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                                              空氣源熱泵為什么能成為“煤改電”中主推設備

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                                              如今大家都已經對煤改電有所了解,目的是為了取締燃煤,改善環境污染,但是有人則問,為什么不推空調或者其他的新能源設備呢?空氣源熱泵為什么能成為煤改電中的主推設備?下面我們就來詳細的解析一下。

                                              空氣源熱泵在歐美大多數發達國家,如澳大利亞、英國、法國、德國、美國等國家,在60~70年代已經進入了大多數家庭,美國在1971年,熱泵的產量就達到8.2萬套/年,據1998年美國的調查數據顯示,美國約有30%的熱水供應設備采用空氣源熱泵熱水器。在我國,空氣源熱泵熱水器于2002年前后進入,首先登陸廣東,并迅速發展,但一直到2013年以前,空氣源熱泵產品線主要集中在熱水器、泳池熱泵為主,烘干、采暖的熱泵為輔。

                                              在2013年8月,北京市政府發布《北京市2013~2017年清潔空氣行動計劃重點任務分解》中明確說明把空氣源熱泵作為清潔采暖的一個試點產品,并借此東風,空氣源熱泵采暖機迅猛發展,并成為最近幾年和今后幾年的空氣源熱泵行業的重點發展方向,并在2017年僅靠3種采暖產品型號就占有了空氣源熱泵產值的半壁江山。

                                              熱泵是采用“逆卡諾循環”原理,也叫蒸汽壓縮制冷系統的產品,按冷熱來源分為三大類:空氣源、水源、地源。

                                              空氣源是指冷熱源來源于空氣,就是從空氣中吸取熱量,或把熱量排放到空氣中去。這類產品包括:空調、風冷(熱泵)冷水機組、VRV多聯機、空氣能熱水器、空氣源熱泵采暖機、冰箱、冷庫等形式的產品,空調歸屬空氣源大類,是空氣源的一個小分支,也就是說空氣源包含空調,但范圍比空調更廣、更寬。

                                              但現在,一般說空氣源或空氣源熱泵或空氣能,就是專指能燒熱水、采暖、冷暖兩聯供、烘干等形式的機組,為和現在約定成俗的名稱相一致,現在說的空氣源熱泵就專指這類產品,空氣源熱泵與空調就屬于同等類別產品,都來源于“逆卡諾循環”原理,那么,我們先來看看“逆卡諾循環”原理是何方真神。

                                              利普曼空氣源熱泵工程案例

                                              逆卡諾循環原理

                                              “逆卡諾循環”就是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。低溫低壓的液態制冷劑,進入蒸發器中等溫吸熱蒸發,從空氣中吸收大量的熱量,蒸發吸熱后的制冷劑以氣態形式進入壓縮機,被絕熱壓縮成高溫高壓的氣態制冷劑進入冷凝器,將其所含熱量等溫釋放給進入冷凝器中的冷水,冷水被加熱輸送到用戶端進行采暖或洗浴,同時制冷劑變成高溫高壓的液態進入節流裝置,絕熱膨脹成低溫低壓的液態進入蒸發器,周而復始;反之循環,則進行制冷。


                                              為何煤改電青睞熱泵?

                                              既然空氣源熱泵和空調屬于一個性質的新能源環保設備,為什么北京“煤改電”不大力推廣空調,卻推“不熟悉”的空氣源熱泵呢?酒店、學校、精裝房的生活熱水為什么強制要求空氣源熱泵作為節能建筑申請的必要條件,而不推廣改造用現成的空調去燒熱水?

