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熱泵型空調(diào)器的制冷概況
文獻(xiàn)綜述
題 目 28kW分體式水源熱泵
空調(diào)機(jī)組
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
熱泵型空調(diào)器的制冷概況
摘要：節(jié)能和環(huán)保是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的兩大議題。我國(guó)的環(huán)境污染在世界上較為嚴(yán)重，必須推廣節(jié)能環(huán)保新技術(shù)，對(duì)于制冷和空調(diào)行業(yè)，應(yīng)在降低能耗的基礎(chǔ)上，注重新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，以適應(yīng)21世紀(jì)的能源戰(zhàn)略新需求。通過(guò)對(duì)熱泵型空調(diào)器的發(fā)展進(jìn)程、工作原理以及新型工質(zhì)的了解，讓我們更加掌握熱泵型空調(diào)器的各項(xiàng)性能參數(shù)隨外界環(huán)境變化時(shí)的變化情況?；谛滦涂照{(diào)制冷技術(shù)應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r展望其未來(lái)發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)，促進(jìn)空調(diào)制冷研發(fā)的科學(xué)發(fā)展有重要的實(shí)踐意義。
關(guān)鍵詞：熱泵型空調(diào)器；空調(diào)與制冷；新工質(zhì)；研究狀況；發(fā)展趨勢(shì)
1 前言
市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，社會(huì)的持續(xù)進(jìn)步令人們物質(zhì)文化生活水平實(shí)現(xiàn)了迅猛提升，為優(yōu)化舒適環(huán)境人們對(duì)空調(diào)制冷技術(shù)的需求應(yīng)用范疇越來(lái)越廣泛，當(dāng)前空調(diào)制冷技術(shù)已全面滲透至各個(gè)科學(xué)研究、生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，用于調(diào)節(jié)氣溫、冷藏冷凍、加工食品等層面，為服務(wù)生產(chǎn)環(huán)境營(yíng)造了必要的恒溫條件。同時(shí)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可用于對(duì)特殊種子作物做低溫處理，在建筑施工中利用空調(diào)制冷技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)開(kāi)采凍土，另外空調(diào)制冷技術(shù)還應(yīng)用于尖端科學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，例如生物技術(shù)、微電子技術(shù)、宇宙開(kāi)發(fā)領(lǐng)域等，由此可見(jiàn)現(xiàn)代社會(huì)的科學(xué)發(fā)展需要空調(diào)制冷的輔助支持[1]。人們廣泛應(yīng)用的制冷空調(diào)和熱泵系統(tǒng)，由于本身耗能和傳統(tǒng)制冷劑對(duì)環(huán)境的破壞，系統(tǒng)的節(jié)能和制冷劑的替代成為前言課題。怎樣令空調(diào)制冷系統(tǒng)消耗最小的能源、最大化產(chǎn)出制冷量，營(yíng)造高效制冷效果則成為行業(yè)專家歷經(jīng)多年共同研發(fā)、不斷探索的課題，并研發(fā)出了較多新型節(jié)能制冷技術(shù)，令空調(diào)制冷行業(yè)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)步向前發(fā)展。
2 我國(guó)熱泵的發(fā)展概況
1950年代初，天津大學(xué)的一些學(xué)者最早開(kāi)始從事熱泵的研究。
1965年上海電冰箱廠研制成我國(guó)第一臺(tái)制熱量3720w的熱泵型窗式空調(diào)器，但因換向閥的工作可靠性等原因，長(zhǎng)期未有發(fā)展。
1970年代后期，由于能源危機(jī)所推動(dòng)的世界性熱泵熱也影響了我國(guó)學(xué)術(shù)界。
1990年上海市通用機(jī)械技術(shù)研究所首次進(jìn)行了第二類(lèi)吸收式熱泵的模擬試驗(yàn)，同年上海交通大學(xué)、上海第一冷凍機(jī)廠聯(lián)合研制了350kw第二類(lèi)吸收式熱泵。
