1、热泵型空调器的制冷概况热泵型空调器的制冷概况摘要：节能和环保是 21 世纪科学技术发展的两大议题。我国的环境污染在世界上较为严重，必须推广节能环保新技术，对于制冷和空调行业，应在降低能耗的基础上，注重新技术的研发和应用，以适应 21 世纪的能源战略新需求。通过对热泵型空调器的发展进程、工作原理以及新型工质的了解，让我们更加掌握热泵型空调器的各项性能参数随外界环境变化时的变化情况。基于新型空调制冷技术应用发展状况展望其未来发展应用趋势，促进空调制冷研发的科学发展有重要的实践意义。关键词：热泵型空调器；空调与制冷；新工质；研究状况；发展趋势1 前言市场经济的飞速发展，社会的持续进步令人们物质文化生
2、活水平实现了迅猛提升，为优化舒适环境人们对空调制冷技术的需求应用范畴越来越广泛，当前空调制冷技术已全面渗透至各个科学研究、生产技术领域，用于调节气温、冷藏冷冻、加工食品等层面，为服务生产环境营造了必要的恒温条件。同时在农业生产中可用于对特殊种子作物做低温处理，在建筑施工中利用空调制冷技术可有效实现开采冻土，另外空调制冷技术还应用于尖端科学、现代医学中，例如生物技术、微电子技术、宇宙开发领域等，由此可见现代社会的科学发展需要空调制冷的辅助支持 1。人们广泛应用的制冷空调和热泵系统，由于本身耗能和传统制冷剂对环境的破坏，系统的节能和制冷剂的替代成为前言课题。怎样令空调制冷系统消耗最小的能源、最大化
3、产出制冷量，营造高效制冷效果则成为行业专家历经多年共同研发、不断探索的课题，并研发出了较多新型节能制冷技术，令空调制冷行业实现了稳步向前发展。2 我国热泵的发展概况1950 年代初，天津大学的一些学者最早开始从事热泵的研究。1965 年上海电冰箱厂研制成我国第一台制热量 3720w 的热泵型窗式空调器，但因换向阀的工作可靠性等原因，长期未有发展。热泵型空调器的制冷概况1970 年代后期，由于能源危机所推动的世界性热泵热也影响了我国学术界。1990 年上海市通用机械技术研究所首次进行了第二类吸收式热泵的模拟试验，同年上海交通大学、上海第一冷冻机厂联合研制了 350kw 第二类吸收式热泵。2000
4、2003 年，专利总数 287 项，其中发明专利 119 项。多项创新成果问世，如土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统、空气源热泵蓄能热气除霜系统、三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统等。2005 年全国共有地源热泵工程项目 3869 项，同年 11 月 31 日，建设部发布了地源热泵系统的工程技术规范（GB50366-2005 ），并于 06 年 1 月 1日起正式实施。2008 年的北京奥运会和 2010 年的上海世博会使得热泵技术在我国的应用越来越广泛。3 热泵型空调器的工作原理3.1 热泵型空调器概述 2热泵型空调器具备夏季制冷及冬季制热的双重功能，目前已受到越来越多的用户欢迎。但这种空调
5、也有一定局限性，例如在某些地区冬季运转时，由于室外温度较低，蒸发器的表面非常容易结霜，就会影响正常供热；同时，室外空气温度的持续降低使室内热负荷随之增大，但空调机组的供热能力却逐渐较弱，根本无法满足基本使用要求。因此，如何提高热泵型空调器在低温环境下的制热与制冷能力越来越受到关注。分体式热泵型空调机组在低温条件下可提高室外机组周边空气温度及机组蒸发温度，有助于提高制冷力，从而满足制冷与制热需求。它主要采取了以下方法：将分体式热泵型空调机组的室外换热器布置在建筑房顶专用的室内，并在其中设置另外的空气换热器，让部分可能流经蒸发器的低温空气和部分回风实现热交换，进而提高蒸发器进风的温度及机组的蒸发温
6、度。在普通空调器的基础上，安装一个四通换向阀，改变阀的操作，可以使原来空调器的蒸发器和冷凝器的功能互相对换，从而把冷却室内空气的功能改变为加热室内空气的功能。我们把这种冬季可以从室外较低空气中抽取热量，用热泵型空调器的制冷概况来加热室内空气，夏季可把室内空气的热量除去，传送到室外的空气调节器叫做热泵式空调器。它的特点是一机两用，夏季可以制冷降温，冬季可以制热升温。结构简单，控制方便，价格便宜，适用于-543环境。带除霜器的热泵式空调器，适用于-5 43环境。3.2 工作原理热泵型分体式空调器原理图常用的热泵空调系统由压缩机、四通换向阀、室外换热器、节流机构(毛细管或膨胀阀)、室内换热器、集液器
7、及连接管路组成。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。当热泵型空调机运行于制热工况时，四通阀换向线接通。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
8、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热泵型空调器的制冷概况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。4 制冷工质研究进展制冷工质或制冷剂的选择对制冷循环或制冷机的
