知识点：空调热泵

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1.2.1 常规制冷循环和复杂制冷循环

　　空调热泵装置实际上是制冷系统，其本质是制冷循环。总结各类空调热泵装置制冷循环的特点，可以将各种实用装置的制冷循环分为两种类型，即常规制冷循环和复杂制冷循环。

　　在制冷系统中，当压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器的数量均为1且这些部件的边界条件之间无直接耦合时，称为常规制冷循环。采用常规制冷循环的制冷系统则为常规制冷系统，如房间空调器、单元式空调机等。

　　在制冷系统中，当压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器中任一部件的数量大于1（或一些部件之间的边界条件相互耦合）时，则称该系统为复杂管网制冷循环，简称复杂制冷循环。采用复杂制冷循环的系统可称为复杂制冷系统，因其在形式、性能和功能上大大丰富了传统的常规装置，故也进一步扩大了空调热泵系统的应用范围。如多联机系统、除湿机、双级压缩空气源热泵机组、具有冷凝热回收装置的冷水机组等。

　　无论是常规还是复杂制冷系统，它们都是由制冷剂管路将压缩机、热源侧和使用侧换热设备、节流装置和其他辅助设备按一定规则连接而成的闭环管网系统。系统中的管路主要包括以下几种类型：

　　1）换热管段：是制冷剂之间、制冷剂与冷却介质或被冷却介质之间进行热量交换的管段，包括直管外肋片管以及套管式、板式等间壁式换热器。

　　2）连接管段：连接各部件之间的管外无扩展表面（肋片）的管段。当其外覆保温层时，可视为复合直管光管；根据其设置方式和制冷剂流向不同，可分为上升立管、下降立管和水平管三种形式。

　　3）各种管件：包括弯头、分歧管、阀门（四通阀、电磁阀、单向阀）等管路连接部件。

　　制冷循环管网系统的核心是压缩机，依靠压缩机吸、排气压力差作为动力，将制冷剂输配到各换热管段，实现其制冷或制热功能。

1.2.2 空调热泵装置的特点

1.2.2.1 装置的结构特点

　　无论是由常规制冷循环还是由复杂制冷循环构成的空调热泵装置，都是由制冷系统和控制系统两部分组成。其中，制冷系统是实现制冷、制热功能的主体，常采用整体或分体式结构。

1）制冷系统的结构特点

　　空调热泵装置的制冷系统具有如下结构特点：

　　①具有压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器4个基本部件，这些基本部件由管道连接形成闭环回路，通过制冷剂实现能量的传输与分配。

　　②在压缩机吸气管、排气管、热源侧换热器和使用侧换热器之间设置有四通阀，通过转换制冷剂的流向，使使用侧换热器承担蒸发器或冷凝器功能，从而实现制冷或热泵运行。

　　③为保证系统稳定、可靠、安全运行，根据系统容量大小、复杂程度不同、需设置必要的气液分离器、高压贮液器、过滤器等功能性辅助部件。

2）控制系统的结构特点

　　控制系统是空调热泵装置的神经系统，其功能是调节被控对象达到功能要求，并保证制冷系统安全、稳定、节能运行。控制系统包含四大基本元素：

　　①被控对象：如房间温度、冷（热）水温度、过热度、压缩机排气温度、冷凝温度、蒸发温度等。

　　②传感器：如设置在制冷剂回路上的温度传感器、压力传感器、高低压保护开关、水流开关，以及电路上的电流传感器等。

　　③执行器：制冷剂回路上的电动设备，如压缩机、风扇电动机、电子膨胀阀、四通阀、电磁阀、水泵等。

　　④控制器：控制器是控制策略及其载体的总称。可以认为，控制策略就是控制软件，控制软件的载体是硬件电路。

　　在空调热泵行业，人们习惯地将控制系统的硬件电路、执行器、传感器以及配套的强电部分统称为硬件，将控制规则、控制算法统称为软件，而将控制系统简称为控制器。

1.2.2.2 制冷循环特点

　　制冷循环管网系统是一种气液两相流体网络，与单相不可压缩流体网络系统相比，具有如下特点：

　　1）具有相变。制冷剂在沿程管路内存在压力损失，且与外界环境具有换热，会发生相变（凝结与蒸发）；管网工况稳定运行时，流入与留出节点的质量流量相等，而体积流量不相等。

　　2）网络系统无定压点。网络中各点的压力取决于压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀的匹配和调节关系，取决于各换热器的环境温度和制冷剂的流动状态，也取决于制冷剂的充注量的多少，故管网系统需通过制冷剂充注量或补充相应的方程才能封闭求解。

　　3）各管段的阻力特性系统并非常数。微元管段内的摩擦系数取决于制冷剂的状态和流速，各支路管段的阻力特性系数并非仅是管段结构的函数，故不能作为常数来处理。

　　4）制冷剂的动力特性和传热特性存在耦合关系。管内各点的制冷剂温度不仅取决于与外界环境的换热状况，同时也与该点的压力有着密切关系。

1.2.2.3 热源的特点

　　对于冷热同源的空调热泵装置，其热泵运行时的热源就是制冷机的热汇，为简便起见，我们把热泵的取热环境或作为制冷机运行时的放热环境统称为“外界热源”，并简称“热源”。这里所说的热源就是指热泵和制冷机的外部热源。

　　空调热泵装置常用的热源有各种水体（地下水、江河湖地表水、建筑中水）、土壤和室外空气。各种热源都有其自身的特点，从而影响热泵装置性能及其适用性。

1）各种水体

　　可供空调热泵装置作为低品位热源的水体有地表水（江、河、湖、海水）和地下水。环境空气参数对地表水有一定的影响，也随地域、季节和昼夜而变化，但变化幅度相对较小；地下水的温度一般比当地平均气温高1～2 ℃；建筑中水是比较好的热源，全年温度也较稳定。水的比热容大、传热性能好，所以换热设备紧凑，使用得当或热源条件好时，水温一般也较稳定，空调热泵装置运行性能优良且无结霜问题。但各种水体的水质都有其特殊性，如海水具有强腐蚀性，地表水和城市中水中含有各种微生物和杂质，地下水泥沙含量高、硬度大等，这些因素都需要在装置开发时予以考虑。

   

2）土壤

　　浅层土壤温度随季节变化呈现波动性且较大的延时，随着深度的增加，土壤温度的波动性减小，当深度大于10 m时，土壤温度几乎恒定（近似等于当地年平均气温），且几乎不受太阳辐射的影响。土壤的传热性能取决于其导热系数、密度、比热容、潮湿度等，当土壤的传热性能欠佳时，则需要较大的传热面积，导致占用土地面积大。

    

3）室外空气

　　空气随时随地都利用方便，对换热设备无害，故称为目前的空调热泵装置的主要热源形式。空气在不同温度下都能提供热量，但由于空气的热容量小，为获得足够的热量并满足空调热泵装置的温差限制，室外侧换热器的体积大、耗材多、风量大，导致噪声也较大。由于室外空气参数随地域、季节和昼夜均有很大的变化，使得冷热同源的制冷系统的冷凝温度和蒸发温度变化范围很大，当夏季室外气温较高（或冬季室外气温较低）时，室内的冷（热）负荷增加，但空气源热泵装置的制冷（热）量反而下降，特别是在空气温度较低且湿度较大时室外换热设备还会结霜，导致热泵性能严重衰减。

　　热源的特点决定了对应空调热泵装置设计中的特殊问题，故在产品开发前必须对各种热源特点有所了解，以开发出性能优良的对应产品。

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