1、空气源热泵技术研究及应用空气源热泵技术研究及应用2/30 城市化过程中建筑能耗问题日益突出城市化过程中建筑能耗问题日益突出3/30 全球二氧化碳及温室气体排放全球二氧化碳及温室气体排放 4/304/37美国建筑能耗分布图国内城市建筑能耗分布图 传统空调能耗占据建筑能耗的传统空调能耗占据建筑能耗的50%50%左右左右5/30空气源热泵技术空气源热泵技术特点：兼顾制冷和制热，使 用灵活，管理方便，占地少，初 投资小。6/30空气源热泵技术空气源热泵技术7/30卫生热水能耗占建筑能耗的比重 200020012002200320042005200601020304050607080 城镇居民每百户拥有
2、空调台数8/301892765111213310（1 1）制冷模式；（）制冷模式；（2 2）制冷制热水模式；）制冷制热水模式；（3 3）制热模式；（）制热模式；（4 4）单独制热水模式。）单独制热水模式。9/3014:54:4514:57:1514:59:4515:02:1515:04:45-25303540455055606570温度()时 间(T)出水温度 进水温度14:54:4514:57:1514:59:4515:02:1515:04:45-010002000300040005000600070008000机组 耗功(W)时 间(T)过渡季节热泵机组制取生活热水性能实验机组进出水温度随
3、时间的变化曲线系统耗功随时间的变化曲线 10/30测试环境温度/EEREERCOPCOP制冷模式35352.622.62制热模式7 72.912.91单独制热水模式夏季工况35354.34.3冬季工况7 72.72.7过渡季节20203.63.6多功能空气源热泵各种模式下的性能测试11/30变流量优化控制变流量优化控制12/30Q0、w与COP随过热度变化的关系推 理决 策模 块过 热 度 计 算中 央 控 制 器制 冷 系 统驱 动模 块变变流流量量优优化化控控制制基于智能算法的电子膨胀阀精确过热度控制24681095100105110115提高比 率(%)过热度()COP Q0 W13/3
4、0结霜结霜问题问题 14/30常规除霜方法逆向除霜方法特 点：存在“奔油”现象，影响压缩机寿命和系统可靠性；从室内吸热，影响空调系统舒适性；在四通阀换向过程中存在能量损失。逆向除霜循环逆向除霜循环 15/30空气侧换热器螺杆压缩机气液分离器热气电磁阀热气旁通电磁阀四通阀单向阀电子膨胀阀单向阀单向阀球阀单向阀系统电磁阀球阀过滤器储液器水侧换热器显热除霜循环显热除霜循环显热除霜循环显热除霜循环逆向除霜循环逆向除霜循环 显热除霜循环显热除霜循环显热除霜循环系统流程显热除霜循环系统流程 16/30显热除霜过程压力分布曲线显热除霜过程压力分布曲线显热除霜过程温度分布曲线显热除霜过程温度分布曲线显热除霜循
5、环实验显热除霜循环实验13:1713:2013:2213:2513:2813:3013:33-20-100102030405060708090100110120130140150160 温温度度()时时 间间 压缩机排气温度 电子 膨胀阀入口温度 翅片管换热器 入口温度 翅片管换热器 出口温度13:1713:2013:2213:2513:2813:3013:330.20.30.40.50.61.41.51.61.71.81.92.02.1 压缩机排气压力 电子 膨胀阀入口压力 翅片管换热器 入口压力 压缩机吸气压力压力压力(MPa)时 间 时 间 17/30显热除霜循环的实际运行过程显热除霜循
6、环的实际运行过程 显热除霜循环理论过程显热除霜循环理论过程18/300100200300400500202530354045温温度度()时时 间间 (s)逆向除霜过程 显热除霜过程机组热水供水温度变化曲线机组热水供水温度变化曲线机组热水回水温度变化曲线机组热水回水温度变化曲线显热除霜与逆向除霜的对比实验显热除霜与逆向除霜的对比实验01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 02 02 53 03 54 04 5 温温度度()时时间间 (s)逆 向 除 霜 过 程 显 热 除 霜 过 程19/30u 总除霜时间计算方法总除霜时间计算方法：从系统开始除霜到结束从系统开始除霜到结束除霜，除霜，