9、性能有重大影。1834 年由美国人发明的世界上第一台制冷机采用乙醚做制冷剂，1866 年二氧化碳被用作制冷剂，1872 年英籍美国人波义耳又发明了以氨为制冷剂的压缩机。从本世纪 30 年代起，一系列的氟利昂陆续出现，大大促进了制冷与空调业的发展。但是由于像 R11、R12 等氟氯化碳或称氟氯烃（CFC）的大量使用会破坏臭氧层，并且造成温室效应，引起全球气候变暖等问题，所以寻找一种对环境安全的制冷剂是当前制冷行业首要解决的问题，制冷剂的替代也由无臭氧层破坏到到同时满足臭氧层保护和阻止全球变暖的双重要求上来。由于 R22 对臭氧层的耗损作用和较高的室温效应值，因此展开了对 HCFC22 替代技术的
10、研究。4.1 R22 比较成熟的 HFCS 替代物有以下几种 37 ：(1)R407c:是众多候选替代制冷剂中呼声较高的 R22 替代物，这是由于R407c 的热力性质与 R22 比较相似，工作压力和制冷量都比较接近。(2)R410a: 其热力性能十分接近单工质,虽然它与 R22 的热力性质不很相似,但却可能是 R22 最有前途的 HFC 类替代物。使用 R410a 的制冷系统需彻底改型,但改型后的机器变得更为紧凑。它的另一优势是液相的热导率高、粘度低，使其具有优于 R22 的传输特性。(3)R134a:与 R22 相比,压力、冷量都会降低,大多数的管道包括换热器在内都应扩大以减少压力损失,压
11、缩机的排量也要增加。用它代替 R22 后系统的制冷量有大幅度的下降,能效比也略有下降。系统的改型费用较高,因此对于小型住宅或商用空调不太可能用它,但对大型冷水机组尤其是用螺杆或离心式压缩机时比热泵型空调器的制冷概况较合适。(4)R1270: 通过对 R1270 与 R22 的热物理性质和热力循环性进行比较,碳氢化合物 R1270 的环境接受性能好,主要的热物理性质与 R22 相似,其气化潜热比R22 和 R290 都要高,传热效率高,并且 R1270 的可燃可爆性也可以通过生产过程和制冷装置中安全措施的完善而得到克服。与 R22 系统润滑油及其它部件均能兼容,并且与 R22 容积制冷量相差不大
12、,不需要压缩机进行改型。具有高制冷量, 高循环性能系数,充注量大大减少的优点,总体考虑是一种性能优良的制冷剂。4.2 自然工质的研究替代工质研究的另一方面是放弃使用化工合成物，采用和环境相容的纯天然工质，HFC 替代物虽然解决了臭氧层的消耗问题，但其较高的 GWP 值仍然是困扰人们的一个不可忽视的问题。如果从环境的可接受性考虑,天然制冷剂无疑是解决问题最彻底而又最完满的途径。目前在天然制冷剂中以氨、丙烷与其他烃的混合物及二氧化碳制冷技术 89 , 其中二氧化碳制冷技术最有可能成为R22 的长期替代物。由于 CO2 的高密度和低粘度,CO 2 的流动损失小，传热效果好。通过强化传热可以弥补它循环
13、不高的缺点，增加回热器或者采用两级压缩即可达到与常规制冷剂相似的效率，而不设膨胀机，这也是各公司开发 CO2 小型制冷或者汽车空调的研究方向。4.3 混合工质的研究在关注纯物质和自然工质研究的同时，混合工质 1011 也成为工质研究的重要方向，混合工质在近期替代 CFCs 方面具有很大的潜力和应用前景,可以满足各种不同设备的特定性能要求。所谓混合工质是指由两种或两种以上的纯工质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质可分为以下三种 12：（1） 共沸混和物（azoetropic）:它和单一物质一样，在一定压力下发生相变是具有一定的相变温度，而且气相和液相始终保持相同的成分
14、。（2） 近共沸混和物（near azoetropic）：是一种泡露点温度差足够小的非共沸混和物，在某些特定场合分析时，忽略这个温度差也不会产生明显误差。热泵型空调器的制冷概况（3） 非共沸混和物（nonazoetropic）:没有共沸点，在定压力下蒸发或凝结时，气象和液相的成分不同，温度也在不断变化。在广泛开展实验研究的同时，许多学者对混合工质制冷循环的节能特性进行了模拟计算 13，Stoecker 和 Walukas14给出了 R12/R114 的计算结果，他们假定低温蒸发器的热负荷是高温蒸发器的两倍，结果显示：当 R114 质量百分数为 50%，系统可以节能 12%。Kruse 15采用
15、 R22/R114 和 R13B1/R114 也做理论计算，利用 RKS 状态方程计算混和物的性质，结论是：对于 R22/R114（R22质量浓度为 0.4），系统的 COP 可以提高 18%20%；对于R13B1/R114（R13B1 占 0.7），COP 提高 20%。R32/ 134a: 这种非共沸混合物在 30/70%时，有最佳的热力学性能。许多报告指出 ,经系统冲量、注热交换器的优化后的空调设备采用这一混合工后的制冷量完全可与 R22 相当,而能效比还可提高几个百分点。其缺点是虽然它在正常工作条件下是不可燃的，但在某种条件下呈可燃性。最近，国际制冷协会提出用天然制冷剂（像氨、二氧化碳
