寒冷地区空气源热泵测试研究

建筑能耗主要指采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器、电梯、通风等方面的能耗。统计数据表明,中国建筑能耗的总量逐年上升,在能源消费总量中所占比例已从上世纪70年代末的10%,上升到今年的27.8%。而建筑最大的耗能点是采暖和空调,据悉,我国在采暖和空调上的能耗占建筑总能耗的55%[1]。

近些年空气源热泵在我国长江中下游、西南、华南地区得到了广泛应用。然而,空气源热泵应用于寒冷地区冬季制热时,随着室外环境温度的降低,制冷剂吸气比容增大,吸气压力降低,使得机组的制热量下降,压缩机的压比增大,导致压缩机排气温度过高;而且由于蒸发器结霜及除霜造成的供热能力下降,使得空气源热泵在北方最冷的时候无法正常运行。导致这种空调系统在寒冷地区的应用受到限制。因此,提高空气源热泵型空调器在低温环境下的制热能力,已成为近年来大家非常重视的研究课题。

热泵的应用范围向寒冷地区扩展的趋势是明显的。为使热泵能在寒冷环境中高效、稳定、可靠地运行,国内外进行了许多技术研发和改进。如采用辅助热源或电加热方式、单级压缩制冷系统、准二级压缩空气源热泵技术、双级压缩空气源热泵技术、复叠循环空气源热泵技术等。

1、一种新流程空气源热泵系统

一方面在系统中增设一条分流循环回路,经分流制冷剂调压后,分流循环回路中的制冷剂能够调节压缩机吸入的制冷剂的状态,使得压缩机能够吸入密度较大的气态制冷剂。另一方面,在系统中增设一个气液分离器,使离开室内换热器的制冷剂,在进入第一膨胀阀之前,与气液分离器中的制冷剂进行热量交换,使制冷剂以气态的形式被压缩机吸入,避免压缩机吸入、压缩夹含液体的制冷剂现象发生[2]。

2、实验系统及测试方法

本实验系统利用了北京建筑工程学院王瑞祥教授所研制出的一种新流程的空气源热泵样机在河北建筑工程学院建筑环境实验中心进行测试,所用冷、热量传递方式为制冷剂直接送至室内空气进行热交换。空调房间的总面积为60m2,层高4m。

3、结果与分析

3.1系统供热效果

测试期张家口地区在最低室外温度为-20.7℃,室外最高湿度为94.9%。日平均室外温度在-15~0℃之间波动。张家口地区冬季室外设计温度为-18℃,因此,这样的温度足可验证本空气源热泵实验样机供暖系统的运行效果。

在2006-1-13到2006-1-21的测试前期采用分时段运行模式,由图2可看出,该阶段日平均室内空气温度在23℃左右,达到设计要求。后期采用连续运行模式,室内温度偏高。整个测试期室内日平均温度为24.9℃,完全可以满足冬季空调室内温度要求。

3.2系统供热性能

图3反映了系统整体供热性能。系统供热量的波动范围在5.23~8.8kW之间,平均值为7.27kW。系统能耗主要包括ASHP机组功率、室内外测风机功率。由日平均能耗图可看出,当室外温度降低时,机组处于部分负荷运行,能耗降低,除霜时能耗明显上升。系统测试期平均供热能效比EER为1.94,CDD12006-2-3室外温度最低时EER为1.67,2006-2-6下雪,系统除霜时EER为1.41,其余大部分时间EER均在1.8以上。

以上实测数据显示,该样机能够适应室外负荷的波动特性,获得良好的供暖效果,即使在低温环境运行时,系统仍可正常工作,且维持较高的能源利用系数。

4、结论

(1)张家口地区位于河北北部,气温相对较低,空气源热泵的制热运行条件比较恶劣。在一个月的测试期内,室外平均温度为-5.9℃,最低气温为-20.7℃,新流程ASHP系统的实验样机在张家口地区能够有较高的能效比(平均值为1.94),室内温度平均值为24.9℃,系统运行稳定可靠,取得了令人满意的供暖效果。

寒冷地区空气源热泵测试研究

(2)采用新流程的ASHP系统使空气源热泵在低温环境下不但可以顺利运行,而且还获得了较高的供暖性能系数,改善了空气源热泵在寒冷地区的运行工况,证明了采用新流程的ASHP系统空气源热泵能够应用于河北省及类似于河北地域气候特点的其它地区(如京津地区)。

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