風(fēng)冷熱泵機組又被稱為空氣源冷熱水熱泵機組。其本身實現(xiàn)自動控制( 包括自動除霜) 以達到管理運行簡單; 能提供制冷和制熱以適應(yīng)不同建筑物的使用要求，一機冬夏兩用，具有設(shè)備利用率高的特點; 夏季制冷時采用空氣側(cè)換熱器，無需安裝冷卻塔及冷卻水系統(tǒng)，冬季制熱運行省去鍋爐及鍋爐房投資，結(jié)構(gòu)緊湊且整體性好，可放置在屋頂，安裝方便，不占用建筑物的室內(nèi)空間; 同時熱泵能有效節(jié)省能源、減少大氣污染和CO2 排放，對于節(jié)水、節(jié)能和環(huán)保等都具有重要的意義。所以風(fēng)冷、熱泵作為一種比較成熟的高效環(huán)保型供冷供熱產(chǎn)品，近年來在我國得到了廣泛的應(yīng)用，在建筑節(jié)能工程中的作用越來越大。

一、風(fēng)冷熱泵機組的應(yīng)用

    風(fēng)冷熱泵機組近年來發(fā)展迅猛，在我國的長江流域、西南、華南地區(qū)有大量應(yīng)用。這些區(qū)域冬季室外溫度一般不低于零下8℃，室內(nèi)供熱量需求不大。而對于黃河流域及華北地區(qū)，長期采用燃煤燃油采暖，當采用熱泵機組供熱運行時，隨著室外溫度降低，建筑物熱負荷增大，其提供的熱量卻逐漸減少，阻礙了風(fēng)冷熱泵機組北擴的趨勢; 同時，當室外翅片換熱器表面溫度低于空氣露點溫度時空氣中的水蒸氣就會在翅片上凝結(jié),若此溫度低于0℃時，翅片換熱器表面會結(jié)霜，熱泵機組又面臨了合理除霜、盡量減小除霜對制熱系統(tǒng)沖擊等問題。

    1.1 低溫環(huán)境制熱

    風(fēng)冷熱泵機組在供熱運行時，隨著室外溫度降低,建筑物熱負荷增大，所需的熱量增加，然而由于環(huán)境溫度的降低，翅片盤管蒸發(fā)溫度下降，壓縮機吸入制冷劑密度減小使系統(tǒng)制冷劑循環(huán)流量減小，導(dǎo)致機組的供熱量降低而不能滿足熱負荷的需求。為了解決這一矛盾，提高熱泵系統(tǒng)的可靠性，可以通過加輔助熱源來彌補機組本身供熱不足的問題。輔助熱源通常為燃油、燃煤、燃氣、電鍋爐或電加熱。風(fēng)冷熱泵機組在膠東地區(qū)的設(shè)計嘗試是熱泵機組北擴的很好的例子，在室外溫度較低時，鍋爐供出的高溫水與熱泵供出的較低溫水在分水器混合，將水溫升高后一起供出。

    如果環(huán)境溫度過低( 低于零下15℃)，降低機組壓縮比是空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區(qū)正常運行的唯一途徑，因此，應(yīng)采用技術(shù)措施如兩級壓縮、經(jīng)濟器中間級補氣式準兩級壓縮等方法來增加制冷系統(tǒng)的循環(huán)量、降低壓縮比以保證機組在低環(huán)境溫度下的可靠運行。另外通過加熱吸氣管路的氣液分離器以提高吸氣溫度和吸氣壓力來增加壓縮機的吸氣量，以減緩結(jié)霜時間和制熱供熱不足的問題。

    1.2 除霜

    風(fēng)冷熱泵冷熱水機組有節(jié)水、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點，但當風(fēng)側(cè)換熱器翅片表面溫度低于空氣露點溫度且低于0 ℃時，風(fēng)側(cè)換熱器表面會結(jié)霜。在結(jié)霜的早期,由于霜層增加了傳熱表面的粗糙度及表面積，使總傳熱系數(shù)有所增加。隨著霜層的逐漸增厚，對風(fēng)冷熱泵機組的運行會產(chǎn)生不利影響，一方面增加了空氣和風(fēng)冷換熱器之間的傳熱熱阻; 另一方面，霜層使盤管上的空氣流道變窄，減少了翅片間的空氣流通面積，導(dǎo)致空氣流動阻力增加，空氣流量減少，從而使風(fēng)冷換熱器的換熱量降低，風(fēng)機功耗增加，工作狀況惡化。因此，當霜層達到一定厚度時，必須進行除霜以使系統(tǒng)能高效運行。機組除霜時，不但停止向供熱對象供熱,而且需要降低水溫來加熱翅片盤管，影響室內(nèi)環(huán)境熱舒適度，降低了機組的制熱能效比。

