低温空气源热泵的核心技术 低环境和温度下空气源热泵的主要性能 能在较低的环境和温度下（-15～-20℃）可靠地运行。 有较高的季节制热系数或IPLV（H）。 在结霜期能可靠地除霜。 机组运行有较低的噪音。 机组有较长的常规使用的寿命（15年）。 …… 已经有近十年的研究和试制，需要靠热泵产品的标准和有经验的制造厂家来保证这些性能。 热泵标准方面的变化 在我国GB/T 7725-2004（1996）仍然是房间空调器的标准（修订中）。其中热泵有低温（2℃）和超低温（-7℃）工况的概念。有制冷季节能源消耗效率SEER、制热季节能源消耗效率HSPF和全年能源消耗效率APF 。虽然如此，房间空调器的热泵功能辅助性的，一般不适合北方寒冷地区。 GB/T 7725-2004规定制冷量为14kW以下，GB-T17758-1999单元式空调机为7kW以上，通常认为前者是户用，后者是是商用。在修改方案中认为“房间用空调器是不以制冷量大小来划分的，而是看这一设备是否由专业技术人员操作，由非专业人员操作的空调即为家用空调”。 到2010年有了低环境和温度空气源热泵的有关标准。有关标准是： GB/T 25127.1-2010低环境和温度空气源热泵(冷水)机组第1部分：工业或商业用及类似用途的热泵(冷水)机组（制冷量大于50kW，并可在不低于-20℃的环境和温度里制取热水 ） GB/T 25127.2-2010低环境和温度空气源热泵(冷水)机组第2部分：户用及类似用途的热泵(冷水)机组（制冷量不大于50kW，并可在不低于-20℃的环境和温度里制取热水 ） 其中低温工况是-20℃，名义工况是-12℃（干）/ -12 ℃（湿）。保证出水温度41℃，回水温度36℃。提出综合部分负荷性能系数IPLV（C）和IPLV（H）。 原则上这两个标准规定机组要满足制冷和热泵功能，而大多数户用低环境和温度空气源热泵并不用于夏季空调，商用低环境和温度空气源热泵是冬夏两用的。。 而“户用”和“商用”的分界线kW，比原来的分界趋于合理。户用机组通常是220V单相电源，商用机组通常是380V三相电源。 我国在空调方面已经有丰富的制造经验和标准体系 从上世纪八九十年代开始，我国在空调产品方面得到了加快速度进行发展。为低温空气源热泵的发展打下基础。 本世纪初开始建立完备的产品质量标准和能效标准体系。房间空调器的能效标准GB12021.3 ，从开始2004年版5级能效，修正为2010年版3级能效， EER入门级和1级从2.6和3.4提高到3.2和3.6（皆以4500W以下为代表）。 GB 21455 转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级也从2008年版5级能效，修正为2013年版3级能效。SEER入门级和1级能效从3.0和5.2提高到4.3和5.4。 也曾经发生“定频”与“变频”之争。通常SEER大约是EER的1.3～1.5倍。变频空调产品逐渐增多，已占市场的大多数。 IPLV与SEER有很大相似性，这些经验都可借鉴到低温空气源热泵。 IPLV的计算原理 通常环境和温度总是变化的，而环境和温度与室内的温差大小，基本与负荷成正比。 通过统计和数学处理，能得出负荷小时曲线%） 其实就是近似的平均。 不一样的地区IPLV是不同的。 户用 /商用机组的部分负荷工况 商用和户用机组性能限定值 IPLV 的计算公式 制热综合部分负荷性能系数： IPLV(H)＝8.3％×A1+40.3％×B1+38.6％×C1+12.9％×D1 （1） 制冷综合部分负荷性能系数： IPLV(C)＝2.3％×A0+41.5％×B0+46.1％×C0+10.1％×D0 (2) 式中： A0 (A1)——为100％负荷时的制冷(制热)性能系数COP，单位为千瓦每千瓦(kW／kW)； B0 (B1) ——为75％负荷时的制冷(制热)性能系数COP，单位为千瓦每千瓦(kW／kW)； C0 (C1) ——为50％负荷时的制冷(制热)性能系数COP，单位为千瓦每千瓦(kW／kW)； D0 (D1) ——为25％负荷时的制冷(制热)性能系数COP，单位为千瓦每千瓦(kW／kw)。 