                                              要解答這個問題,首先要了解空氣源熱泵和空調兩種產品的設計理念不同,進而理解其產品的不同,我們先把兩者設計理念不同的地方列表如下。

                                              表一 空氣源熱泵和空調設計理念不同的地方

                                              不同點

                                              空調

                                              空氣源熱泵

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                                              使用對象不同

                                              主要使用在有制冷需求的地方,所以空調設計時強調制冷,制熱為輔,這也是當前空調制熱運行時,都要采用電加熱輔助方式補充制熱的原因

                                              主要使用在有制熱需求的地方,所以空氣源熱泵設計時首先強調制熱,以全氣候運行中不采用電加熱輔助制熱為目標,并且兼顧有制冷功能

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                                              功能不同

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                                              空氣源熱泵不單可以制冷和制熱,也可以做泳池、洗浴、電泳等特種工業的加熱源,也可以做農業烘干、污泥烘干等工作,用途廣泛

                                              由于兩種產品的使用對象不同,決定他們采用的國家標準、選用的零部件、使用的地域、出風(或出水)溫度、能效等均不同,列表分析如下:

                                              表二 空氣源熱泵和空調兩種產品設計主要不同點列表

                                              不同點

                                              空調

                                              空氣源熱泵

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                                              執行國家標準不同

                                              標準主要包括:家用空調、多聯機、風冷冷水機組等標準。

                                              以制冷量和能效比為衡量指標

                                              標準主要包括:家用熱水、商業熱水、家用采暖、商業采暖等標準。

                                              以制熱量和性能系數為衡量指標,冷暖機還必須考核制冷量和能效比

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                                              使用區域不同

                                              在環境溫度-7℃~43℃范圍內使用區域

                                              在環境溫度-30℃~43℃范圍內使用區域

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                                              最高出風(出水)溫度不同

                                              最高出風(出水)溫度50℃以下

                                              最高出水溫度60℃。特種如烘干機等,最高出風(出水)溫度達到90℃左右

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                                              能效要求不同

                                              空調只對制冷工況有能效要求,制熱無要求,屬于單工況設計

                                              空氣源熱泵不僅對制冷有要求(兩聯供機組),而且對制熱能效有要求,特別低溫機,要求在-12℃測試

                                              屬于雙工況設計

                                              以上所有列項中,又以壓縮機不同為最重要,不同的壓縮機決定產品的不同使用效果和不同的使用地域。空調選用空調壓縮機,以R22為例,最大運行壓力不超過2MPa,壓縮機比小于7,最高排氣溫度不超過90度;但空氣源熱泵必須采用熱泵壓縮機,同樣以R22為例,最大運行壓力達到3 MPa,壓縮機比達到12,甚至更高到20,最高排氣溫度達到110度。

                                              這些參數的不同,要求熱泵壓縮機的加工精度、軸承強度、電機耐溫性能等方面均是在空調壓縮機有數量級上的提升。

                                              橫軸對應蒸發溫度(相當于熱泵的室外環境溫度),縱軸對應冷凝溫度(相當于熱泵的使用側的出風或水溫度),可以看出,熱泵壓縮機的運行范圍是在空調壓縮機上有成倍的擴大。

                                              有了強壯的“心臟”,空氣源熱泵才能高溫出風(水),低溫運行?!案邷亍钡綇V泛使用在出風溫度達80℃以上的烘干行業,“低溫”到大西北新疆等地,帶老式鑄鐵暖氣片采暖。為滿足這種極端而又正常的使用條件,除了有強壯的“心臟”,還要有聰明的“大腦”,要求空氣源熱泵的主控制器既要保護制冷系統的運行可靠,又要保證用戶24小時不斷續的使用需求,容錯性和精準性,兩種相互矛盾的關系在空氣源熱泵的控制邏輯上得到完美的統一。

                                              由于空氣源熱泵寬氣候的運行特性,最高和最低環境溫度的溫差近80℃,由于制冷系統在低溫工況運行時需要的制冷劑流量相對較小,較高溫工況運行的制冷劑量減少20%以上,這對空氣源熱泵的系統容液量提出更高的要求,要系統根據實際運行參數自動調節參與有效運行的制冷劑的量。所以,需要對氣液分離器進行特別的設計,包括容積、回油孔、平衡孔等方面進行熱泵方面的專門設計和大量的試驗驗證。

