热泵式空调的基本工作原理

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 在我国，家用空调和中央空调本是两个独立的概念。家用空调一般是指窗式机、分体壁挂式和柜机等用于家庭单个空间的空调机组；而中央空调则是指具有集中的冷／热源和冷／热媒的空调系统，主要应用于宾馆、写字楼等，能够为较多的独立划分的空间提供冷量和热量的空调系统。

     　 随着经济的发展，我国的人居面积有较大幅度的增长，人们对于室内空气品质的要求也越来越高：一个多居室的家庭往往需要安装多台家用空调，才能满足不同空间的温度要求。据2000年对上海市某一居民区的调查发现，平均每户拥有家用空调近2台，有的家庭甚至达到了7台。       　一个家庭安装数台家用空调有许多弊端：1.整机能效比低，一般为2.7—3.1，具体表现为家庭耗电量大，城市电网峰值剧增；2.难以保证室内良好的温度场和气流场，影响室内环境的品质和舒适性；3.由于无新风且单机过滤不完全，导致室内空气质量变差；4.大量安装的室外机不但破坏大楼的外观的美感，更成为安全隐患等等。       　中央空调几乎不存在上述问题：由于冷源集中，中央空调的能效比一般在4~5；多风口的送风和回风可以保证室内有良好的气流场和温度场；由于远离制冷机房，所以噪音污染得到有效的抑止；可以加入新风并通过及时更换过滤器，保证室内空气质量；一般安装在专用的机房，不会破坏大楼的美观，更不会造成安全隐患。鉴于上述原因．家用空调中央化的方案引起了业界的关注，陆续提出了“户式中央空调”或“小型家用中央空调”等概念。       　按照家用中央空调的输送介质的不同，常见的有三种型式：风管式系统、冷／热水机组和vRv(变制冷剂流量)系统。      　 VRV家用中央空调是一种冷剂式空调系统，它以制冷剂(比如R22)为传送介质。vRv系统与普通的家用空调比 较相近，是对普通家用空调的一种多用户的扩展，即：一台室外机通过管路能够向若干个室内机输送液态制冷剂，通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内各换热器的制冷剂流量，适时地满足室内冷、热负荷要求。     　    风管式系统和冷／热水机组分别是中央空调的全空气系统和风机盘管系统的小型化，其原理基本相同。本文主要以冷／热水机组为例阐述家用中央空调的基本原理。  普通家用空调的基本工作原理 　　图1是普通热泵型家用空调器的原理图。它主要包含：室内换热器、室外换热器、压缩机、毛细管、气液分离器和四通阀等部件。         　当热泵型空调器运行于制冷工况时，四通阀换向使图中实线接通。这时，室内换热器成为蒸发器，而室外换热器成为冷凝器。从室内换热器来的低温低压过热气经四通阀和消声器进入气液分离器．分离出液体后，干过热气被压缩机吸入压缩成为高温高压的气体徘出，气体经四通阀进入室外换热器放热冷凝，成为过冷液。过冷液经毛细管阻力降压后成为低温低压两相流体，进入室内换热器蒸发吸热(此时室内空气被降温)，再一次经四通阀和气液分离器进入下一循环：图中过滤器主要用于制冷剂与压缩机油的分离，以保证换热器的换热效率。       　当热泵型空调机运行于制热工况时，四通阀换向使图中虚线接通。这时、室内换热器成为冷凝器，室外换热器成为蒸发器。从室外换热器来的低温低压过热气经四通阀和消声器进入气液分离器，分离出液体后，干过热气被压缩机吸入压缩成为高温高压的气体徘出，气体经四通阀进入室内换热器放热冷凝(此时，室内空气被加热)．成为过冷液，过冷液经毛细管阻力降压后成为低温低压两相流体．进入室外换热器蒸发吸热，随后过热气经四通阀和气液分离器进入下一循环。       　为防止制热时因除霜导致室内舒适性下降，采用了热气旁通不间断制热除霜方式。除霜时，运行原理基本与制热相同，只是将融霜电磁阀打开。从压缩机出来的高温高压的过热气有一部分被分流到室外换热器的人口，迅速把室外换热器的温度提高到O℃以上，融掉室外换热器上的霜层，使换热器保持良好的换热效率。 冷／热水机组形式家用中央空调的工作原理 　　图2为冷／热水机组形式的家用中央空调原理图。         　