注1：部分负荷百分数计算是以名义制冷(热)量为基准。 注2：部分负荷系数IPLV代表了平均的单台机组的运行工况，可能不代表一个特有的工程安装实例。 注3：IPLV(H)的计算是以北京为典型城市．其他城市的IPLV(H)系数见附录A。 各城市制热综合部分性能的系数 能效标准理论上的IPLV计算 在GB/T 25127.1.2-2010中，IPLV的4 个部分负荷工况针对4个不同的环境和温度，都是得到41℃热水。 不同压缩机的调控功能能得到不同的COP值，通过理论计算可得出1级、2级和3级能效的COP和IPLV，如下表。 以下数据可供制定IPLV（H）能效标准参考。 “喷气增焓”＝“准二级压缩” 涡旋和螺杆压缩机的压缩过程 涡旋和螺杆压缩机因没有排气阀，其压缩比是靠转子型线产生内容积比保证的。 如果不在名义工况，就会发生“欠压缩”或“过压缩”而浪费能量。 对这两种压缩需要设法避免。 活塞式、转子式压缩机因有排气阀不出现欠压缩或过压缩。 有“喷气增焓”的涡旋式压缩机热泵的COP计算值 有“喷气增焓”的涡旋式压缩机热泵的实验值与计算值对比 不同环境和温度下的热力学完善度 实际循环和卡诺循环COP比较 因开－停调节造成的损失 空气源热泵的4个部分负荷工况 提高IPLV的措施 核心在压缩机的基本能力和调控功能。 为保证名义工况的基本COP，压缩机要有较大的压缩比，一般会用二级压缩或准二级压缩（喷气增焓）。 为部分负荷下有较高的COP，压缩机可变容量（变频或多机头），并可变压缩比。 对于活塞式压缩机、转子式压缩机因有排气阀，其压缩比是可变的，再配以变频或多机头，通常可达到较高的IPLV。 单台定频的（二级或准二级）涡旋式、螺杆式和离心式压缩机，其低温（名义工况）性能好，环境和温度变化后因“欠压缩”和“过压缩”而变工况性能不佳。而在调节方面因出现“大马拉小车”需要开停调节，IPLV不高。 变频或多机头涡旋式压缩机，最好还要有多排气阀（如Two Step）或排气旁通。 变频或多机头螺杆式压缩机，应采用可变内容积比措施。 变频或多机头离心式压缩机，在变频同时可改变容量和压缩比，但在低温空气源热泵方面暂时没有离心机。 提高IPLV的措施 商用机组往往是多压缩机，用4机头最好理解，分别对应100%，75%，50%，25% 4个负荷。但不是表面性的，因为4个负荷下工况是不同的。满负荷下压缩比大。 在部分负荷下由于相对增大的换热面积，能大大的提升COP，也增加了IPLV。有的设计还可能有一台或多台是变频压缩机，这就是锦上添花了。 户用机组往往是一台压缩机，如果是定频压缩机，其容量需要按照100%负荷大压缩比设计，当需要部分负荷时，就得采用“开停”调节，热泵系统要有时启动，有时关机。室内温度多少会有波动。而A，B，C，D四点的COP基本不变，IPLV不会有大的提高。 如果采用变频压缩机，可设计在高频状态下为100%负荷，一般运行时间很短。压缩机的部分负荷效率较高，并可利用换热面积，提高传热效率。就可能得到较高的IPLV。 空气源热泵节能潜力的计算 1级能效平均IPIV（H）计算： IPLV（H）＝2.6×5.8%+3.1×30.3%+3.6×45.2%+4.0×19.7% ＝0.1508+0.9393+1.6272+0.784＝3.46 低温空气源热泵的一次能源利用率： 1级：η＝ η发电配电×IPLV（H）＝0.35×3.46＝1.21 2级：η＝ η发电配电×IPLV（H）＝0.35×3.07＝1.07 3级：η＝ η发电配电×IPLV（H）＝0.35×2.60＝0.91 热立方变频EVI系列 采用直流变频与喷气增焓（EVI）结合技术。 