熱泵工作原理

　　一臺(tái)壓縮式熱泵裝置，主要有蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā)(吸取環(huán)境中的熱量)→壓縮→冷凝(放出熱量)→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中或空氣中(如圖1所示)。

　　熱泵在工作時(shí)，把環(huán)境介質(zhì)中的能量QA在蒸發(fā)器中加以吸收;它本身消耗一部分能量，即壓縮機(jī)耗電QB;通過工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進(jìn)行放熱QC，QC=QA+QB，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機(jī)做的功QB和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量QA;其制熱系數(shù)為εh=QC / QB，可見εh值恒大于1。因此，采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量的電能。

　　熱泵的分類多種多樣，按與熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器換熱的介質(zhì)不同分類，熱泵可以分為：空氣能熱泵、地源熱泵、水源熱泵等等。

　　空氣能熱泵的研究現(xiàn)狀

　　空氣能熱泵是以空氣作為高溫(低溫) 熱源來進(jìn)行供熱(供冷) 的裝置。相對于其它熱泵類型而言，我國對空氣能熱泵的研究起步較早，研究內(nèi)容也較多。以環(huán)境空氣作為低品位熱源，可以取之不盡，用之不竭。空氣能熱泵安裝靈活、使用方便、初投資相對較低，且比較適用于分戶安裝，這也就使得我國空氣能熱泵冷熱水機(jī)組市場空前繁榮，生產(chǎn)研制已經(jīng)比較成型，產(chǎn)品規(guī)格齊全，品牌繁多。隨著空氣能熱泵在我國應(yīng)用的日趨廣泛，了解我國空氣能熱泵的研究狀況對于后續(xù)研究而言具有重要的意義。

　　1、空氣能熱泵結(jié)霜、化霜問題的研究

　　由于空氣能熱泵冬季采用空氣作為熱源，所以，隨著室外溫度的降低，其蒸發(fā)溫度也隨之降低，蒸發(fā)器表面溫度隨之下降，甚至低于0 ℃。此時(shí)，當(dāng)室外空氣在流經(jīng)蒸發(fā)器被冷卻時(shí)，其所含的水分就會(huì)析出并依附于蒸發(fā)器表面形成霜層。結(jié)霜對熱泵是極其不利的，隨著霜層的形成，蒸發(fā)器傳熱熱阻增加，蒸發(fā)溫度下降，機(jī)組的性能下降，工況惡化，制熱量也將下降，這將嚴(yán)重影響壓縮機(jī)以及熱泵整體的性能。同時(shí)，除霜帶來的額外費(fèi)用還將降低空氣能熱泵的經(jīng)濟(jì)性。盡管空氣能熱泵具有很多優(yōu)點(diǎn)，但受室外環(huán)境的限制也比較大，這也是空氣能熱泵目前僅在我國黃河以南地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用的主要原因。而在黃河以北地區(qū)，應(yīng)用空氣能熱泵則根據(jù)所處地區(qū)不同有其特殊要求。

　　結(jié)霜機(jī)理、化霜方法一直是空氣能熱泵研究與應(yīng)用中要解決的重點(diǎn)與難點(diǎn)。目前，有不少關(guān)于空氣能熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行狀況的研究，主要分析供熱時(shí)不同工況下空氣盤管表面濕空氣結(jié)霜、結(jié)露及干冷卻特性，并結(jié)合結(jié)霜過程進(jìn)行試驗(yàn)和模擬，分析了迎面風(fēng)速、環(huán)境溫濕度、翅片間距、管排數(shù)等參數(shù)對結(jié)霜性能的影響及其可能產(chǎn)生的一系列后果。了解結(jié)霜機(jī)理的主要目的是要解決如何除霜的問題，傳統(tǒng)的除霜控制方法主要包括：定時(shí)除霜法、時(shí)間―溫度(壓力)法、空氣壓差控制除霜法、霜層傳感器控制除霜法、聲音震蕩器控制除霜法、最大平均供熱量控制除霜法、最佳除霜時(shí)間控制法等。近年來由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將模糊控制技術(shù)引入空氣能熱泵除霜問題的研究，作為一項(xiàng)先進(jìn)可行的新技術(shù)，逐漸引起了人們的注意。這主要是因?yàn)榭諝饽軣岜媒Y(jié)霜問題的影響是多因素、非線性的，而模糊控制技術(shù)的優(yōu)勢就是處理多維、非線性、時(shí)變問題。將模糊控制技術(shù)引入空氣能熱泵的除霜控制，通過對除霜過程的系統(tǒng)響應(yīng)分析，可以使除霜控制能夠自動(dòng)適應(yīng)機(jī)組工作環(huán)境的變化，達(dá)到智能除霜的控制要求。此外，還有考慮環(huán)境工況變化的雙溫度傳感器智能化除霜控制方法等。`