冷／热水机组形式的家用中央空调(以下简称：冷／热水机组)的制冷剂循环与普通家用空调完全相同，即：制冷时机组的风冷换热器为冷凝器，机组的水冷换热器为蒸发器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在风冷换热器中冷凝放热，成为过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入水冷换热器蒸发吸热(此时载冷剂被冷却)，最后再回到压缩机进入下一循环。制热时机组的风冷换热器为蒸发器，机组的水冷换热器为冷凝器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在水冷换热器中冷凝放热(此时载冷剂被加热)，成为过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入风冷换热器蒸发吸热，最后再回到压缩机进入下一循环。       　冷／热水机组的制冷剂循环与普通家用空调和VRV形式的家用中央空调的不同在于：冷／热水机组并没有直接将制冷剂作为输送介质送到用户的换热器中，而是通过水冷换热器将制冷剂的冷／热量传给专门的输送介质——载冷剂送到用户端。这种载冷剂通常为水。   冷／热水机组的载冷剂循环为：从各用户换热器返回的高／低温(供冷时为高温，供热时为低温)回水在集水器中混合，经空调水泵加压送入水冷换热器中换热成为低／高温（供冷时为低温，供热时为高温)载冷剂进入分水器，再由分水器分流进入各空调空间的供水管路，供水在各房间的换热设备(譬如：风机盘管)中向空调空间释放冷／热量后成为高／低温回水由回水管路回到集水器中，进入下一循环。 冷／热水机组形式家用中央空调的控制原理      　 冷／热水机组形式家用中央空凋的控制原理与风机盘管中央空调系统基本类似。图3为冷／热水机组形式家用中央空调控制原理图，图中E为执行器、C为控制器、T为温度测点。 冷／热水机组的控制方式如下：      　 每个空调房间有自己独立的温度控制器，用户可根据需要设定室温。安装在温度控制器上的温度传感器及时感知该房间的温度，温度控制器根据该温度和设定室温的差别来控制风机盘管中风机的转速，从而把室内温度稳定在设定值附近。       　各个温度控制器通过通讯环路(集中总线)与主控制器取得联系，不断把目前的状态包括用户的设定等信息及时反馈给主控制器。       　主控制器可单独接受用户的设定，也可根据用户对各房间温度控器设定的情况决定运行工况。在某一工况下，主控制器检测空调出水温度，并将其与设定值比较，根据差别来控制压缩机运行、从而调节系统整体制冷／热量。此外，主控制器还要检验系统关键位置的压力、温度、电流等、发现异常立即采取措施并显示故障信息。准确、迅速的保护功能是系统能够长期安全稳定运行的保证。       摘要：概述了水环热泵空调系统在我国的历史和现状，简要介绍了水环热泵空调系统的工作原理和适用场合，重点分析了水环热泵空调系统的优点和缺点。             0 前言       热泵从本质上来说是一种热回收装置，它从低温热源处吸取热量并提高品位后，再在高温热源处放热，起到节省高位能的租用。自1989年以来，热泵技术在我国的应用与发展进入了兴旺期。据统计，1996年我国空调设备（指电动冷热水机组、吸收式冷热水机组、房间空调器以及单元空调机组，但不包括进口机组）的总制冷能力约为2000万kW，其中热泵型机组的制冷能力约占60%[1]。       20世纪80年代初，我国在一些外商投资的建筑中采用了水环热泵空调系统[2]。时至今日，水环热泵空调系统在我国的应用已经有了不小的普及。90年代水环热泵空调系统便在我国得到广泛的应用。据统计，1997年国内采用的工程共52项[2]。不仅在北京、上海、广州、深圳、天津等大城市中一些工程采用它，而且如佛山、绍兴、惠州、泉州等中小城市也开始采用水环热泵空调系统。此外，有关水环热泵空调系统的研究也卓有成效。从1993年起，原哈尔滨建筑工程学院就开始了水环热泵空调系统在我国应用的预测分析与评价。之后，不少相关论文随之发表，如文献[3]。2005年，国内水环热泵空调系统的工程技术专著，即文献[4]——《水环热泵空调系统设计》出版。       1 水环热泵空调系统的概况       水环热泵空调系统是指小型的水/空气热泵机组的一种应用方式，即用水环路将小型的水/热泵机组并联在一起，形成一个封闭环路，构成一套回收建筑物内部余热作为其低位热源的热泵供暖、供冷的空调系统。