经计算IPLV（H） 为3.71 噪音30/56（dB） 是目前可查到的最高效率和最低噪音。 具体算例（节约能源改造的房间） 农村150平米民居房，在环境和温度-13℃、-7℃、1℃、7℃时采暖负荷分别为45W/m2、35W/m2、25W/m2、17W/m2，其综合部分采暖负荷为 IPL（H）＝45×5.8%+35×30.3%+25×45.2%+17×18.7% ＝2.61+10.605+11.3+3.298＝27.7＝28 W/m2 IPLV＝ （2级能效）2.6×5.8%+2.68×30.3%+3.04×45.2%+3.73×18.7% ＝0.1508+0.8120+1.3741+0.7348 ＝3.07 考虑增加10%的水泵运行耗电，每平米热泵需要10.03W电。4个月120天采暖期，每平米耗电0.01003×120×24＝28.89kWh，按0.5元/kWh，电费14.443元/m2，总面积冬季采暖电费2166.48元。农户可完全承担用电采暖费用。 具体算例（房间保温一般） 农村150平米民居房，在环境和温度-13℃、-7℃、1℃、7℃时采暖负荷分别为80W/m2、65W/m2、47W/m2、32W/m2，其综合部分采暖负荷为 IPL（H）＝80×5.8%+65×30.3%+47×45.2%+32×18.7% ＝4.64+19.695+21.244+5.984＝51.6＝52 W/m2 IPLV＝ （2级能效）2.6×5.8%+2.68×30.3%+3.04×45.2%+3.73×18.7% ＝0.1508+0.8120+1.3741+0.7348 ＝3.07 考虑增加10%的水泵运行耗电，每平米热泵需要18.63W电。4个月120天采暖期，每平米耗电0.01863×120×24＝53.66kWh，按0.5元/kWh，电费26.83元/m2，总面积冬季采暖电费4024.50元。这种情况需要政府补贴。 涡旋式压缩机的细节 喷射增焓直流变频涡旋（VVI）技术，制热提升45%。 转子式压缩机 格力双级变容积比压缩技术是在第一代双级增焓压缩机技术的基础上创新升级而来。 大幅度提高了严寒环境下的制热能力，使空气热泵在室外环境和温度低至-25℃时热泵制热量仍不衰减。 应用该技术的家用空调，在-15℃制热工况下，制热量能够达到100%的额定制热量。 空气源热泵的COP 压缩机全工况效率的提高 过去较注重名义工况下的效率EER或COP，现在提高到全工况。 当EER和COP同时要求时，过去以确保单项为主，现在要求两者都高。 变内容积比压缩机性能分析WORKING PROCESS ANALYSIS ON VARIABLE VOLUME RATIO SCREWCOMPRESSOR 可变内容积比螺杆压缩机，随着外部工况的变化，内容积比可进行调节，使内压比与外压比一致，可使压缩机一直以较高效率运行。 For variable internal volume ratio screw compressor，with the changing of external working conditions，volume ratio can be adjusted，and internal pressure ratio and external pressure ratio are consistent，which can make the compressor run at a higher efficiency all the time. 单螺杆压缩机可变内容积比 可变及固定内容积比压缩机 涡旋式、螺杆式压缩机是固定内容积比的，通常其压力比不可调，运行时会对压缩机效率产生较大的影响。 