2000~2003年，專利總數(shù)287項(xiàng)，其中發(fā)明專利119項(xiàng)。多項(xiàng)創(chuàng)新成果問(wèn)世，如土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)、空氣源熱泵蓄能熱氣除霜系統(tǒng)、三套管蓄能型太陽(yáng)能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)等。
2005年全國(guó)共有地源熱泵工程項(xiàng)目3869項(xiàng)，同年11月31日，建設(shè)部發(fā)布了《地源熱泵系統(tǒng)的工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005），并于06年1月1日起正式實(shí)施。
2008年的北京奧運(yùn)會(huì)和2010年的上海世博會(huì)使得熱泵技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
3 熱泵型空調(diào)器的工作原理
3.1 熱泵型空調(diào)器概述[2]
熱泵型空調(diào)器具備夏季制冷及冬季制熱的雙重功能，目前已受到越來(lái)越多的用戶歡迎。但這種空調(diào)也有一定局限性，例如在某些地區(qū)冬季運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于室外溫度較低，蒸發(fā)器的表面非常容易結(jié)霜，就會(huì)影響正常供熱；同時(shí)，室外空氣溫度的持續(xù)降低使室內(nèi)熱負(fù)荷隨之增大，但空調(diào)機(jī)組的供熱能力卻逐漸較弱，根本無(wú)法滿足基本使用要求。因此，如何提高熱泵型空調(diào)器在低溫環(huán)境下的制熱與制冷能力越來(lái)越受到關(guān)注。分體式熱泵型空調(diào)機(jī)組在低溫條件下可提高室外機(jī)組周邊空氣溫度及機(jī)組蒸發(fā)溫度，有助于提高制冷力，從而滿足制冷與制熱需求。它主要采取了以下方法：將分體式熱泵型空調(diào)機(jī)組的室外換熱器布置在建筑房頂專用的室內(nèi)，并在其中設(shè)置另外的空氣換熱器，讓部分可能流經(jīng)蒸發(fā)器的低溫空氣和部分回風(fēng)實(shí)現(xiàn)熱交換，進(jìn)而提高蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)的溫度及機(jī)組的蒸發(fā)溫度。
在普通空調(diào)器的基礎(chǔ)上，安裝一個(gè)四通換向閥，改變閥的操作，可以使原來(lái)空調(diào)器的蒸發(fā)器和冷凝器的功能互相對(duì)換，從而把冷卻室內(nèi)空氣的功能改變?yōu)榧訜崾覂?nèi)空氣的功能。我們把這種冬季可以從室外較低空氣中抽取熱量，用來(lái)加熱室內(nèi)空氣，夏季可把室內(nèi)空氣的熱量除去，傳送到室外的空氣調(diào)節(jié)器叫做熱泵式空調(diào)器。
它的特點(diǎn)是一機(jī)兩用，夏季可以制冷降溫，冬季可以制熱升溫。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，價(jià)格便宜，適用于-5～43℃環(huán)境。帶除霜器的熱泵式空調(diào)器，適用于-5～43℃環(huán)境。
3.2 工作原理
熱泵型分體式空調(diào)器原理圖
常用的熱泵空調(diào)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、四通換向閥、室外換熱器、節(jié)流機(jī)構(gòu)(毛細(xì)管或膨脹閥)、室內(nèi)換熱器、集液器及連接管路組成。
當(dāng)熱泵型空調(diào)器運(yùn)行于制冷工況時(shí)，四通閥換向使圖中實(shí)線接通。這時(shí)，室內(nèi)換熱器成為蒸發(fā)器，而室外換熱器成為冷凝器。從室內(nèi)換熱器來(lái)的低溫低壓過(guò)熱氣經(jīng)四通閥和消聲器進(jìn)入氣液分離器．分離出液體后，干過(guò)熱氣被壓縮機(jī)吸入壓縮成為高溫高壓的氣體徘出，氣體經(jīng)四通閥進(jìn)入室外換熱器放熱冷凝，成為過(guò)冷液。過(guò)冷液經(jīng)毛細(xì)管阻力降壓后成為低溫低壓兩相流體，進(jìn)入室內(nèi)換熱器蒸發(fā)吸熱(此時(shí)室內(nèi)空氣被降溫)，再一次經(jīng)四通閥和氣液分離器進(jìn)入下一循環(huán)。
當(dāng)熱泵型空調(diào)機(jī)運(yùn)行于制熱工況時(shí)，四通閥換向線接通。這時(shí)室內(nèi)換熱器成為冷凝器，室外換熱器成為蒸發(fā)器。從室外換熱器來(lái)的低溫低壓過(guò)熱氣經(jīng)四通閥和消聲器進(jìn)入氣液分離器，分離出液體后，干過(guò)熱氣被壓縮機(jī)吸入壓縮成為高溫高壓的氣體徘出，氣體經(jīng)四通閥進(jìn)入室內(nèi)換熱器放熱冷凝(此時(shí)，室內(nèi)空氣被加熱)．成為過(guò)冷液，過(guò)冷液經(jīng)毛細(xì)管阻力降壓后成為低溫低壓兩相流體．進(jìn)入室外換熱器蒸發(fā)吸熱，隨后過(guò)熱氣經(jīng)四通閥和氣液分離器進(jìn)入下一循環(huán)。