典型的水环热泵空调系统由三部分组成：（1）室内的小型水/空气热泵机组；（2）水循环环路；（3）辅助设备（如冷却塔、加热设备、蓄热装置等）。       水环热泵空调系统的基本工作原理是：在水/空气热泵机组制热时，以水循环环路中的水为加热源；机组制冷时，则以水为排热源。当水环热泵空调系统制热运行的吸热量小于制热运行的放热量时，循环环路中的水温度升高，到一定程度时利用冷却塔放出热量；反之循环环路中的水温度降低，到一定程度时通过辅助加热设备吸收热量。只有当水/空气热泵机组制热运行的吸热量和制冷运行的放热量基本相等时，循环环路中的水才能维持在一定温度范围内，此时系统高效运行。       2 水环热泵空调系统的优点       上世纪80年代初期在我国应用的一些水环热泵空调系统显示出了许多的优点：如回收建筑物余热的特有功能；不像传统锅炉那样会对环境产生污染；省掉或减少常规空调系统的冷热源设备和机房；便于分户计量与记费；便于安装、管理等。据有关文献的预测分析，水环热泵空调系统上一种很有前途的节能型空调系统[2]。下面，本文从组成系统的三个方面逐一分析水环热泵空调系统的优点。       2.1 水循环环路方面        首先，按水环热泵空调系统在建筑物中的用途，它属于热回收式热泵系统。在室外空气温度较低的情况下，建筑物的周边区需要额外的热量来维持室内温度的稳定舒适；与此同时，建筑物的内区则因为存在室内热源（如照明、设备、人体等散热），而需要降低室内的温度。水环热泵空调系统通过同时连通建筑物周边区和内区的水循环环路，可以将内区产生的余热转移到周边区，在对内区供冷的同时对周边区供热，而不存在或者少量存在常规空调系统在同种情况下的冷热量抵消所造成的能量浪费。因此，该系统的建筑物热回收效果好，在充分利用余热的同时节约了能源。当建筑物内部同时由供热工况机组和供冷工况机组模式同时运行时，采用水环热泵空调系统的运行费用最多可降低至50％左右。       其次，与上类似，为了达到同时供冷供暖的效果，相对于常规空调系统必须采用造价昂贵的四管制风机盘管系统而言，水环热泵空调系统的水循环环路仍然采用两管制。如此，就不会存在或者减少常规的四管制的风机盘管系统对各个条件要求不同的房间空调时所出现的冷热量抵消，避免了由此造成的能量的无谓消耗，更节省了管道系统的初投资费用。       再次，由于水循环环路中的水温在常温范围内、与其环境温度的温差不大，所以常温水所消耗的能量比常规空调系统小得多。同时，因为减少了输配过程中的冷热耗散等损失，环路的热损失也比常规空调系统要小得多。总的来说，水环热泵空调系统与常规空调系统相比，仅管道热损失减少这一项，节能效率约为8％～15％[5]。而且，由于水循环环路管道可不设保温和防潮隔湿，还能减少保温层及其它的一些材料费用。       2.2 小型水/空气热泵机组方面       一般，水环热泵空调系统采用的都是室内的，根据室内负荷的大小分别安装在各个房间内。各房间内的用户就可以根据室外温度的变化和各自不同的要求，在一年内的任何时间随意进行房间里的供暖或供冷的调节，而不会影响到其它房间的温度。由于便于调节也不会出现房间过冷、过热等情况，既避免了常规空调系统的能源浪费，又营造了良好的室内环境。同时，室内的小型水/空气热泵机组也便于分户计量和分户收费。       对于业主来说，如果采用常规空调系统，就必须一次购齐冷水机组及其它设备，往往会造成很大的资金压力，而且冷水机组一般要在安装一两年后才能发挥效益；而水环热泵空调系统中的小型水/空气热泵机组可以分期投资、分批建设，甚至可以在用户入住前逐层安装，其投资回报效益高、见效快。这一特点也使水环热泵空调系统在旧楼翻新或系统改造中颇有市场，因为常规空调系统无法避免损坏原有的结构，且不易找到适合的冷冻机房，一般还需要全楼停业来进行改造工程，造成的经济损失较大。       对于设计方来说，由于采用了室内的小型水/空气热泵机组，也就没有了体积庞大的风管、冷水机组等，所以系统布置更加紧凑、简洁和灵活，也不用再设置空调机房（或减少机房面积），也为业主增大了使用面积及有效空间。水环热泵空调。对于施工方来说，由于小型水/空气热泵机组可以在工程里进行组装，所以减少了工地的安装工作量。       2.3 辅助设备方面       如果再在水环热泵空调系统中加入蓄热装置等辅助设备，则更能提高系统的经济性。