压缩机的效率曲线呈抛物线状，只在某个蒸发温度（或压缩比）下有较高效率。 如果能改变压缩机的内容积比，其效率能改善。 变内容积比压缩机 可变内容积比涡旋式压缩机，随着外部工况的变化，内容积比可进行调节，使内压比与外压比一致，可使压缩机一直以较高效率运行。 压缩机全负荷效率的提高 过去较注重额定负荷下的效率EER或COP，现在提高到10～100%。 当EER和COP同时要求时，过去以确保单项为主，现在要求两者都高。 指标为SEER、IPLV、IEER、APF等。 压缩机的容量和工况调节 除霜的有关问题 除霜一直是空气源热泵的关键技术。比较有效的除霜方式，一是四通阀反向除霜，二是高压热液除霜。这些除霜方式可归结为“内热源”式，层冰晶会在重力作用下随水分而下落。 除霜的控制。何时化霜，取决于霜层的厚度，也取决于环境和温度、湿度等参数。因霜层变厚会影响到室外换热器的工作时候的温度、压力，也会影响空气的流动阻力、系统的产热量等，何时开始除霜，比较容易控制。 但是何时除霜完成，压力、温度或流量等参数都检测不到，用一般的传感器是检测不出来的，大多是经验性的设定除霜时间，易产生“除霜不尽”或“无霜除霜”。 当环境和温度低于零度时，融化的霜层就会在排水系统重新冻结，有几率发生在任何传热迅速或流水不畅的部位，如金属的排水管处。若发生排水管路冻结，化霜的融水就会在上面堆积冻结，并向上发展到换热器下面的接水盘，甚至发展到室外换热器的最下部，最后导致热泵异常工作而停机。这属于安装范畴。 热泵的噪声 户用热泵的噪声有严格规定，假如慢慢的出现问题，多是安装产生的，需要采取各种减噪措施。 零ODP和低GWP工质替代政策 零ODP工质的替代策略 HCFCs（R22、R123等）的减量技术（HCFCs decreasing technology），通过系统优化的方式，合理设计新型循环系统，只减少R22等HCFCs制冷剂的产量和用量，但不减少制冷设备的制冷量，甚至还有所增加，可能解决三分之一的减量，但最终要全面消减。 用HFCs（R32、R134a和R410A）替代R22的过程可能还要持续若干年。只是在消除ODP的同时，可能增大了GWP。 HCFCs和HFCs可能要同步消减。 自然工质替代。 CO2作为制冷剂很有发展前途。 零ODP政策 《蒙特利尔议定书》修正案规定： 2013年将R22等 HCFC的消费和生产水平冻结，2015年削减10％，2020年削减35％，2025年削减67.5％，2030年完全淘汰但保留2.5%的维修量。 低GWP政策 欧盟采F- gas法规规定从2011年1月1日起禁止GWP大于150的含氟气体用于新车型的汽车空调器中; 从2017年1月1日起, 禁止GWP大于150的含氟气体用于所有新出厂的汽车空调器中。 落实《巴黎协定》，中国确定了到2030年的自主行动目标：二氧化碳排放2030年左右达到峰值并争取尽早达峰；单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%。 对于HFC，国际上已确定发展中国家从2029年开始消减，到2046年到最低值。 欧盟F气体（主要是HFCs）法案中国拟从2029年或更早时间实行 工质替代图解 结论 低温空气源热泵是煤改电的重要技术装备。由于节能和环保的要求，将走向普遍应用。 IPLV（H）比COP是合理的目标，它反映了实际系统的真实能耗。 建议对低温空气源热泵的名义工况COP和IPLV（H）制定能效等级，为1级，2级（节能级）和3级（入门级），以鼓励节能技术。 提高IPLV（H）的关键技术在于压缩机的变容量、变工况性能。要求压缩机具有容量调节和变压缩比功能。 未来空气源热泵的工质将向零ODP、低GWP方向转换。尽快淘汰R22，做好消减R410A的准备。