主要包括以下几个方面:
1.变频技术
  制冷剂单位容积制热量下降是制热量衰减的主要原因,因此增大压缩机的实际输气量,是解决空气能热泵制热量衰减的有效措施。
  压缩机变频(变转速)技术能够在压缩机气缸工作容积不变的情况下,通过提高压缩机的运行频率来达到增大压缩机实际输气量的目的,从而有效减缓制热量衰减幅度。变频技术已成为空气能热泵制热量衰减的重要解决措施之一,在实际应用中根据室外环境温度和室内设定温度,来调节压缩机运行频率以缓解热量供需矛盾。
2.准二级压缩技术
  准二级压缩技术早应用于螺杆压缩机。在国内,20世纪80年代中期就有学者进行了带经济器的准二级压缩系统的研究,并在螺杆机组中得到成功应用。研究指出这种系统在低温环境下的节能效果显著,在-30℃的低温环境下,该系统完全可以取代双级压缩系统。
  由于螺杆机组容量一般较大,同时这种系统相对于单级压缩系统的优势随着蒸发温度的上升逐渐下降,因此这种准二级压缩的研究长期以来一直局限于低温制热,其制冷工况的可行性一直未能得到足够的关注。
  采用带中间补气口的涡旋式压缩机的空气能热泵系统,提高了低温制热量和COP,是目前应用为广泛且被反复证明的技术手段。与普通空气能热泵机组相比,准二级压缩空气能热泵系统机组具有以下两个突出特点:
  1)压缩机上设有中间补气口,通过辅路补入中温中压制冷剂,既增加了流经冷凝器的制冷剂循环流量,又降低了蒸发器入口的制冷剂比焓,从而提升低环境温度下的系统性能。
  2)通过关/开辅路上的节流装置,可以实现单级压缩热泵系统和准二级压缩机热泵系统的切换,既能够确保常温工况下的系统性能,又能够确保在室外低环境温度下的安全、可靠运行。
  采用涡旋式制冷压缩机的准二级压缩技术已成功应用于低温空气能热泵系统中,其低温制热性能相比于单级压缩系统提升幅度明显,在-15℃室外环境温度下制热量提升20%以上。
  除了在涡旋式制冷压缩机和螺杆式制冷压缩机上实现准二级压缩之外,在单级滚动转子式制冷压缩机上也可以实现准二级压缩,这种类型的压缩机称为准二级滚动转子式制冷压缩机。它是在单级滚动转子式制冷压缩机的气缸上增加中间补气口,由中间补气口吸入中压气体,并通过设置在补气口上的补气阀来控制中间补气口气流的通断。 
3.单机双级压缩技术
  目前,在小型单机双级压缩空气能热泵系统中,大多使用滚动转子式制冷压缩机。
  与采用准二级涡旋式制冷压缩机和准二级滚动转子式制冷压缩机的空气能热泵系统相比,双缸双级滚动转子式制冷压缩机空气能热泵系统具有以下优势:
  1)中间补气量大于准二级系统,有利于提高制热量和降低排气温度。
  实际结果表明,在室外环境温度为-15℃时,设计良好冷凝器的双级压缩空气能热泵系统的制热量与常规一级节流装置高压级气缸单级压缩空气能热泵系统相比提升幅度可达40%,高于准二级压缩空气能热泵系统制热量的提升幅度。
  2)压缩机的总压力比由低、高压级气缸分担,使得每级气缸的压力比显著减小,提高了压缩机的容积效率和等熵效率,有利于提高热泵制热量和COP。 
4.双机双级压缩技术
  为了实现空气能热泵在不采用电辅热等情况下满足寒冷地区冬季供热需求,采用两个压缩机串联的双机双级压缩空气能热泵系统应运而生。
  采用双机双级压缩的空气能热泵可以切换为普通单级压缩运行模式,也可以切换为双级压缩运行模式,这样既可以满足常温工况下的制热运行要求,又能在-18℃的低温环境中稳定、可靠地长期运行,压缩机排气温度始终低于130℃,能够在没有电辅热等条件下满足寒冷地区冬季供热需求,且具有较高的COP。 
5.双级耦合热泵技术
  双级耦合热泵系统由空气-水热泵系统与水-水热泵系统组成,分别为一级和二级。
  在室外环境温度较高时,二级(水-水)热泵系统不工作,一级(空气-水)热泵系统工作,制取的热水由水泵输送到末端(风机盘管或地板供热),在末端放热后返回到一级热泵系统的冷凝器中。
  在室外环境温度较低时,一级(空气-水)热泵系统和二级(水-水)热泵系统均工作,两个三通阀均换向,一级热泵系统制取的10~20℃低温热水由水泵输送至二级热泵系统的蒸发器中,二级热泵系统从低温热水中吸收热量后制取高温热水,并由水泵输送至末端,在末端放热后返回到二级热泵系统的冷凝器中。
  在低温及超低温工况下,双级耦合热泵系统制热运行时具有较高的制热量和COP,以及较低的排气温度。
  与双机双级压缩热泵系统相比,由于增加换热环节会导致换热损失增加,且无中间补气过程,因此,双级耦合热泵系统制热量和COP均相对较低,排气温度相对较高,但系统运行控制相对简单。 
6.复叠热泵技术
  复叠热泵系统由两个相对独立的单级压缩热泵子循环(分别为高温级循环和低温级循环)通过冷凝蒸发器耦合而成。一般而言,高温级循环使用中温制冷剂,低温级循环使用低温制冷剂。
  与普通单级压缩热泵系统相比,复叠热泵系统的低温级循环和高温级循环压缩机的压力比显著降低,同时低温级循环冷凝器出口的制冷剂温度明显降低,因此低温制热运行时具有较高的制热量和COP,以及较低的排气温度。
  与准二级或双级压缩热泵系统相比,由于增加了冷凝蒸发器换热环节所以会导致不可逆损失的增加,制热量和COP相对较低,排气温度相对较高。
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