在“双碳”和“清洁供暖”的大背景下,电动式热泵成为业内发展重点。空气源热泵以环境空气为低位热源,具有热量“处处存在、时时可得、随需而取”的特点,已在我国以多种形式在建筑供暖中规模化应用。

空气源热泵的性能受制于自然,其应用效果受送风形式和室外气候条件影响,在实际应用过程中存在工作区供热效率偏离实际性能、热舒适度低等问题,如“低温”和“结霜”都是制约空气源热泵机组稳定运行和高效供暖的关键因素。

01—低温性能提升技术

传统空气源热泵在严寒地区时,随着冬季环境温度的降低,会出现制热量急剧衰减,制热能效下降,甚至压缩机过热烧毁的问题。

为解决上述行业难题,目前可采用在单台滚动转子式压缩机上实现带中间补气的双级压缩技术,即双级增焓滚动转子式压缩机以及三缸双级变容积比压缩机。

双级增焓滚动转子式压缩机将制冷剂的一次压缩过程分解为两次,制冷剂在低压级气缸中压缩至中压后排入中间腔,与来自增焓部件的中压制冷剂充分混合,然后进入高压级气缸进行压缩,达到高压状态排出,有效解决在低温环境下制热量衰减大、能效低、可靠性差的问题。

双级压缩技术可将空气源热泵运行范围由-15℃~43℃拓宽至-30℃~54℃,如采用三缸双级变容积比压缩机,则可将系统最低运行温度拓展至-35℃,大幅提升空气源热泵在低温制热能力和全工况下的运行效率。

(双级增焓压缩和单级压缩循环系统对比)

煦联得当前运行的节能项目中所部署的空气源热泵,均采用超低温抑霜除霜技术,在我国东北地区、川西高原等冬季严寒环境中运行稳定,节能效果显著。

02—抑制结霜技术

对于高湿重霜工况,空气源热泵一旦开机运行便会迅速结霜,导致机组频繁除霜且长期低效运行,机组需要同时具备除霜控制和抑制结霜的能力。

传统机组的研发流程是以名义制热工况点的制热性能确定机组的制热目标,而未对抑霜提出任何要求。

新方法打破常规“制热为单一目标”,耦合抑霜目标(CICO,可表征空气源热泵机组结霜程度的无量纲综合本构参数),参数涉及室外换热器面积、压缩机行程容积、室外风机风量、压缩机运行频率,重构空气源热泵机组研制流程,建立“制热优先、兼顾抑霜”的抑霜型空气源热泵机组研制新流程。

(抑霜型空气源热泵机组研制新流程)

抑霜新技术突破传统以室外换热器表面改性、运行环境优化及改善冷媒温度等抑霜方法,解决了局部优化存在的耐久性弱、技术复杂度高、规模应用难和适用性差等问题,依据抑霜目标重构空气源热泵机组研制新方法,有效弥补传统空气源热泵抑霜能力的不足,实现了热泵设备抑霜功能的从无到有。

经国家空调设备质检中心等权威技术部门,在低温高湿地区现场检测:抑霜型热风机结霜率较常规热风机降低59.2%,抑霜型热水机结霜频率较常规热水机降低36.%,供暖季平均运行COP分别为3.7和3.0。

03—准确除霜技术

对于复杂结霜气候区,在“抑制结霜”的同时,还需要“准确除霜”。开展有效感知霜层存在、检测霜层动态生长、判定最佳除霜时机、高效除霜过程等基础理论和技术研究是空气源热泵机组“按需除霜”所不可或缺的重要技术体系。

变频空气源热泵在我国不同地域应用时,结霜区域会发生明显的变化。在煦联得部署于不同地域的同一型号空气源热泵的临界结霜点监测中发现,在哈尔滨的临界结霜线明显高于北京,而北京又明显高于上海,需要根据实际情况区分对待或开发新型除霜控制方法。

在感知霜层存在和监测霜层动态生长方面,现有空气源热泵除霜技术普遍缺乏可靠的结霜故障诊断特征参数,无法有效感知并监测霜层状况,导致空气源热泵频繁发生“有霜不除”和“无霜除霜”等事故。

针对这一情况,目前提出基于“风机电流”和“图像识别”的新型除霜控制技术,将从源头上解决空气源热泵机组的“误除霜”事故。

在实现霜层有效感知和动态生长检测的基础上,针对机组的最佳除霜时机进行判定,避免因除霜时机不准导致机组频繁进入除霜动作和运行能效衰减过大的问题。

通过建立空气源热泵“名义制热量损失系数”预测模型和最佳除霜控制点计算模型,并结合“风机电流”和“图像识别”等多种判断结霜程度的特征参数,实现空气源热泵“按需除霜”,控制准确率可由50%提升至95%,供暖系统性能整体提高10%以上。

此外,通过除霜过程吸气干度控制,室外换热器并行分流设计,以及利用空气能联动除霜等技术,解决除霜热量不足、除霜位置前后不同步、过热损耗大等除霜效率问题,实现高效除霜。

04—供暖热舒适技术

在解决完空气源热泵机组“低温”和“结霜”问题后,仍需重点关注室内供暖热舒适性问题,其使用效果和性能受送风形式和室外气候条件影响,在实际应用过程中存在工作区供热效率偏离实际性能、热舒适度低等问题。

通风供热受热浮力特性影响,热气上浮。目前采用的上送风、侧送风形式的室内末端,使整个室内出现明显的上部暖区和下部冷区,空气温度梯度可达10℃,热量利用效率低、温度调节效果差,制约了空气源热泵空调高效舒适供热。

基于空气射流原理及人体热工学,考虑空气的浮生力和下坠力,并结合人体不同部位对冷热刺激的不同反应,提出一种基于热舒适与节能的分布式送风末端技术。

(分布式送风热泵空调器模型)

根据不同的热环境,采用合理的气流组织形式,更好实现供热、供冷,在降低无效能耗的同时,解决人体在空调房间内制热“头热脚冷”、制冷“冷风吹人”的痛点问题,实现舒适与节能运行。

(制热送风人体热舒适需求)

对不同送风方式(上部出风口送风、正面长条形风口送风、分布式送风)制热运行效果进行实验对比验证,可以看到,分布式送风热泵空调房间温度分布更均匀,升温速率更高,比其他送风方式热泵空调节能19%~48%。

05—空气源热泵的发展展望

未来,为了更好的服务国家“双碳”目标,空气源热泵技术优势将得到进一步发挥。

针对严寒地区的增焓、变容等技术,针对长江流域的高效快速除霜等技术将成为发展重点。同时还将结合热风对流规律,在通风供热方式上调整送风方式,提高通风供热效率。

在新技术路线发展上,热泵还可以电力调峰填谷,间接消纳风电;如何实现热泵需求侧响应模式的间歇运行,实现建筑柔性用电,也将是该领域研究的重要方向。

(文章整理自《中国建筑节能年度发展研究报告2022》,仅供学习交流使用,完整内容请购买正版图书。)