    目前，常用的除霜方式有逆向除霜和熱氣旁通除霜。逆向除霜是指除霜時四通換向閥動作，機組處于制冷模式下，風(fēng)側(cè)換熱器與水側(cè)換熱器的功能對調(diào),風(fēng)側(cè)換熱器作為冷凝器，水側(cè)換熱器作為蒸發(fā)器，用壓縮機的排氣高壓進入翅片盤管來除霜。當翅片盤管上的霜被除盡后，四通換向閥切換，機組恢復(fù)正常制熱。熱氣旁通除霜是指當機組處于制熱狀態(tài)結(jié)霜時,導(dǎo)致機組系統(tǒng)吸氣壓力降低，當降低到設(shè)定值時，熱氣旁通閥開啟，將系統(tǒng)高壓端與蒸發(fā)器進口連通，高溫、高壓氣體進入蒸發(fā)器，可融化翅片盤管上的霜及提高吸氣壓力。當系統(tǒng)吸氣壓力回升到設(shè)定值時，熱氣旁通閥關(guān)閉，機組正常制熱，在此除霜過程中四通換向閥不需要切換。

     第三種方法即顯熱除霜方式,顯熱除霜是指利用壓縮機排氣管至電子膨脹閥前的旁通回路，將排氣由電子膨脹閥等作焓節(jié)流，在空氣換熱器中只進行顯熱交換來除去霜層。該方式可以不需要切換四通換向閥兩次來完成以此除霜循環(huán)，減小了由于切換四通換向閥而帶來的對壓縮機的沖擊。另外采用顯熱除霜，可以改進熱氣旁通除霜所帶來的大量液體進入吸氣管而影響壓縮機可靠性的隱患。

二、風(fēng)冷熱泵機組的節(jié)能技術(shù)

    中國GDP 占世界GDP 比重大約為4%，卻消耗了相當于全球總產(chǎn)量30%的主要能源和原材料，由此也帶來煤、電、油等原材料全面緊張。建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是當前的空調(diào)與熱泵節(jié)能技術(shù)熱點問題。中國傳統(tǒng)的高投入、高消耗、重污染、低產(chǎn)出的發(fā)展模式已受到了相關(guān)部門的高度重視，為此國家頒布了一系列節(jié)能標準，要求新建筑嚴格實施節(jié)能50%的設(shè)計標準。

    風(fēng)冷熱泵機組采用大自然中蘊藏著大量的較低溫度的環(huán)境低品位空氣熱源，可以取之不盡，用之不竭,處處都有且無償獲取，為建筑物供熱大大降低一次能源的消耗，對于節(jié)能具有非常重要的意義，是一項可持續(xù)發(fā)展技術(shù)。因此原機械工業(yè)部發(fā)布的《機械工業(yè)重點開發(fā)產(chǎn)品指南》，要求風(fēng)冷熱泵機組在- 10℃環(huán)境溫度下能穩(wěn)定運行，這為風(fēng)冷熱泵冷熱水機組制熱工況運行的性能提出了明確的目標。

    2.1 提高機組本身的效率以節(jié)能

    新近出臺的“空調(diào)機組能效”國家標準提出了能效限定值這一強制性要求，是空調(diào)產(chǎn)品市場準入的要求,這也意味著今后低COP 值的熱泵機組不能用于空調(diào)系統(tǒng)中，這對于熱泵中央熱水系統(tǒng)的主機也同樣有效。開發(fā)、研制和選用高能效比的冷熱水機組將是今后發(fā)展的重要方向，優(yōu)化壓縮機的設(shè)計以提高壓縮機的制冷效率。

