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低温空气源热泵定频机组的节能设计作者：***来源：《科技创新导报》2022年第14期摘要：以我国北方空气源热泵供暖系统为研究对象，基于 TRNSYS软件，建立了农宅热负荷计算模型与空气源热泵供暖系统模型，并结合供暖系统运行数据，对模型进行校正，仿真结果与运行数据误差较小。
结合运行数据与仿真结果，分析了热泵供暖系统运行特性，可知保温性能差及不合理的运行方式是造成运行费用过高的主要原因。
针对目前存在的问题，结合负荷特性与空气源热泵制热性能特点，对清洁供暖系统进行优化。
结果表明，保温设计及合理的回水温度设置能够有效降低农宅整体热负荷，空气源热泵耦合储能系统能够有效利用空气源热泵高能效比制热时段，从而有效降低清洁供暖能耗，制热费用节约1872元/a。
关键词：空气源热泵运行性能清洁供暖优化设计中图分类号：P634.33文献标识码：A文章编号：1674-098X（2022）05（b）-0117-03近年来，在我国北方农村地区，空气源热泵逐渐取代电锅炉、电暖器成为农村清洁供暖的主要方式，空气源热泵系统有效降低供暖成本的同时，对推广清洁供暖、解决散烧煤导致的能源浪费和雾霾等具有重要作用。
但空气源热泵在农村清洁供暖中仍面临低温下热泵性能衰减或恶化、整体经济性差、农民负担加重等问题，需要从系统优化设计和供热方式创新等方面入手加以解决。
本文以某农宅空气源热泵系统为研究对象，针对实际运行中出现的问题，运用基于实测数据的数值方法，分析了热泵运行特性，首次将基于空气源热泵运行特性的储能设计应用到农村清洁供暖系统优化配置中，提出优化方案并进行系统仿真，为空气源热泵在我国北方农村地区的应用提供参考。
1实例概述农宅供暖面积108m2，单层联排建筑，供暖季时间为2020年11月16日0时至2021年3月15日24时，采用空气源热泵—地板辐射采暖系统，如图1所示。
农宅冬季供暖系统包括空气源热泵机组、水箱、循环水泵、分水器、地板辐射取暖单元及温控单位。
[安装·使用·改进]DOI:10.3969/j.issn.1005-2895.2010.01.025
收稿日期:2009-08-18;修回日期:2009-08-28基金项目:广东省自然科学基金(04021190)作者简介:童蕾(1966),女,江西高安人,华中科技大学工程热物理硕士,广东机电职业技术学院制冷机械教授级高级工程师,主要研究方向为空调制冷节能环保技术。E-mail:gzccm@fimmu.com
热泵型房间空调器辅助电加热保护系统改进设计
童 蕾1,皇甫美珠2
(1.广东机电职业技术学院机电系,广东广州 510515; 2.广州华凌空调设备有限公司,广东广州 511430)
摘 要:热泵空调中引入辅助电加热器,必须对电加热器非正常条件下的工作状态进行限制,以确保空调器的运行安全。应用流场分析方法,按照辅助电加热器的保护原理,依据热泵空调结构特点,参照实际试验数据,给出相应的设计方法和改进措施。小批量试产证明,该设计试验方法是合理有效的,空调产品安全性能方面达到预期目标。图2参11关 键 词:化工机械;辅助电加热;保护;热泵;房间空调器中图分类号:TB657.2 文献标志码:A 文章编号:1005-2895(2010)01-0091-03
ImprovementDesignforAssistantElectricHeaterProtectiveSystemonHeat-pumpRoomAir-conditionerTONGLei1,HUANGFUMei-zhu2(1.DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,GuangdongVocationalCollegeofMechanical＆ElectricalTechnology,Guangzhou510515,China;2.GuangzhouHualingAir-conditioningEquipmentCo.Ltd,Guangzhou511430,China)