因为蓄热装置可以实现内区制冷机组向水循环环路中释放的冷凝热与周边区制热机组从水循环环路中吸取的热量在一天或者更长的时间周期内达到平衡，从而降低了冷却塔和水加热器的年耗能量。       3 水环热泵空调系统的缺点       水环热泵空调系统的发展主要面临来自两个方面的问题：其一是从系统这个方面来看，国内的一些建筑物内余热小或无预热，尚需补充加热设备，致使其不能充分发挥原有的一些优点；其二是从设备这个方面来看，水环热泵空调系统中采用的小型水/空气热泵机组所存在的一些固有问题也限制了其更广泛的应用。目前，针对上述的两个缺点，也出现了许多的解决办法，以期推广水环热泵空调系统的应用。           3.1 建筑物内余热不足       通过分析水环热泵空调系统的运行特性我们可知，只有当建筑物内区有大量余热且周边区需要供热，才能通过水环热泵空调系统将建筑物内区的余热转移到需要热量的周边区，从而达到回收建筑物余热、节约能源的目的。但是，我国的各类建筑物内部负荷不大，建筑物的内区面积又小，因而建筑物的余热量也较小。在这种情况下，如果要采用水环热泵空调系统，则势必要增设锅炉。然而，将锅炉的高位热能加热水循环环路中的循环水使之成为与室温相差无几的低温热源，再由水/空气热泵机组消耗电能将其提升到高位热量向室内供暖，这本身就是不经济、不合理的。此外，如果采用的是燃煤锅炉，还存在一个环境污染的问题。       解决建筑物内余热不足这个问题的途径，就是由建筑物的外部引进低温热源，以替代建筑物内的余热量。太阳能、水（地表水、井水、河水等）、土壤、空气均可作为水环热泵空调系统的外部能源[6]。例如大连电力大厦（高层单元式建筑）利用热电厂冷却水作为水环热泵空调系统的外部热源，收到良好的节能效果[2]。此外，哈尔滨工业大学提出一种空气/水热泵与水/空气热泵耦合双级热泵供暖系统。该系统在寒冷地区，用空气源热泵冷热水机组制备10℃～20℃低温水，通过水环路送至室内各个水/空气热泵机组中，水/空气热泵再从水中汲取热量，直接加热室内空气，达到供暖目的[7]。总而言之，可以通过廉价的辅助热源来解决建筑物内余热不足的问题，拓宽水环热泵空调系统的应用范围。       3.2 小型水/空气热泵机组       首当其冲的是小型水/空气热泵机组的的制冷性能系数COP远小于大型冷水机组，而且在相同制冷量条件下价格就其它型式的主机来讲也偏高。另外一个重要的问题，就是小型水/空气热泵机组安装在室内，热泵机组内部的压缩机和风机将会成为一个很大的噪声源，无法满足室内环境的噪声标准要求。       针对如何提高水环热泵空调系统在供冷中的经济性这个问题，我们可以通过在空调系统设计中采用混合系统的形式加以解决。混合系统是指水/空气热泵机组同其它空调设备（如冷水机组、单元柜式空调机等）共同组合而成为全新的空调系统。同样，为了提高系统运行的经济性，在建筑物内区设置单元式空调机组（水冷），向内区供冷，而周边区设置水/空气热泵机组，向周边区供冷或供热，也是一种值得注意的混合系统形式[7]。       而在控制房间内的小型水/空气热泵机组噪声问题方面，文献[8]给出了详尽的阐述。其控制噪声的措施包括控制噪声源、合理设计、正确安装、认真调试和维护等四个方面，每个方面又各有许多具体的实施措施。实践表明，如果在工程建设中能够正确对待噪声问题，采取合理措施，完全可以满足室内环境噪声标准要求。       4 结束语       由以上分析可以可以看出，只要我们合理设计、规范安装、灵活管理，水环热泵空调系统就一定能发挥出它既有的经济、节能、环保等优点。当然，我们也应当根据各个地区、各个建筑物的特点，确定是否采用水环热泵空调系统。尤其是北方地区的、内区面积大、内区的余热量也大的建筑物，最适于采用水环热泵空调系统。相反，南方一些地区的、全年绝大部分时间需要供冷的建筑物，则不宜采用水环热泵空调系统，因为它并不比风机盘管或其它常规空调系统节能。       在能源每年增长率约为3％～5％的条件下，要满足国民经济持续每年增长8％～9％，即在能源短缺的条件下，必须重视节能技术和节能产品的开发[1]。水环热泵空调系统本身回收建筑物余热、节约能源，若与太阳能、地下水、工业废水等低位热源相结合，更能拓宽其应用范围。在国家日益重视建筑节能的今天，水环热泵空调系统有着巨大的节能潜力和广阔的应用前景。