别墅的冷暖系统—空气源热泵系统

姚彬

摘 要：本文主要通过对热泵的含义及空气源热泵的工作原理进行介绍，进行优点及缺点分析，提出应对措置，对设备选型计算作以简单介绍，引出施工和设计时注意的问题

关键词：热泵；空气源热泵；喷气增焓；除霜技术

1 引言

空气源热泵行业适应各方面需求，增长速度日益加快，在生活所需热水的制取方面、冬季的采暖方面，夏季的制冷方面，乃至其它领域都发展良好，能够满足国家所推行的新能源应用及节能减排的要求

2 热泵的含义及工作原理介绍

2.1 热泵的含义

所谓热泵，就是在逆卡诺循环的原理下，由一部分的电能来驱动，传热工质把自然界中的空气、水、土壤或其它低温热源中无法被利用的低品位热能进行有效的吸收，并将其提升到高品位热能的设备。

2.2 空气源热泵的工作原理

空气源热泵的工作原理主要就是围绕着制冷行业的四大核心部件（蒸发器、压缩机、节流阀、冷凝器）进行的。以冬天制热，为室内提供热量为例进行介绍，空气源热泵系统利用室外换热设备（蒸发器）吸收室外环境中太阳产生并储存在空气中的热能，通过压缩机（核心部件）压缩后进入室内换热设备（冷凝器）输送热量，之后经过节流阀节流降压，从始至终，不断地往返工作。

3 空气源热泵的优点、缺点

3.1 空气源热泵的优点

（1）空气源热泵自身不需要通过某些系统进行燃烧，能够有效的减少碳的排放，适应可持续发展的能源所需；（2）空气源热泵适用于别墅、公寓類建筑的安装，不占用太大的空间，安装的机组的长、宽、高尺寸较紧凑，安装的面积小，不用连接很多设备，根据使用需求，可以满足夏季来制冷，冬季来采暖，还可以满足生活所需热水的制取；（3）制热+地面采暖进行组合，产生的热量由下向上，热量散发均匀，使人体感觉舒适，缓解普通的空调送出的暖风所对人体呼吸道产生干燥的影响；（4）空气源热泵在夏季制冷时，出风温度可根据用户自行调节；17[℃]～23[℃]的出风温度，会使人体感觉更加舒适；（5）制冷或者制热方面，空气源热泵能够保持相对较小的温度差，四季都可以享受到舒适的温度。

3.2 空气源热泵的缺点

（1）在冬季，某些地区的室外的温度较低，那么系统在工作时，自身的蒸发温度也会随之降低，根据压缩比的关系，若假设冷凝温度不发生变化，压缩比将会增大，从而引起压缩机的排气温度升高，这对于压缩机来说，是极为不利的，压缩机在严重情况下会损坏甚至烧毁（2）在低温环境下，由于处于室外安装的蒸发器，其表面会结霜，引起传热效果下降，空气流动的阻力加大，导致热泵机组的制热量变少。

4 喷气增焓与除霜技术介绍

4.1 喷气增焓空气源热泵系统原理

制冷剂通过冷凝器后有两个通路，一个回路为制冷回路，另一个回路为喷气回路。制冷的回路中的制冷剂液体直接进入换热器中，喷气的回路的制冷剂通过膨胀阀后，经过改变流量、降低压力的作用后再次进入换热器中。制冷回路和喷气回路的制冷剂在板换中进行热量的交换，制冷的回路的制冷剂通过放出热量变为过冷液体，通过膨胀阀，降低压力之后进入到蒸发器中；喷气回路的制冷剂吸取热量后变成为气体，经过核心部件压缩机的喷射口进入到涡旋压缩机腔；制冷回路的制冷剂和喷气回路的制冷剂在压缩机腔内充分混合后，进行压缩，之后排出到压缩机外，最后进入到冷凝器中。

4.2 加热量的流程

喷气增焓：是将可以收到进一步的冷却液体进入到室外的膨胀装置更多的热量通过室外盘管进行吸收 ——在冷凝器交换更多的热量——冷凝温度升高——压缩机功率消耗提高——制热能力升高较多。

