低温空气源热泵的设计及应用研究

李勇

摘  要：热泵是当前新能源技术应用的重要支撑，其能将低位热能转化为高位热能，满足人们的实际应用需要。本文在阐述低温条件对空气源热泵影响的基础上，就低温空气源热泵的设计及应用要点展开分析，期望能为低温空气源热泵高效应用提供保证。

关键词：低温空气源;热泵;设计;应用

可持续发展理念下，热泵系统作为一种全新化的热能源应用设备而得到了广泛应用。然从低温气候空气源热泵运作效率来看，其在蒸发器、冷凝器、节流结构、除霜方式等方面上存在一定问题，这使得设备的运作性能和稳定性受到较大影响，有必要进行低温空气源热泵系统的优化设计。

一、低温条件对空气源热泵的影响

空气源热泵由蒸发器、压缩机、冷凝器、节流机构四大组件构成。在实际运作中，压缩机会排出具有较高温度和压力的冷媒，这些冷媒会在冷凝器中冷凝液化，进而释放大量的热能。同时，节流后的冷媒会在蒸发器中蒸发，从环境中吸收大量热能，由此实现了低温热源向高温热源的有效转化。

低温条件对空气源热泵的运作具有较大影响。其中，蒸发器、冷凝器是影响最强烈的两个单元。就蒸发器而言，一旦采用低温空气作为空气源，则蒸发器的翅片会因为设计因素而导致易结霜;同时当制冷剂流向设计、风扇位置存在缺陷时，蒸发器还会出现换热不均问题，使结霜现象更加恶化;此外，低温条件下热泵系统的冷媒循环量会减小，也会使得蒸发器出现分液不均。这些都降低了空气源热泵系统运作的稳定性和高效性。而在冷凝器使用中，当冷凝温度较低时也会导致蒸发器频繁结霜，因此冷凝温度需要尽可能高点。但冷凝温度高，压缩机的排气温度也高，这样一方面增加了压缩机的能耗，降低了热泵系统的运作效率;另一方面，当压机的排气温度过高时，可调速压机出于自身保护会进行降速，这样热泵系统的输出能力又减小了。这些都使得既有空气源热泵机组在低环温运行时，性能都大打折扣，甚至不能运作。

二、基于低温空气源的热泵系统设计

1、热泵蒸发器设计

对于热泵蒸发器的设计，翅片间距跟形状、迎风管排数和风速、空气湿度、制冷剂流向等都是较为主要的影响因素;其中，翅片间距和形状的影响较为强烈。就翅片的间距而言，间距过小会使得蒸发器结霜的速度较快，从而增加了空气流动的阻力;对此在系统设计中，应基于蒸发器和空气间的换热、流动性能最优来设计翅片间距，通常情况下，翅片的间距应不小于1.8mm[1]。其次，在翅片设计中，可考虑使用外加电场的方法来延緩结霜速度。此外，翅片表面还可通过喷亲水颜料的方式来延缓结霜，以及在机组底盘设置加热装置，不断提升蒸发器的运作性能。

2、热泵冷凝器设计

冷凝器在空气源的热泵作业中发挥着重要作用。在低温空气条件下，热泵所产生的热能会比正常条件下少很多，在这种情况下，冷凝器很少会出现能力不足问题。热泵系统若未采用变频设计，则不需要对冷凝器进行特别的设计。而当系统采用了变频设计或多级压缩作业方式，则热泵所产生的热能与冷凝器结构具有对应性，此时应根据具体系统对应考虑冷凝器的面积，以此来实现冷凝换热的最佳性能。

3、热泵节流结构设计

低温空气源热泵使用时，其低位热源温度差异较大，这对热泵系统的节流机构提出了新的较高要求。既有空气源热泵采用的热力膨胀阀不能满足低温空气源热泵系统的调节需求。基于新需求，设计可采用双电子膨胀阀进行冷媒流量的变化调节。在热泵系统运作中，当低位热源温度发生较大变化时，电子膨胀阀会结合所采集的数据当前工况进行分析，随后进行精细调节，从而确保空气源热泵运作的稳定性。