    如通過變頻改變壓縮機轉(zhuǎn)速以適應(yīng)不同負荷的需求來提高部分負荷效率、通過數(shù)碼渦旋壓縮機的上載下載時間來滿足不同的負荷需求以提高部分負荷效率，以膨脹機代替節(jié)流閥來回收一部分功的兩相螺桿壓縮膨脹機可減少能耗、提高效率，采用經(jīng)濟器補氣尋求最優(yōu)的補氣壓力以提高壓縮機的效率達到比較理想的狀態(tài)；增強換熱器的換熱性能，改進蒸發(fā)器的制冷劑分配以充分利用換熱面積來提高換熱器的效率；降低四通換向閥的壓降，提高風(fēng)機效率和風(fēng)機電機效率等方法以提高機組的COP 等。

     2.2 除霜節(jié)能

     目前的空氣源熱泵冷熱水機組大約有27%的除霜是誤除霜，這不僅造成了能量的損失，同時頻繁的機組制冷、制熱切換也降低了壓縮機的使用壽命。最佳除霜時刻的確定是關(guān)系到用戶運行成本大小最關(guān)鍵的技術(shù)，是提高節(jié)能的重要手段。

    若除霜太晚，蒸發(fā)器上的霜層太厚會使翅片間的風(fēng)道阻塞、風(fēng)量降低，其結(jié)果是嚴重惡化換熱器的換熱效率，系統(tǒng)的制冷系數(shù)降低使耗能增加，同時當機組切換到除霜工況時，將需要更長的時間和更多的熱量來除去翅片表面的霜。相反若除霜時刻比較早，蒸發(fā)器還未結(jié)霜或只結(jié)了少量的霜，這樣就會頻繁除霜，也會造成能源的浪費、壓縮機使用壽命的降低，而且對水溫影響波動也較大，影響客戶端的舒適性。影響結(jié)霜的因素除了空氣的濕度、壁面溫度、環(huán)境溫度等，還有結(jié)霜表面的特征，所以通過改變結(jié)霜表面的性質(zhì)來抑制結(jié)霜是一個普遍關(guān)注的技術(shù)。在冷壁金屬表面涂以某種憎水或親水涂料以阻止和延緩結(jié)霜，涂層對金屬表面應(yīng)有很好的附著性能，一般選硅脂和硅油作為憎水涂料，而選用丙三醇(甘油)作為親水涂料。

    對有憎水涂層表面，表面出現(xiàn)露珠→露珠變大→露珠繼續(xù)變大、不形成水膜→冰珠→枝晶、且分布不均勻、易倒伏。

    對有親水涂層表面，空氣中的水蒸氣不斷凝結(jié)于冷壁表面濃的丙三醇溶液中，使溶液不斷被稀釋，直到進行很長時間仍未出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，隨著丙三醇不斷被主流空氣帶走，親水涂層消失時才出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。從這可以看出，無涂層表面形成膜狀凝結(jié)速度很快，且很快形成霜生長所需要的冰核，對有憎水涂層表面始終保持珠狀凝結(jié)，且形成易倒伏的枝晶容易被吹掉，從而延緩了霜的形成初期，對有親水涂層表面，由于水蒸氣不斷溶于丙三醇溶液中，這相當于降低了空氣經(jīng)過換熱器的焓濕量，也大大延緩了霜的形成初期,降低了換熱器的結(jié)霜速率。另外，親水涂層冷壁表面的凝固點較低，這使親水涂層的冷壁表面的冰點大大降低，從而起到了抑制和延緩結(jié)霜的作用。

    除了翅片表面的處理，合理的風(fēng)速與換熱面積的匹配也是設(shè)計時減少結(jié)霜的重要手段。大冷量的風(fēng)冷熱泵機組會存在翅片換熱器表面風(fēng)速分配不均勻問題，在設(shè)計中可以通過調(diào)整制冷劑的分配以匹配空氣側(cè)風(fēng)速分配不均; 另外通過翅片盤管分配器的合理設(shè)計可以充分利用換熱面積以防止盤管某些回路出口會有較大的過熱度，而有些回路仍處于兩相區(qū)，這樣既沒有充分利用換熱面積，又容易使膨脹閥控制波動，形成翅片盤管表面結(jié)霜不均勻。