7、并将系统状态参数恢复到除霜前状态所并将系统状态参数恢复到除霜前状态所花费时间的总和，花费时间的总和，而不仅仅是开始除霜到结束而不仅仅是开始除霜到结束除霜所耗时间。除霜所耗时间。u 实验结果显示：显热除霜相比逆向除霜，总除霜显热除霜相比逆向除霜，总除霜 时间缩短时间缩短26.7%,26.7%,小时供热率提高小时供热率提高 2%.2%.u 逆向除霜逆向除霜：由于四通阀两次换向导致系统蒸发 器和冷凝器温度和压力都发生交替，系统在这过 程中存在能量损失和时间消耗。20/30现有建筑空调系统冷热源方案：现有建筑空调系统冷热源方案：12+夏季制冷效率较低夏季制冷效率较低冬季制热存在结霜问题冬季制热存在结霜
8、问题水冷冷水机组无法制热水冷冷水机组无法制热冬季制热消耗一次能源冬季制热消耗一次能源3地源/水源热泵初投资较大初投资较大受地域及地理条件限制受地域及地理条件限制21/30热源塔式空气源热泵热源塔式空气源热泵特点：特点：1 1、兼顾制冷和制热，夏季实现水冷冷水机组的高效，冬季借助溶液和热、兼顾制冷和制热，夏季实现水冷冷水机组的高效，冬季借助溶液和热 源塔，以空气作为热泵低品位热源，实现制热。源塔，以空气作为热泵低品位热源，实现制热。2 2、冬季以空气作为热泵低品位热源运行，不存在翅片管式空气源热泵、冬季以空气作为热泵低品位热源运行，不存在翅片管式空气源热泵 的结霜现象，可避免因为结霜所带来的一系
9、列问题。的结霜现象，可避免因为结霜所带来的一系列问题。3 3、该热泵全年综合运行效率将远高于常规空气源热泵。该热泵全年综合运行效率将远高于常规空气源热泵。+热源塔式空气源热泵热源塔式空气源热泵热热源源塔塔22/30热源塔式空气源热泵系统原理图T阀1阀2PP板式换热器壳管式换热器储液器过滤器电子膨胀阀四通阀 气液分离器压缩机热源塔制冷循环制热循环单向阀单向阀单向阀单向阀再生与调节装置溶液泵 流量传感器1空调箱 流量传感器2加热器水泵TTTTTP温度传感器压力传感器热源塔式空气源热泵热源塔式空气源热泵23/30热源塔式空气源热泵实验装置热源塔式空气源热泵实验装置热源塔式空气源热泵热源塔式空气源热泵
10、24/301.01.52.02.53.03.52.02.22.42.62.83.03.2COP热源塔溶液进出口温度/1.01.52.02.53.03.5-15-10-5051015温度/热源塔溶液进出口温差/热源塔溶液进口温度 热源塔溶液出口温度 空气与蒸发 温度温差 蒸发 温度 系统系统COPCOP与热源塔溶液进出口温度的与热源塔溶液进出口温度的变化关系曲线变化关系曲线蒸发温度与及其换热温差与热源塔溶液蒸发温度与及其换热温差与热源塔溶液进出口温度的变化关系曲线进出口温度的变化关系曲线环境温度环境温度:-1.2:-1.2 蒸发温度与环境温度之蒸发温度与环境温度之差可小于差可小于8 8 ，比常规
11、，比常规翅片管空气源热泵要小。翅片管空气源热泵要小。从而效率可以更高。从而效率可以更高。热源塔式空气源热泵热源塔式空气源热泵25/30(a)(a)串联系统串联系统 太阳能辅助空气源热泵供热太阳能辅助空气源热泵供热(c)(c)并联系统并联系统 翅片管蒸发器节流阀蒸发器太阳能集热器压缩机冷凝器(d)供水回水水泵蒸发器太阳能集热器水泵节流阀压缩机Condenser水泵回水供水(b)(b)双热源系统双热源系统 供 水回 水水 泵Condenser压 缩 机节 流 阀水 泵太 阳 能 集 热 器蒸发器(d)翅片管蒸发器太 阳 能 集 热 器 压 缩 机冷凝器蒸发器节 流 阀水 泵回 水供 水水 泵26/