加快R32的应用，最终走向CO2等自然工质。 谢谢！ 涡旋压缩机喷气增焓系统 蒸发器 风机 有补气口的压缩机 闪蒸器 冷凝器 一次节流阀 二次节流阀 高压 补气口2 补气口1 中压 低压 图3-3 实际空气－水热泵产品的性能 R134a 10℃过热，5℃过冷 (b) OSK7471-K，螺杆压缩机 图5 螺杆压缩机内容积调节的示意图 b1 b a c1 c d 图6 有多个排气口的涡旋式压缩机 麦克维尔陈清?，沈鹏飞：可变内容积比的变频单螺杆压缩机性能测试研究 内容积比 调节滑阀 1）降低单螺杆制冷压缩机的过压缩损失，来提升单螺杆制冷压缩机不同工况下的满负荷能效比； 2）相对于固定内容积比为2.2 的压缩机，部分负荷能效比提高约5.6%。 内容积比调节机 构及控制方式 图1 涡旋式压缩机电效率随蒸发温度的变化 图2 螺杆式压缩机电效率随蒸发温度的变化 变内容积比的理论效率 变内容积比的理论效率 图6 有多个排气口的涡旋式压缩机 多级压缩 磁悬浮 有采用 节流、变频 离心式压缩机 准二级压缩 +经济器 部分采用 滑阀、变频 螺杆式压缩机 数码涡旋 喷气增焓 部分采用 采用 变频、数码 涡旋式压缩机 双级压缩 自适应 采用 变频 转子式压缩机 其它先进的技术 可变内容积比 直流电机 变容量技术 压缩机类型 表4 噪声限定值（声压级）（GB/T25127.2-2010） 68 70 ＞31.5～50 55 66 68 ＞16～31.5 50 64 66 ＞8～16 45 62 64 ≤8 室内机 室外机 分体式 dB（A） 整体式 dB（A） 名义制冷量 kW 100 75 50 25 0 2010 2013 2015 2020 2025 2030 年消减5% 年消减6.5% 年消减6% HCFC % 2.5% 年度 图1 《蒙特利尔议定书》修正案中的规定 2018年削减37% 2021年削减55% 制冷剂 总量 % 2015 2020 2025 2030 100 75 50 25 0 2010 年度 HCFCs逐年消减 HFCs将受到到严格限制 自然工质和部分近自然工质较快地发展 天津大学热能研究所 TERI 天津大学热能研究所 TERI 天津大学热能研究所 300072 马一太时间（小时） ℃ 环境 温度 表2 户用/商用机组部分负荷工况（GB/T 25127.1.2-2010） 注：在所有工况下，机组换热器水侧污垢系数为0.018 m2·℃/kW；新机组换热器水侧应被认为是清洁的，测试 时污垢系数应被考虑为0 m2·℃/kW，性能测试时应按GB/T 18430.1-2007的附录C进行温差修正。 24.5 25 28 50 31.5 75 一 35 7 100 制冷 6 7 25 -3 0 50 -8 -6 75 -14 -12 41 0.172 100 制热 湿球温度 ℃ 干球温度 ℃ 出口水温 ℃ 水流量 m3/(h·kW) 热源侧 使用侧 负荷 % 项目 表3 商用机组性能系数限值（GB/T 25127.1-2010） IPLV（C）2.8 2.6 制冷 IPLV（H）2.5 2.3 制热 综合部分性能系数 性能系数（COPh，COPc） 名义工况 表3 户用机组性能系数限值（GB/T 25127.2-2010） 2.60 2.40 不低于GB19577的限定值 2.10 制冷IPLV（C） 制热IPLV（H） 制冷（COPc） 制热（COPh） 综合部分负荷性能系数（IPLV） 名义工况性能系数（COP） 注意IPLV仅是COP的1.14 和1.09倍，而COP是不利工况值。说明IPLV有很大提高空间。 