為防止制熱時(shí)因除霜導(dǎo)致室內(nèi)舒適性下降，采用了熱氣旁通不間斷制熱除霜方式。除霜時(shí)，運(yùn)行原理基本與制熱相同，只是將融霜電磁閥打開(kāi)。從壓縮機(jī)出來(lái)的高溫高壓的過(guò)熱氣有一部分被分流到室外換熱器的人口，迅速把室外換熱器的溫度提高到O℃以上，融掉室外換熱器上的霜層，使換熱器保持良好的換熱效率。
4 制冷工質(zhì)研究進(jìn)展
制冷工質(zhì)或制冷劑的選擇對(duì)制冷循環(huán)或制冷機(jī)的性能有重大影。
1834年由美國(guó)人發(fā)明的世界上第一臺(tái)制冷機(jī)采用乙醚做制冷劑，1866年二氧化碳被用作制冷劑，1872年英籍美國(guó)人波義耳又發(fā)明了以氨為制冷劑的壓縮機(jī)。從本世紀(jì)30年代起，一系列的氟利昂陸續(xù)出現(xiàn)，大大促進(jìn)了制冷與空調(diào)業(yè)的發(fā)展。但是由于像R11、R12等氟氯化碳或稱氟氯烴（CFC）的大量使用會(huì)破壞臭氧層，并且造成溫室效應(yīng)，引起全球氣候變暖等問(wèn)題，所以尋找一種對(duì)環(huán)境安全的制冷劑是當(dāng)前制冷行業(yè)首要解決的問(wèn)題，制冷劑的替代也由無(wú)臭氧層破壞到到同時(shí)滿足臭氧層保護(hù)和阻止全球變暖的雙重要求上來(lái)。由于R22對(duì)臭氧層的耗損作用和較高的室溫效應(yīng)值，因此展開(kāi)了對(duì)HCFC22替代技術(shù)的研究。
4.1 R22比較成熟的HFCS替代物有以下幾種[3～7]：
(1)R407c:是眾多候選替代制冷劑中呼聲較高的R22替代物，這是由于R407c的熱力性質(zhì)與R22比較相似，工作壓力和制冷量都比較接近。
(2)R410a: 其熱力性能十分接近單工質(zhì),雖然它與R22 的熱力性質(zhì)不很相似,但卻可能是R22最有前途的HFC類(lèi)替代物。使用R410a的制冷系統(tǒng)需徹底改型,但改型后的機(jī)器變得更為緊湊。它的另一優(yōu)勢(shì)是液相的熱導(dǎo)率高、粘度低，使其具有優(yōu)于R22的傳輸特性。
(3)R134a:與R22 相比,壓力、冷量都會(huì)降低,大多數(shù)的管道包括換熱器在內(nèi)都應(yīng)擴(kuò)大以減少壓力損失,壓縮機(jī)的排量也要增加。用它代替R22后系統(tǒng)的制冷量有大幅度的下降,能效比也略有下降。系統(tǒng)的改型費(fèi)用較高,因此對(duì)于小型住宅或商用空調(diào)不太可能用它,但對(duì)大型冷水機(jī)組尤其是用螺桿或離心式壓縮機(jī)時(shí)比較合適。
(4)R1270: 通過(guò)對(duì)R1270與R22的熱物理性質(zhì)和熱力循環(huán)性進(jìn)行比較,碳?xì)浠衔颮1270的環(huán)境接受性能好,主要的熱物理性質(zhì)與R22相似,其氣化潛熱比R22和R290都要高,傳熱效率高,并且R1270的可燃可爆性也可以通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程和制冷裝置中安全措施的完善而得到克服。與R22系統(tǒng)潤(rùn)滑油及其它部件均能兼容,并且與R22容積制冷量相差不大,不需要壓縮機(jī)進(jìn)行改型。具有高制冷量, 高循環(huán)性能系數(shù),充注量大大減少的優(yōu)點(diǎn),總體考慮是一種性能優(yōu)良的制冷劑。
4.2 自然工質(zhì)的研究
替代工質(zhì)研究的另一方面是放棄使用化工合成物，采用和環(huán)境相容的純天然工質(zhì)，HFC替代物雖然解決了臭氧層的消耗問(wèn)題，但其較高的GWP值仍然是困擾人們的一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。如果從環(huán)境的可接受性考慮,天然制冷劑無(wú)疑是解決問(wèn)題最徹底而又最完滿的途徑。目前在天然制冷劑中以氨、丙烷與其他烴的混合物及二氧化碳制冷技術(shù)[8～9], 其中二氧化碳制冷技術(shù)最有可能成為R22的長(zhǎng)期替代物。由于CO2的高密度和低粘度,CO2的流動(dòng)損失小，傳熱效果好。通過(guò)強(qiáng)化傳熱可以彌補(bǔ)它循環(huán)不高的缺點(diǎn)，增加回?zé)崞骰蛘卟捎脙杉?jí)壓縮即可達(dá)到與常規(guī)制冷劑相似的效率，而不設(shè)膨脹機(jī)，這也是各公司開(kāi)發(fā)CO2小型制冷或者汽車(chē)空調(diào)的研究方向。
4.3 混合工質(zhì)的研究
