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国家主导的“煤改电”为何力推空气源热泵不推空调?

发布时间:2018-03-20    来源:热泵市场

 内蒙古经销商殷先生最近有个疑惑,有个客户问到空调也能制热,空气源热泵也能制热,而且跟空调长得差不多,但为何热泵价格相对高一截?刚入行的他向本刊求救,空气源究竟是一种什么类型的产品,空气源的制热能力为什么比空调强,究竟强在哪里?

 

为此本刊记者向上海海立总工唐智钧请教,他系统而全面地解释了两者的异同点,并试图尽量用科普和口语来说明为什么空气源能作空调用,而一般空调不能作为空气源热泵用。

 

空气源热泵的前世今生

 

空气源热泵在欧美大多数发达国家,如澳大利亚、英国、法国、德国、美国等国家,在60~70年代已经进入了大多数家庭,美国在1971年,热泵的产量就达到8.2万套/年,据1998年美国的调查数据显示,美国约有30%的热水供应设备采用空气源热泵热水器。在我国,空气源热泵热水器于2002年前后进入,首先登陆广东,并迅速发展,但一直到2013年以前,空气源热泵产品线主要集中在热水器、泳池热泵为主,烘干、采暖的热泵为辅。

 

在2013年8月,北京市政府发布《北京市2013~2017年清洁空气行动计划重点任务分解》中明确说明把空气源热泵作为清洁采暖的一个试点产品,并借此东风,空气源热泵采暖机迅猛发展,并成为最近几年和今后几年的空气源热泵行业的重点发展方向,并在2017年仅靠3种采暖产品型号就占有了空气源热泵产值的半壁江山。

 

热泵是采用“逆卡诺循环”原理,也叫蒸汽压缩制冷系统的产品,按冷热来源分为三大类:空气源、水源、地源。

 

空气源是指冷热源来源于空气,就是从空气中吸取热量,或把热量排放到空气中去。这类产品包括:空调、风冷(热泵)冷水机组、VRV多联机、空气能热水器、空气源热泵采暖机、冰箱、冷库等形式的产品,空调归属空气源大类,是空气源的一个小分支,也就是说空气源包含空调,但范围比空调更广、更宽。

 

但现在,一般说空气源或空气源热泵或空气能,就是专指能烧热水、采暖、冷暖两联供、烘干等形式的机组,为和现在约定成俗的名称相一致,现在说的空气源热泵就专指这类产品,空气源热泵与空调就属于同等类别产品,都来源于“逆卡诺循环”原理,那么,我们先来看看“逆卡诺循环”原理是何方真神。

 

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 图一 逆卡诺循环原理图

 

“逆卡诺循环”就是由两个等温过程和两个绝热过程组成。低温低压的液态制冷剂,进入蒸发器中等温吸热蒸发,从空气中吸收大量的热量,蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机,被绝热压缩成高温高压的气态制冷剂进入冷凝器,将其所含热量等温释放给进入冷凝器中的冷水,冷水被加热输送到用户端进行采暖或洗浴,同时制冷剂变成高温高压的液态进入节流装置,绝热膨胀成低温低压的液态进入蒸发器,周而复始;反之循环,则进行制冷。

 

同宗同源,为何煤改电青睐热泵?

 

既然空气源热泵和空调同宗同源,为什么北京“煤改电”不大力推广空调,却推“不熟悉”的空气源热泵呢?酒店、学校、精装房的生活热水为什么强制要求空气源热泵作为节能建筑申请的必要条件,而不推广改造用现成的空调去烧热水?

 

要解答这个问题,首先要了解空气源热泵和空调两种产品的设计理念不同,进而理解其产品的不同,我们先把两者设计理念不同的地方列表如下。

 

 

不同点

空调

空气源热泵

1      

使用对象不同

主要使用在有制冷需求的地方,所以空调设计时强调制冷,制热为辅,这也是当前空调制热运行时,都要采用电加热辅助方式补充制热的原因

主要使用在有制热需求的地方,所以空气源热泵设计时首先强调制热,以全气候运行中不采用电加热辅助制热为目标,并且兼顾有制冷功能

2      

功能不同

空调功能单一,只有制冷和制热

空气源热泵不单可以制冷和制热,也可以做泳池、洗浴、电泳等特种工业的加热源,也可以做农业烘干、污泥烘干等工作,用途广泛

 表一 空气源热泵和空调设计理念不同的地方

 

由于两种产品的使用对象不同,决定他们采用的国家标准、选用的零部件、使用的地域、出风(或出水)温度、能效等均不同,列表分析如下:

 

 

不同点

空调

空气源热泵

1     

执行国家标准不同

标准主要包括:家用空调、多联机、风冷冷水机组等标准。

以制冷量和能效比为衡量指标

标准主要包括:家用热水、商业热水、家用采暖、商业采暖等标准。

以制热量和性能系数为衡量指标,冷暖机还必须考核制冷量和能效比

2     

主要零部件不同

1)空调压缩机

2)翅片冷凝器或板式冷凝器器

3)不带亲水膜的室外翅片换热器

4)没有系统高压等保护控制

  • 热泵压缩机

  • 防冻高效罐式冷凝器

  • 带亲水膜的室外翅片换热器

  • 有系统高压等保护控制

3     

使用区域不同

在环境温度-7℃~43℃范围内使用区域

在环境温度-30℃~43℃范围内使用区域

4     

最高出风(出水)温度不同

最高出风(出水)温度50℃以下

最高出水温度60℃。特种如烘干机等,最高出风(出水)温度达到90℃左右

5     

能效要求不同

空调只对制冷工况有能效要求,制热无要求,属于单工况设计

空气源热泵不仅对制冷有要求(两联供机组),而且对制热能效有要求,特别低温机,要求在-12℃测试

属于双工况设计

 表二 空气源热泵和空调两种产品设计主要不同点列表

 