    風(fēng)冷熱泵的除霜控制一直是文獻討論的焦點，因為除霜控制的好與壞直接影響到機組控制是否能按照機組的實際運行狀況和按真正需求除霜，這也是評判節(jié)能的重要指標。除霜控制方法有以下幾種：

    (1) 較早采用的是定時除霜控制，這種控制往往按照最惡劣的環(huán)境條件來設(shè)定時間，因此在不同的環(huán)境條件下必然產(chǎn)生不必要的能源浪費。

    (2) 時間溫度控制方法，這是目前普遍采用的方法，通過在時間量的基礎(chǔ)上考慮了溫度量，比單純的時間法有進步，同時部分地考慮了機組工作環(huán)境的影響,但是仍不能很好地反映熱泵機組在各種工況下合理除霜的問題。

    (3) 通過吸氣管上的吸氣壓力可以得到飽和蒸發(fā)溫度，當在蒸發(fā)器表面結(jié)霜嚴重時，蒸發(fā)溫度與大氣溫度的差會加大，以飽和蒸發(fā)溫度與環(huán)境溫度的差值能較好的反映結(jié)霜情況，但是對于環(huán)境溫度變化劇烈的場合仍會有誤動作產(chǎn)生。

    (4) 由于蒸發(fā)器表面結(jié)霜，會增大蒸發(fā)器兩側(cè)的空氣壓差，通過檢測蒸發(fā)器兩側(cè)的空氣壓差來確定是否需要除霜，這種方法可以實現(xiàn)根據(jù)需要除霜，但在蒸發(fā)器表面有異物或嚴重積灰時會誤動作，而且微壓差傳感器的價格較高。

    (5) 以上的方法由于參變量較少，只能適用于某些工況，而在另一些工況時會產(chǎn)生誤操作。可以通過引入?yún)?shù)如環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、翅片盤管表面溫度( 或通過壓力傳感器得到盤管蒸發(fā)溫度) 、制熱運行時間、翅片盤管表面溫度與環(huán)境溫度的差值( 或盤管蒸發(fā)溫度與環(huán)境溫度的差值) 及翅片盤管溫度的變化率( 或盤管蒸發(fā)溫度的變化率) 等來綜合考慮以達到降低不必要除霜的誤動作。

    2.3 熱回收節(jié)能

    利用熱泵結(jié)合熱回收技術(shù)，不僅可以利用余熱提高機組本身的性能，還能減少對環(huán)境的熱污染，緩解城市的熱島效應(yīng)。在夏季利用機組的冷凝熱制取生活熱水，不但節(jié)省了制取生活熱水所耗的能量，而且降低冷凝溫度提高機組性能; 在冬季，對于仍需要部分制冷降溫的場合，同樣利用機組冷凝余熱來制取生活熱水; 而對于冬季需要制熱的場所，利用高溫高壓的工質(zhì)氣體的過熱焓，仍可以同時得到采暖熱水和生活熱水。但是，這會要求機組的制熱量加大。而且，當氣溫越低時所需的熱負荷和生活熱水用熱負荷越大，而機組制熱能力卻隨環(huán)境溫度降低而降低，造成了矛盾。可以通過以下的方法來平衡以達到熱泵制冷、制熱、全年生活熱水供應(yīng)的三用機組:

    (1) 增大單臺機組的制熱能力。采用變頻壓縮機以達到高負荷高轉(zhuǎn)速、低負荷低轉(zhuǎn)速的不同負荷需求; 采用經(jīng)濟器結(jié)構(gòu)，冬季低溫時用經(jīng)濟器實現(xiàn)準二級壓縮,溫度較高時關(guān)閉經(jīng)濟器回路實現(xiàn)正常單級壓縮; 改換制冷工質(zhì)、采用新型的大壓縮比的壓縮機等辦法。

    (2) 尋求廉價的、易于獲取的、非礦物燃料的輔助熱源如太陽能、廢水、余熱等，以解決由于環(huán)境溫度過低而使熱泵機組制熱能力下降的問題，同時有機地將熱泵機組與輔助熱源結(jié)合起來運行以達到最優(yōu)的節(jié)能目的。

    (3) 充分利用出壓縮機的高溫、高壓工質(zhì)的過熱焓(冷凝熱) 產(chǎn)生較高溫度的生活用水。