4、压机的选型设计

基于低温环境条件对热泵系统性能的影响，为充分满足应用需求，可采用低温性能较好的喷气增焓型压缩机，避免普通压机低环温下排气过高和能力输出不足的问题。

5、气液分离器和储液罐设计

低温空气源条件下，针对空气源热泵的设计，还应注重气液分离器、储液罐的有效规划。具体而言，在低温条件下，一旦热泵系统长时间停机，则制冷剂会局部地往蒸发器内发生转移;在热泵下次开启瞬间，压缩机内部会流入较多的液体，这不仅降低了压缩机的运作性能，而且容易使得压缩机发生损坏。基于此应增设气液分离器进行保护。就气液分离器而言，可将其设置在压缩机之前，避免热泵开机前液体进入到压缩机当中。此外，针对储液罐的设计，要求尽可能地增大冷凝器的容积，同时确保其容积接近蒸发器容积，这样就可取消储液器设计，实现设备结构的简化;而当冷凝器容积无法再进行调整时，则应根据前端液体的实际流量，增设储液罐进行冷媒管理。需注意的是，储液罐应留有一定富余，同时应合理设置储液罐引流装置，及时清理储液罐，为压缩机的实际运作创造有利条件。

6、除霜方式设计

低温环境条件容易使得空气源热泵在运作中出现冷凝霜，因此还需注重除霜方式的有效设计。就目前而言，热气旁通除霜、电除霜、四通阀反向除霜等都是较为常用的除霜方式。就热气旁通除霜而言，其在系统内部的压缩机出口处增加一个旁通的阀门，该阀门联通蒸发器，随后通过升温条件控制即可达到除霜目的。电除霜中，人们为蒸发器增设除霜盘管，随后通过电加热方式进行除霜。此外，还可通过四通阀来切换热泵的工作状态，有效去除热泵中的冷凝霜，提升设备运作效率。低温空气源热泵系统带四通阀时当优先采用四通阀反向除霜的方式，当其不带四通阀时优先考虑热气旁通除霜。翅片电除霜一般较少考虑。

三、低温空气源热泵的实际应用

1、项目概况

某建筑为工程管理站办公楼，建筑地上5层，总建筑面积为2800m2，从建筑结构布局形体来看，建筑为南北朝向，热工性能符合《公共建筑节能设计标准》的要求。在建筑采暖设计中，工程采用空气源热泵采暖系统，在冬季，该地区室外温度为零下14℃，而室内温度要求保持在20℃，为低温空气源热泵采暖应用。

2、低温空气源热泵应用过程控制

基于低温环境对热泵运作性能的影响，本项目在空气源热泵应用初期，先进性房间负荷的确定及空气源热泵选型的确定。就房间负荷而言，考虑建筑总热负荷需要及节能需要，然后根据热源富余量不超过10%的要求，进行空气源热泵机组选型。同时，合理布局热泵机组摆放形式，确保整个机组安装部位无障碍物，无遮挡，同时通风状况良好，项目将热泵机组安装在阳台或屋顶等部位，并且确保安装位置能承受室外机自重的2～3倍重量，为机组的高效运作创造了有利条件。最后，对热泵的实际运行进行管理，针对白天夜间不同的环境温度设置不同的采暖目标温度，确保该低温空气源热泵满足项目采暖需要的同时尽可能的节能。

3、项目应用效果

项目投入运行后，经过1个完整采暖季节的运行，该低温空气源热泵系统运行稳定、效果良好，能满足用户采暖需求，也受到了用户的好评。从后台监控数据看，采暖季房间温度白天平均维持在28℃，夜间维持在22℃，日平均运行时间约16小时。

结论

低温环境条件对于空气源热泵系统应用具有较大影响。只有充分认识到低温环境条件对热泵系统的影响，然后在热泵蒸发器、热泵冷凝器、热泵节流机构、压缩机、气液分离器和储液罐、除霜方式等要素针对设计的同时，加大空气源热泵机组应用管理，才能有效提升空气源热泵系统应用效率和稳定性，实现低位热能向高位热能的有效转化。

参考文献

[1]  王超，赵蕾，李延，等.制冷剂喷入技术在空气源热泵中的应用研究现状[J].制冷学报，2019（5）：13-25.