在以上所有列项中,又以压缩机不同为最重要,不同的压缩机决定产品的不同使用效果和不同的使用地域。空调选用空调压缩机,以R22为例,最大运行压力不超过2MPa,压缩机比小于7,最高排气温度不超过90度;但空气源热泵必须采用热泵压缩机,同样以R22为例,最大运行压力达到3 MPa,压缩机比达到12,甚至更高到20,最高排气温度达到110度。

 

这些参数的不同,要求热泵压缩机的加工精度、轴承强度、电机耐温性能等方面均是在空调压缩机有数量级上的提升,为了表达更直观,我们来看一下两种压缩机的运行范围对比图。

 

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图二 空调压缩机(A/C)和热泵压缩机(HPWH)运行范围对比图

 

图中,横轴对应蒸发温度(相当于热泵的室外环境温度),纵轴对应冷凝温度(相当于热泵的使用侧的出风或水温度),可以看出,热泵压缩机的运行范围是在空调压缩机上有成倍的扩大。

 

有了强壮的“心脏”,空气源热泵才能高温出风(水),低温运行。“高温”到广泛使用在出风温度达80℃以上的烘干行业,“低温”到大西北新疆等地,带老式铸铁暖气片采暖。为满足这种极端而又正常的使用条件,除了有强壮的“心脏”,还要有聪明的“大脑”,要求空气源热泵的主控制器既要保护制冷系统的运行可靠,又要保证用户24小时不断续的使用需求,容错性和精准性,两种相互矛盾的关系在空气源热泵的控制逻辑上得到完美的统一。

 

由于空气源热泵宽气候的运行特性,最高和最低环境温度的温差近80℃,由于制冷系统在低温工况运行时需要的制冷剂流量相对较小,较高温工况运行的制冷剂量减少20%以上,这对空气源热泵的系统容液量提出更高的要求,要系统根据实际运行参数自动调节参与有效运行的制冷剂的量。所以,需要对气液分离器进行特别的设计,包括容积、回油孔、平衡孔等方面进行热泵方面的专门设计和大量的试验验证。

 

同时为了保证系统全天候运行时最适合的过冷度和满液蒸发,又需要另外增加一个高压储液器,这一般也是空调不需要的设计。

 

为了验证制冷系统对多余的存液量的耐受度,需要增加至少三个以上验证试验,相对空调,包括:低温液击试验、低温回油试验、低温低电压启动试验。所以,空气源热泵的设计考核比空调来的更加严格、更加多项。

 

针对空气源热泵的使用特点,冬季全天候制热运行,为保证低温环境下的制热效果和室内温度舒适性(减少波动),化霜是一个不可回避的问题,并相对空调的化霜要求更高。常用的手段有:制冷剂换向化霜、热气旁通化霜、冷凝管末端余热化霜、热水回流翅片化霜、伴热带底盘化霜等等,真是手段无所不及。往往多种手段综合使用,才能保证即使-25℃的环境运行,化霜时间也就3分钟左右,极大的提高机组的制热效果和用户的舒适性。

 

低温空气源与空调系统设计的差异

 

最后,我们再来看一下,空气源热泵中的新贵,低温空气源热泵与空调在系统设计上的不同。在北京“煤改电”的政策推动,空气源热泵在低温环境的制热技术得到一个新的提高,就是直流变频喷气增焓技术的应用,使得空气源热泵在“煤改电”活动中,在诸多采暖设备中独占鳌头、独步天下。

 

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图三 变频低温空气源热泵系统图

 

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 图四 空调器热泵的制热系统图

 

从图三和图四可以明显看出,空调的四大件,压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置,到低温空气源热泵中就变成了五大件,压缩机、冷凝器、蒸发器、双节流装置、经济器,也就由单一系统变成了带喷气增焓的双系统,系统更复杂,成本更高,低温制热效果更好。

 

同时也可看出市面上80%以上的空调的节流装置均采用双毛细管节流,因为空调只需要考虑制冷国标工况和制热国标工况,两个单一工况,一根毛细管对应一个工况,使其达到最佳点,其他工况(环境温度)运行的制冷(热)性能就会偏离最佳运行状态,效果就会下降;

 

而低温空气源热泵,采用了双电子膨胀阀节流,针对不同的工况(环境温度),计算系统的最佳过热度和系统压力,自动调节系统最佳的流量,使得低温空气源热泵在全气候运行,系统均在最佳状态运行,效果均最佳,保证了低温空气源热泵更加节能、更加可靠。

 

综上所述,空气源热泵不同于并优于空调的主要有:

  • 空气源热泵采用热泵专用压缩机,耐压、耐温、加工精度等方面均在空调压缩机上有数量级上的提高,并且使用寿命也大为延长;

  • 空气源热泵的主控制器的逻辑设计较空调来的更复杂,比空调的单一制冷系统控制,还多一个水路系统控制;

  • 空气源热泵的宽气候运行特点,同样匹数的机器,需要的制冷剂量较空调有增大,要求储液器的设计更复杂,一般还需要采用双储液器设计;

  • 空气源热泵的化霜设计相对空调要求更高,既要保证制冷系统的稳定可靠运行,又要减少室内温度的波动幅度,提高用户的舒适度;

  • 低温空气源热泵一般采用“五大件”设计,由空调的“四大件”的单一系统变成了带喷气增焓的双系统,低温制热效果更好,性能系数更高;

  • 空气源热泵的节流装置全部采用电子膨胀阀或外平衡热力膨胀阀,相对空调的毛细管节流精度更高,调节范围更宽。

 

基于以上几点,空气源热泵不等同空调,可以说是空调的升级品,也是将来建筑舒适节能系统的必选品。

 

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