在關(guān)注純物質(zhì)和自然工質(zhì)研究的同時(shí)，混合工質(zhì)[10～11]也成為工質(zhì)研究的重要方向，混合工質(zhì)在近期替代CFCs方面具有很大的潛力和應(yīng)用前景,可以滿足各種不同設(shè)備的特定性能要求。所謂混合工質(zhì)是指由兩種或兩種以上的純工質(zhì)按一定比例混合而成的溶和物，按照混合后的溶液是否具有共沸的性質(zhì)可分為以下三種[12]：
（1） 共沸混和物（azoetropic）:它和單一物質(zhì)一樣，在一定壓力下發(fā)生相變是具有一定的相變溫度，而且氣相和液相始終保持相同的成分。
（2） 近共沸混和物（near azoetropic）：是一種泡露點(diǎn)溫度差足夠小的非共沸混和物，在某些特定場(chǎng)合分析時(shí)，忽略這個(gè)溫度差也不會(huì)產(chǎn)生明顯誤差。
（3） 非共沸混和物（nonazoetropic）:沒(méi)有共沸點(diǎn)，在定壓力下蒸發(fā)或凝結(jié)時(shí)，氣象和液相的成分不同，溫度也在不斷變化。
在廣泛開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，許多學(xué)者對(duì)混合工質(zhì)制冷循環(huán)的節(jié)能特性進(jìn)行了模擬計(jì)算[13]，Stoecker和Walukas[14]給出了R12/R114的計(jì)算結(jié)果，他們假定低溫蒸發(fā)器的熱負(fù)荷是高溫蒸發(fā)器的兩倍，結(jié)果顯示：當(dāng)R114質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為50%，系統(tǒng)可以節(jié)能12%。Kruse[15]采用R22/R114和R13B1/R114也做理論計(jì)算，利用RKS狀態(tài)方程計(jì)算混和物的性質(zhì)，結(jié)論是：對(duì)于R22/R114（R22質(zhì)量濃度為0.4），系統(tǒng)的COP可以提高18%～20%；對(duì)于R13B1/R114（R13B1占0.7），COP提高20%。R32/ 134a: 這種非共沸混合物在30/70%時(shí)，有最佳的熱力學(xué)性能。許多報(bào)告指出,經(jīng)系統(tǒng)沖量、注熱交換器的優(yōu)化后的空調(diào)設(shè)備采用這一混合工后的制冷量完全可與R22相當(dāng),而能效比還可提高幾個(gè)百分點(diǎn)。其缺點(diǎn)是雖然它在正常工作條件下是不可燃的，但在某種條件下呈可燃性。
最近，國(guó)際制冷協(xié)會(huì)提出用天然制冷劑（像氨、二氧化碳及碳?xì)浠衔锏龋﹣?lái)替代CFCs與HCFCs，這涉及制冷系統(tǒng)及機(jī)器結(jié)構(gòu)的改變，是未來(lái)制冷劑發(fā)展的趨向。
5 結(jié)語(yǔ)
空調(diào)制冷技術(shù)發(fā)展前景趨勢(shì)整體來(lái)講，環(huán)保、節(jié)能、智能化與健康化是空調(diào)制冷系統(tǒng)技術(shù)未來(lái)的科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)，行業(yè)近期主要針對(duì)其顯著熱點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行深入研究，包括直流變頻、自動(dòng)清潔、靜音、節(jié)能、彩板、加濕、新冷媒、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制及鋁替銅技術(shù)[16]。
熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型產(chǎn)品，但并不是在任何條件下都可以應(yīng)用。其制約條件是電源和冷源。目前。我國(guó)電力供應(yīng)較充足，容易解決。而水源式冷源則是其主要限制條件，沒(méi)有適合可靠的水源，就不能使用水源型熱泵。例如有些工程規(guī)模大，制冷或制熱負(fù)荷大，所需水源水量很多，雖然工程場(chǎng)地有一定面積，也可以鉆井，但是水資源量不足．難以完全滿足工程負(fù)荷需要 有些工程所在場(chǎng)地下面雖然有地下水，但是由于該工程地處繁華市區(qū)，場(chǎng)地面積狹小，無(wú)處布井取水，場(chǎng)地環(huán)境條件限制了水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用[17~18]。
水源熱泵主要的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是冬季供熱，夏季供冷，與一般的水冷機(jī)組比較沒(méi)有太多的優(yōu)點(diǎn)，故水源熱泵用在北方有供暖要求的地方才是比較合適。
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