                                              同時為了保證系統全天候運行時最適合的過冷度和滿液蒸發,又需要另外增加一個高壓儲液器,這一般也是空調不需要的設計。

                                              為了驗證制冷系統對多余的存液量的耐受度,需要增加至少三個以上驗證試驗,相對空調,包括:低溫液擊試驗、低溫回油試驗、低溫低電壓啟動試驗。所以,空氣源熱泵的設計考核比空調來的更加嚴格、更加多項。

                                              針對空氣源熱泵的使用特點,冬季全天候制熱運行,為保證低溫環境下的制熱效果和室內溫度舒適性(減少波動),化霜是一個不可回避的問題,并相對空調的化霜要求更高。常用的手段有:制冷劑換向化霜、熱氣旁通化霜、冷凝管末端余熱化霜、熱水回流翅片化霜、伴熱帶底盤化霜等等,真是手段無所不及。往往多種手段綜合使用,才能保證即使-25℃的環境運行,化霜時間也就3分鐘左右,極大的提高機組的制熱效果和用戶的舒適性。

                                              低溫空氣源與空調系統設計的差異

                                              最后,我們再來看一下,空氣源熱泵中的新貴,低溫空氣源熱泵與空調在系統設計上的不同。在北京“煤改電”的政策推動,空氣源熱泵在低溫環境的制熱技術得到一個新的提高,就是直流變頻噴氣增焓技術的應用,使得空氣源熱泵在“煤改電”活動中,在諸多采暖設備中獨占鰲頭、獨步天下。

                                              空調的四大件,壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流裝置,到低溫空氣源熱泵中就變成了五大件,壓縮機、冷凝器、蒸發器、雙節流裝置、經濟器,也就由單一系統變成了帶噴氣增焓的雙系統,系統更復雜,成本更高,低溫制熱效果更好。

                                              同時也可看出市面上80%以上的空調的節流裝置均采用雙毛細管節流,因為空調只需要考慮制冷國標工況和制熱國標工況,兩個單一工況,一根毛細管對應一個工況,使其達到最佳點,其他工況(環境溫度)運行的制冷(熱)性能就會偏離最佳運行狀態,效果就會下降;

                                              低溫空氣源熱泵,采用了雙電子膨脹閥節流,針對不同的工況(環境溫度),計算系統的最佳過熱度和系統壓力,自動調節系統最佳的流量,使得低溫空氣源熱泵在全氣候運行,系統均在最佳狀態運行,效果均最佳,保證了低溫空氣源熱泵更加節能、更加可靠。

                                              綜上所述,空氣源熱泵不同于并優于空調的主要有

                                              • 空氣源熱泵采用熱泵專用壓縮機,耐壓、耐溫、加工精度等方面均在空調壓縮機上有數量級上的提高,并且使用壽命也大為延長;

                                              • 空氣源熱泵的主控制器的邏輯設計較空調來的更復雜,比空調的單一制冷系統控制,還多一個水路系統控制;

                                              • 空氣源熱泵的寬氣候運行特點,同樣匹數的機器,需要的制冷劑量較空調有增大,要求儲液器的設計更復雜,一般還需要采用雙儲液器設計;

                                              • 空氣源熱泵的化霜設計相對空調要求更高,既要保證制冷系統的穩定可靠運行,又要減少室內溫度的波動幅度,提高用戶的舒適度;

                                              • 低溫空氣源熱泵一般采用“五大件”設計,由空調的“四大件”的單一系統變成了帶噴氣增焓的雙系統,低溫制熱效果更好,性能系數更高;

                                              • 空氣源熱泵的節流裝置全部采用電子膨脹閥或外平衡熱力膨脹閥,相對空調的毛細管節流精度更高,調節范圍更寬。

                                              基于以上幾點,空氣源熱泵不等同空調,可以說是空調的升級品,也是將來建筑舒適節能系統的必選品。

                                              空氣源熱泵生產廠家


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