12、301.压缩机 2.四通阀 3.壳管换热器 4.储液器 5.过滤器 6.节流阀 7.翅片换热器 8.气液分离器 9.集热器 10.水箱 11.水泵 12、13、14、15 电磁阀三种模式：三种模式：1 1、热泵单独供热；、热泵单独供热；2 2、太阳能、热泵联、太阳能、热泵联 合供热；合供热；3 3、太阳能单独供热、太阳能单独供热新型太阳能辅助空气源热泵供热系统新型太阳能辅助空气源热泵供热系统太阳能辅助空气源热泵供热系统太阳能辅助空气源热泵供热系统27/3003691215182124-9-6-303691215太阳辐 射强度太阳辐 射强度 (W/m2)温度温度()时 间 时 间(h)环 境温度
13、0100200300400500600700800 太阳辐 射强度选南京冬季的一个典型晴天及其整个供暖季节为模拟条件；选南京冬季的一个典型晴天及其整个供暖季节为模拟条件；供热系统包括太阳能集热器与空气源热泵两部分；供热系统包括太阳能集热器与空气源热泵两部分；整个供热系统保持整个供热系统保持10k10kW W供热功率不变。供热功率不变。南京冬季典型晴天的天气参数南京冬季典型晴天的天气参数不同集热面积时空气源热泵出水温不同集热面积时空气源热泵出水温度随时间的变化曲线度随时间的变化曲线新型太阳能辅助空气源热泵供热系统新型太阳能辅助空气源热泵供热系统28/30不同集热面积时热泵压缩机耗功随不同集热面积
14、时热泵压缩机耗功随时间的变化曲线时间的变化曲线不同集热面积时热泵制热功率随时不同集热面积时热泵制热功率随时间的变化曲线间的变化曲线新型太阳能辅助空气源热泵供热系统新型太阳能辅助空气源热泵供热系统29/30在典型晴天在典型晴天 系统整体性能系统整体性能太阳能集热面积太阳能集热面积0m0m2 210m10m2 220m20m2 230m30m2 240m40m2 2总的太阳能总的太阳能 (kJ)(kJ)1.201052.391053.591054.79105有效利用太阳能有效利用太阳能 (kJ)(kJ)5.301041.07105 1.611052.15105系统供热量系统供热量 (kJ(kJ）8
15、.641058.641058.641058.641058.64105热泵供热量热泵供热量 (kJ(kJ）8.641058.101057.571057.021056.54105热泵耗电量热泵耗电量 (kW(kWh)h)65.3860.88 56.6652.83 49.69 节约电量节约电量(kW(kWh)h)4.50 8.7212.55 15.69 节能率节能率6.9%13.3%19.2%24%新型太阳能辅助空气源热泵供热系统新型太阳能辅助空气源热泵供热系统30/30在整个供暖季节在整个供暖季节 系统整体性能系统整体性能太阳能集热面积太阳能集热面积0m210m220m230m240m2总的太阳能
16、总的太阳能 (kJ)(kJ)8.16106 1.63107 2.45107 3.26107 有效利用太阳能有效利用太阳能 (kJ)(kJ)3.20106 6.45106 9.61106 1.23107 系统供热量系统供热量 (kJ(kJ）5.89107 5.89107 5.89107 5.89107 5.89107 热泵供热量热泵供热量 (kJ(kJ）5.89107 5.67107 5.47107 5.33107 5.25107 热泵耗电量热泵耗电量 (kW(kWh)h)4578.714415.714277.67 4183.33 4125.28 节约电量节约电量(kW(kWh)h)163 301.04395.38453.43节能率节能率3.56%6.57%8.64%9.90%新型太阳能辅助空气源热泵供热系统新型太阳能辅助空气源热泵供热系统31/30在整个供热季节在整个供热季节 e esegpsegp 与太阳能集热面积的变化关系与太阳能集热面积的变化关系在典型晴天在典型晴天e esegpsegp与太阳能集热面积的变化关系与太阳能集热面积的变化关系太阳能等效发电太阳能等效发电效率效率 (e(esegpsegp)总的太阳能的电量相比空气源热泵所节约太阳能辅助空气源热泵 eesgp新型太阳能辅助空气源热泵供热系统新型太阳能辅助空气源热泵供热系统32/30