16、及碳氢化合物等）来替代 CFCs 与 HCFCs，这涉及制冷系统及机器结构的改变，是未来制冷剂发展的趋向。5 结语空调制冷技术发展前景趋势整体来讲，环保、节能、智能化与健康化是空调制冷系统技术未来的科学发展趋势，行业近期主要针对其显著热点技术进行深入研究，包括直流变频、自动清洁、静音、节能、彩板、加湿、新冷媒、网络远程控制及铝替铜技术 16。热泵空调系统是一种高效、节能、环保型产品，但并不是在任何条件下都可以应用。其制约条件是电源和冷源。目前。我国电力供应较充足，容易解决。而水源式冷源则是其主要限制条件，没有适合可靠的水源，就不能使用水源型热泵。例如有些工程规模大，制冷或制热负荷大，所需水源水
17、量很多，虽然工程场地有一定面积，也可以钻井，但是水资源量不足难以完全满足工程负荷需要 有些工程所在场地下面虽然有地下水，但是由于该工程地处繁华市区，场地面积狭小，无处布井取水，场地环境条件限制了水源热泵系统的应用 1718。热泵型空调器的制冷概况水源热泵主要的特点和优点是冬季供热，夏季供冷，与一般的水冷机组比较没有太多的优点，故水源热泵用在北方有供暖要求的地方才是比较合适。参考文献1王如竹，丁国良等. 最新制冷空调技术. 北京：科学出版社， 2002 2 桂国庆.热泵型空调器低温制热与低温制冷分析.装备应用与研究 2011年第24期总第306期.3费人杰. 关于氨制冷系统的新动向. 制冷 62
18、（1）： 67704董天禄，华小龙等. 制冷剂替代技术的最新动态. 制冷技术 1999（1）5罗超. 制冷空调技术发展动态j.现代商贸工业,2007(3).6葛志祥. 空调节能的研究及其实现j.南通航运职业技术学院学报,2008(3).7蒋能照. 空调用热泵技术及应用M. 北京: 机械工业出版社, 19978王侃宏，马一太，魏东等. CO2 跨临界水-水热泵循环系统的实验研究. 中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议论文集 南京9Petter Neksa etc. CO2-heat pump water heater ,characteristics,system desigen an
19、d experimental results. Int.J.Refrig.10 G.Lorentzen.The use of natural refrigerants:a complete solution to the CFC/HCFC predicament.Int.J.Refrig,18(3)11李文林. 混合制冷剂的研究与发展. 国外科技动态12徐德胜等. 制冷空调原理与设备. 上海：上海交通大学出版社 199613丁国良，张春路等. 制冷空调装置仿真与优化. 北京：科学出版社14W.F.Stoecker,D.J.Walukas.Conserving energy in domesti
20、c refrigerators through the use ofrefrigerangts mixtures.Int,J.Refrig.热泵型空调器的制冷概况15H.Kruse.The advantages of non-azeotropic refrigeratant mixtures for heat pump application.Int.J.Refrig.16陈国邦等. 最新低温制冷技术. 北京：机械工业出版社17薛玉伟,李新国,赵军等.地下水水源热泵的水源问题研究 .能源工程，2003(2):1013.18范晓伟,周光辉,连之伟. 我国水源热泵研究现状. 流体机械 ,2003
21、,31 (4) . 19 Li Zhang*,Chaobin Dang,Eiji Hihara；Performance analysis of a no-frost hybrid air conditioning system with integrated liquid desiccant dehumidification；international journal of refrigeration 33 (2010) 116124；20 吴 亮，滕德义，李俊；太阳能转轮除湿式空调系统；节能环保，2009,3：34 35；21 赵巍，朱瑞琪，阚怡松；无泵循环液体除湿型空调系统的仿真研究；2002,36（1）:3034；22 王倩，郝红，卢建津；液体除湿空调系统研究进展；煤气与动力，2005,25（8）：7276；23 陈志刚，王忠平，张雪梅等；转轮除湿复合空调系统的能耗数值分析；流体机械，2011,39（2）：7780；24 李玉春；变频空调器除湿量的试验研究；制冷，2007,26 （3）:13-16；25 赵庆，苏伟胜；恒温恒湿空调方案的选用；制冷与空调，2009,23（5）：57-60 ；