Abstract:Leadingassistantelectricheaterintoheat-pumproomair-conditioner,electricheaterworkingstationunderabnormalconditionmustbelimitedtoensurethatair-conditionerisworkinginsafecondition.Applyinganalysismethodofflowfield,accordingtotheprotectiveprincipleofassistantelectricheater,thestructurecharacterofheat-pumpair-conditioner,referringtoexperimentdata,thecorrespondentdesignandimprovementmeasuresaregiven.Theresultofbatchprocessshowsthatthedesignofexperimentmethodisreasonableandeffective.[Ch,2fig.11ref.]Keywords:chemicalmachinery;addedelectricheater;protectivesystem;heat-pump;roomair-conditioner
0 引言冬季当室外温度降低时,热泵型房间空调器的效率会下降,热泵循环产生热量衰减,出现供暖不足的现象[1-4]。在热泵型房间空调器的基础上增设电加热器,可有效地解决制热量小的难题,从而扩展其工作环境温度,环境温度适用范围一般为-5～43℃。由于空调室内机结构紧凑,电热器的安装空间十分有限。只有通过结构分析及实际的试验确认,对电热器及保护器安装结构的合理布区和设计,才能满足其安全可靠的运行要求[5-8]。1 辅助电加热器的保护原理热泵空调中引入辅助电加热,除了要选用安全合格的电工材料,在供电电路上安装限流安全保护外,还必须对电加热器非正常条件下的工作状态进行限制,以确保空调器的运行安全。正常情况下辅助电加热器的运行由电脑控制板进行控制,当电脑控制板控制异常时,由温度开关动作,给空调器提供保护,当温度开关保护亦失效时,则由温度熔断器动作,提供最后一道不可自动恢复的保护,以保证空调器整机的安全性[9]。
一般空调的辅助电加热功能都是自动的,当室温
第28卷第1期2010年2月 轻工机械LightIndustryMachinery Vol.28No.1Feb.2010 较低时会自动通电加热,当室内电热器管温热敏电阻检测的温度≥52℃时,辅助电加热器停止工作,当室内电热器管温热敏电阻检测的温度≤48℃时,辅助电加热器恢复工作。在此情况下,温度开关和熔断器均不应出现保护动作[10-11]。2 设计与试验2.1 初步设计基于以上的保护原理以及流体力学原理,结合实际安装空间,具体考虑以下2点:①加上辅助电加热结构后,力争使其对原有风量影响最小,尽量使辅助电热器支架主体与风流向一致;②温度开关与热熔体位置尽量一致。设计了如图1所示的安装结构,从图中可看出,电热器支架主体方向基本符合流体力学原理,对风流的阻力尽量减小,温度开关与温度熔断器离电热器距离基本相等,方向均位于电热管下侧方。图1 初步设计安装结构示意Figure1 Installationsignaloftentativedesign2.2 初步试验在设计完成图1安装结构后,进行了以下的试验分析验证:①整机试验 启动空调器切断室内回风进行制热运行(将室内回风格栅全部堵住,只有少量循环风)。拔掉电加热插头(不开电加热),至压缩机过载保护时温度开关和熔断器的温度均为81℃左右;②辅助电加热 由电路板和温度开关控制通断,运行一段时间后管温大于52℃,过压力保护,此时电热管关闭,温度开关温度为54℃左右,压缩机继续运行,温度开关在65℃时断开,此时熔断器温度为81℃,运行至压缩机过载保护时电热管均不开,温度分别为79℃,82℃,在压缩机过载保护过程中,管温下降至小于48℃,电热管开,至压缩机过载保护解除时温度分别为40℃,98℃,压缩机运行后,当管温大于52℃时,过压力保护,同时电热管断开,此时的温度为55℃,105℃(当室温大于18℃时);③回风 将室内回风堵住一部分(2/3)时,(过程同上)至压缩机过载保护解除时温度分别为40℃,82℃,压缩机运行后,当管温大于52℃时,过压力保护,同时电热器断开,此时的温度为53℃,95℃(当室温大于18℃时);④电加热单独运行 电热器单独通电,不开室外机,室内风扇不开时,约7min温度开关断开,然后一段时间后温度开关恢复,电加热接通,循环此过程,将温度开关短接时,熔断器温度至109℃时断开(约需30min);当室内机有少量循环风时,温度开关、熔断器温度分别为40℃,98℃;⑤安全试验 电热器管单独供电、室内管温热敏电阻从蒸发器上取出,切断室内回风(少量循环风),制热运行时,温度开关和热熔体,温度分别为64℃,110℃,此时温度开关和热熔体均动作(有先后),切断电热管,温度开关和熔断器的温度继续上升至72℃,121℃。然后熔断器的温度下降,温度开关的温度继续上升到80℃左右至压缩机过载保护。