4.3 除霜技术

目前常用的除霜方式主要有电热除霜，逆循环除霜，热气旁通和蓄热除霜方式。

（1）电加热除霜。通过电，进行加热，产生的热量用于化解除霜，在小型的装置系统上可以广泛使用，但由于需要耗电进行除霜，在较大型的设备上应用不经济。

（2）逆循环除霜。通过系统的部件-四通阀，使制冷剂在循环回路中，进行反方向流动，从制热的状态变换成为制冷的状态，从室内吸收热量后，排放至室外的换热器，以融化表面结霜，除霜效果较好。但是在此过程中，高压和低压的对接过程，对在系统里的各部件易发生冲击，影响系统可靠性，引起误除霜或除霜不完全。

（3）热气旁通法除霜。设一个旁通管，位置介于蒸发器的入口、压缩机的出口之间，增加来自旁通管中的热气，对蒸发器表面的结霜进行抑制；缺点是由于蒸发器入口温度提高，会引起热泵系统制热量降低。

（4）蓄热除霜。储存热泵高效运行中的剩余热量，至蓄热器中，作为除霜时的地位热源，解决当热气化解除霜时，所需的热量供应不足的问题。

5 空气源热泵的选型

以400平方米新建别墅（节能建筑）为例，进行供暖和制热水所需热能计算。

5.1 供暖计算依据

大连的气候属于温带季风气候兼有海洋性特点，年平均气温大概在8[℃]～11[℃]左右，夏季最高气温大概在30[℃]～35[℃]左右；冬季最低气温大概在-15[℃]左右

5.2 供暖所需热能计算

设计新建别墅为节能建筑，采暖热负荷按60w每平方计算，则400平方别墅所需热负荷为60×400÷1000=24kW

5.3 制热水所需热能计算

考虑别墅常住4人，每人每天平均需55度热水50升，按照冷天平均进水温度8度计算最大所需热能，则4×50×（55-8）×1.163÷1000=10.9kW

5.4 设备的功率配置

制热水需热能10.9kW，按照设备每天工作运行8小时计算，每小时所需功率为1.36kW，加上住宅所需热负荷24kW，两部分负荷约为26kW。

5.5 设备选型

通过以上计算，如果考虑夏天冷负荷，室外机组选10-15HP，基本可以满足使用需求。

6 空气源热泵在设计及施工时注意的问题

6.1 末端不宜使用暖气片

家用的空气源热泵系统，通常都是由地暖+风机盘管进行搭配，暖气片由于其热效率相对较低且会占据一定的使用面积，不建议使用。

6.2 系统尽量加入软水

由于水中富含各种碱性的离子物质，例如Ca、Me等，容易引起安装管道和相关阀门部件的阻塞，影响使用效果；在不经常使用地暖或者夜晚出现停电较长的情况，可以加一些防冻液、酒精到系统中，可以防止因温度在冬季急剧下降而使管道冻裂。

6.3 加两通阀的风机盘管

多个房间分别安装风机盘管后，当仅需某几个房间工作时，其余不使用的房间在风口处会感觉到有冷风吹出，同时系统的用电量会增加，为避免这种情况发生需在风机盘管的出水口处安装两通阀；为降低管道震动、水阻增大、引起噪音等问题，在某些风机盘管处还需增加三通阀。

6.4 所有管路加保温

热水循环的供水、回水管道、冷凝水管道都需要进行相应的保温，防止泄露及热损失。

6.5 系统主管道要平直

供水管在施工中需要向上倾斜，回水管需要向下倾斜，以便于积存于管道里空气的排放。

7 结束语

空气质量日益变差，全国各城市也开始陆续出现雾霾天气，清洁能源的应用市场在不断扩大。空气源热泵不仅可以满足四季提供生活热水的需求、夏天制冷的需求、冬季采暖的需求，而且在畜牧业、农业大棚恒温等方面也有不俗表现；随着国家的新能源应用及推广政策，相信空气源热泵将在各个领域发挥其应有的功效。

参考文献：

[1] 王沣浩，王志华，郑煜鑫，郝吉波.低温环境下空气源热泵的研究现状及展望[J].制冷学报，2013（5）：47～54.

[2] 吴卫平，吴琛，张伟，窦秀华，程明新.小型低温空气源热泵采暖在北京农村的适用性研究[J].山东工业技术，2017：269.