Q% 100 75 50 25 0 0 20 40 60 80 100 N% t ℃ -20 -15 -10 -5 0 5 10 t ℃ -20 -15 -10 -5 0 5 10 Q % 100 75 50 25 0 0 20 40 60 80 100 N% 负荷（温度）小时曲线 B C A D 负荷 （温度）小时曲线个负荷分区 空气源热泵的负荷 （温度）小时曲线 其它城市制热综合部分性能的系数（%） 从北方大多数地区分析看，B+C的时间比例占75%，而此时 的环境和温度为-7～0℃，对热泵的综合部分性能系数贡献最大。 75.5 19.7 45.2 30.3 5.8 平均 73.3 14.1 37.4 35.9 12.6 兰州 68.7 31.2 54.0 14.7 0.1 郑州 76.6 28.3 58.4 18.2 0.0 西安 68.9 16.1 35.2 33.7 15.1 太原 83.4 14.5 52.1 31.3 2.1 石家庄 72 25.7 43.0 29.0 2.3 济南 82.7 11.5 43.2 39.5 5.9 天津 78.9 12.9 38.6 40.3 8.3 北京 D C B A B+C 占的比例 IPLV系数 典型城市 用各地区平均系数计算不同条件下的IPLV（H） 1.0 1.12 1.30 1.24 IPLV/COPA 2.60 3.06 3.46 7.21 IPLV（按各地的平均的系数） 2.60 3.73 4.0 8.90 6 7 25 D 2.60 3.04 3.60 7.08 -3 O 50 C 2.60 2.68 3.10 6.63 -8 -6 75 B 2.60 2.60 2.60 5.88 -14 -12 100 A 3 级能效COP （开停调节 不变压比） 2级能效COP （可变容量 不变压比） 1级能效COP （可变容量 可变压比） 卡诺 循环 COPC 湿球 温度 ℃ 干球 温度 ℃ 负荷 % 工况 Q% 100 75 50 25 0 0 20 40 60 80 100 N% t ℃ -20 -15 -10 -5 0 5 10 过压缩 p v 名义排气压力 欠压缩 涡旋和螺杆压缩机的欠压缩和过压缩 Q% 100 75 50 25 0 0 20 40 60 80 100 N% t ℃ -20 -15 -10 -5 0 5 10 Q% 100 75 50 25 0 0 20 40 60 80 100 N% t ℃ -20 -15 -10 -5 0 5 10 高温区的完善度较低 Q% 100 75 50 25 0 0 20 40 60 80 100 N% t ℃ -20 -15 -10 -5 0 5 10 卡诺循环 实际循环 有提高可能 41℃ Ln p h A B C D A，B，C，D四个工况压缩比依次降低，COP依次提高 1.5倍 1.75倍 2倍 比效率为60%的集中燃某锅炉 4.5倍 5倍 6倍 比效率为20%的分散燃煤炉灶 0.91 1.07 1.21 热泵的一次能源利用率 2.60 3.07 3.46 热泵的综合部分负荷性能系数 IPLV（H） 3 级 2 级 1级 空气源热泵的能效等级 表 空气源热泵的节能潜力 Q% 100 75 50 25 0 0 20 40 60 80 100 N% t ℃ -20 -15 -10 -5 0 5 10 户用空气源热泵的工作原理图 户用空气源热泵系统 户用空气源热泵 室内 换热器 室外 换热器 水泵 地板散热器 压 缩 机 过滤器1 电子膨胀阀 过滤器2 普通散热器 商用空气源热泵系统 商用空气源热泵系统 风机盘管 水箱 四通阀 压缩机组 过滤器1 电子膨胀阀 过滤器2 室外 换热器 换热器 格力三转子双级变容量压缩机 三转子双级变容量系统 天津大学热能研究所 TERI

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