此过程中无火灾和毒性气体。从试验⑤的结果可以看出,这种结构布区存在熔断器先于温度开关动作,有使温度开关保护失效的缺陷,需进一步改进设计。2.3 分析改进从结构分析产生这种问题的原因:如图1,温度开关和温度熔断器均安装在电热管的下侧方,且与辅助电热器管的距离基本相等,理论上,两者表面温度应比较接近,但当有少量回风时,其表面温度的差距明显加大,主要原因是少量回风将电热管的热量刚好吹向温度熔断器,而温度开关正好避开了电热管的热风,造成熔断器表面温度远高于温度开关表面温度,以至于温度熔断器先于温度开关动作。为解决上述问题,设计了以下几种方案:1)调整温度开关和温度熔断器的保护动作参数。①调低温度开关的动作温度;②调高温度熔断器的动作温度。2)调整温度熔断器与辅助电加热器管的安装距离。3)针对少量回风将电热管的热量刚好吹向温度熔断器的情况,决定调整温度熔断器的位置,由于温度熔断器与温度开关本身结构决定了他们不可能位于电热管绝对同一方向,我们大胆把温度熔断器装在现在
·92· 轻工机械 LightIndustryMachinery2010年第1期的相反位置,使其避开了向它吹来的热风,而其他结构位置均不变。如图2所示。图2 改进设计安装结构示意Figure2 Installationsignalofimprovementdesign2.4 验证实验对每一种方案进行了2.2所述的同样试验。试验表明:第1种方案如果调低温度开关的动作温度,那么在空调正常运行时,温度开关亦会动作,达不到可靠运行的要求;如果调高温度熔断器的动作温度,当温度开关发生故障时,在无回风的情况下,熔断器动作速度较慢,导致箱体太热而引起变形,不符合安全要求;第2种方案在无回风状态下,只开电热管时,温度熔断器处于电热管下方,温度上升速度慢,温度开关短接时温度熔断器很难达到110℃动作温度,而此时箱体面板严重变形,不符合安全性要求;第3种方案试验结果如下:①单独开电加热时,温度开关为65℃动作时,熔断器温度为86℃,短接温度开关时熔断器在108℃动作(共需时间15min),温度开关温度为84℃;试验过程无异常。②开电热器,少量回风时:温度开关和熔断器的温度分别为40℃,52℃。③整机运行(先稳定运行一段时间然后堵住回风),过压力保护(管温大于52℃时)温度开关和熔断器温度分别为53℃,60℃,电加热切断,压缩机继续运行温度开关为65℃时动作,熔断器温度为69℃,压缩机过载保护时温度分别为80℃,81℃,压缩机停机后,进入上述第②项试验运行,压缩机过载保护结束后,过压力保护时温度开关和熔断器的温度分别为55℃,64℃。④取出电热器管温热敏电阻,电热器管单独供电:温度开关为65℃时,熔断器温度为74℃,压缩机过载时,温度开关和熔断器的温度分别为81℃,85℃,然后进入上述第②项试验运行,压缩机过载保护结束后开机至下一个过载保护周期时,温度开关和熔断器的温度分别为60℃,68℃。3 结束语通过以上分析与实际的试验确认,方案3完全能满足设计的要求,各项安全性能试验均合格,且通过小批量的试产证明。该热泵型房间空调器辅助电加热保护系统改进设计方法和措施是合理有效的,有一定的工程应用价值。参考文献(Reference):[1] 赵先美.赵士滨.张进.家用电器绿色设计技术的研究与探讨[J].轻工机械,2006,24(2):159-162.[2] 陈权,石文星,王宝龙,等.热泵型房间空调器在中国的热冷比研究[J].制冷学报,2006,27(5):1-6.[3] 刘忠民.热泵空调器低温制热的探讨[J].制冷与空调,2001,1(1):45-48.[4] 童蕾,杨运喜,陈超敏.铜铝空调连接管的应用[J].轻工机械,2008,26(3):103-105.[5] 陈颖,丁小江,雷江杭.热泵空调器辅助电加热的控制分析[J].制冷,2000,19(4):53-57.[6] 黎恢山,李国锋.风冷热泵冷(热)水空调系统中的电辅装置设计技术[J].制冷学报,2006,27(1):42-44.[7] 陈文俊.闫志恒.卢志敏.空气源热泵系统低温制热量改善途径实验分析[J].制冷学报,2009,30(2):49-54.[8] 颜诗敏,姜周曙,黄国辉.基于S3F9488单片机的热泵热水器控制器[J].机电工程,2009,26(2):34-37.[9] 郑兆志.制冷装置电气控制系统原理与检修[M].北京:人民邮电出版社,2007:29-31.[10] 吴业正.小型制冷装置设计指导[M].北京:机械工业出版社,2004:273-338.[11] 罗世伟.小型制冷、空调设备原理与维修[M].北京:电子工业出版社,2003:120-133.