　　2、空氣能熱泵節(jié)能問題的研究

　　節(jié)能是對系統(tǒng)能的質(zhì)與量的綜合評價(jià)。對系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能分析可以揭示出系統(tǒng)中?損失的部位、類型和數(shù)量，以便設(shè)法減少這些損失。通過?計(jì)算分析可知，壓縮功只有20%被利用，有80%被損失，其中，壓縮機(jī)?損失占30.7%，冷凝器占20.14%，蒸發(fā)器占17.15%，毛細(xì)管占10%。由此我們可以看出，空氣能熱泵系統(tǒng)節(jié)能的主要部件是壓縮機(jī)，提高壓縮機(jī)本身的技術(shù)指標(biāo)，是提高整個(gè)系統(tǒng)?效率的關(guān)鍵，而冷凝器和蒸發(fā)器?優(yōu)化措施主要是設(shè)法降低傳熱溫差。當(dāng)然，系統(tǒng)的節(jié)能改進(jìn)與經(jīng)濟(jì)性是相互制約的，僅從能效進(jìn)行分析有一定的局限性。從這個(gè)角度出發(fā)，有關(guān)研究人員提出供熱最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)的概念，以期在此最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)溫度條件下， 整個(gè)供熱系統(tǒng)(熱泵+ 輔助熱源)的初投資與運(yùn)行費(fèi)最少，從而合理實(shí)現(xiàn)熱泵節(jié)能優(yōu)化。此外，通過空氣能熱泵機(jī)組與水冷冷水+鍋爐機(jī)組、溴化鋰吸收式機(jī)組3種方案的經(jīng)濟(jì)性比較可以得出，空氣能熱泵相對于其它兩種形式而言，經(jīng)濟(jì)性上具有顯著的優(yōu)越性。

　　3、計(jì)算機(jī)模擬在空氣能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷普及，計(jì)算機(jī)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用也日益廣泛。前面所述及的一些研究中有很多也都應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，關(guān)于計(jì)算機(jī)模擬在暖通空調(diào)中具有代表性的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：

　　(1)對壓縮機(jī)的計(jì)算模擬

　　采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對空氣能熱泵中螺桿式壓縮機(jī)的冬季運(yùn)行特性進(jìn)行模擬，并結(jié)合誤差反向傳播算法(BP算法)進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果表明，采用該方法對壓縮機(jī)進(jìn)行建模模擬可以達(dá)到較高的精度要求，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

　　(2)對蒸發(fā)器的計(jì)算模擬

　　通過對空氣能熱泵的蒸發(fā)器結(jié)霜問題進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，可以詳細(xì)分析蒸發(fā)器結(jié)霜和制冷劑充灌量對系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。另外，對于采用ε-NTU 法(效率―傳熱單元數(shù)法)對空氣能熱泵蒸發(fā)器肋片管在干工況、濕工況及結(jié)霜工況下的傳熱傳質(zhì)計(jì)算方法也有相關(guān)探討。

　　(3)系統(tǒng)仿真研究

　　通過建立房間空調(diào)器熱泵運(yùn)行時(shí)的瞬態(tài)仿真的數(shù)學(xué)模型，可以得出房間空調(diào)器熱泵運(yùn)行時(shí)的制冷系統(tǒng)參數(shù)及房間溫度變化的曲線，這對實(shí)現(xiàn)空氣能熱泵系統(tǒng)的自控有很大的意義。 　　(4)系統(tǒng)能耗分析軟件

　　關(guān)于空氣能熱泵全年能耗分析應(yīng)用軟件的開發(fā)應(yīng)用在相關(guān)文獻(xiàn)中有所介紹，該軟件在求解熱泵供冷全年能耗時(shí)，綜合考慮了空調(diào)冷負(fù)荷、室外干球溫度、熱泵出水溫度?@3個(gè)因素，在求熱泵供熱能耗時(shí)，還將室外空氣相對濕度這個(gè)重要參數(shù)考慮進(jìn)去，這就使得熱泵供熱能耗計(jì)算更為準(zhǔn)確，也為空氣能熱泵的應(yīng)用提供了一個(gè)很好的分析方法。

　　4、變頻技術(shù)在空氣能熱泵中的應(yīng)用

　　變頻技術(shù)在空氣能熱泵中的應(yīng)用是一項(xiàng)新技術(shù)，根據(jù)對變頻控制熱泵式VRV空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷運(yùn)行時(shí)的節(jié)能特性所做的一系列實(shí)驗(yàn)研究，可以獲得夏季部分負(fù)荷運(yùn)行特性。通過在節(jié)能方面與普通空氣能熱泵進(jìn)行比較，證明應(yīng)用變頻技術(shù)以后的空氣能熱泵機(jī)組比普通機(jī)組更加節(jié)能。