风冷热泵机组：原理、结构、设计、应用

热泵是一种将低温热源的热量 " 泵 " 至高温物体的装置 , 其工作原理遵循热力学第二定律 , 通过消耗一定功 , 实现热量从低温向高温的逆向传递 [1] 。热泵主要包括压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置四大部件 , 利用制冷剂在系统内的相变和压力变化 , 完成制冷剂与冷热源之间的热交换过程。  

风冷热泵是一种以空气为冷热源的热泵系统。在夏季制冷时 , 室外机作为冷凝器 , 将压缩机排出的高温高压制冷剂冷凝放热 ; 室内机作为蒸发器 , 使低温低压制冷剂蒸发吸热 , 达到降温除湿的目的。在冬季供暖时 , 系统的运行模式与制冷恰好相反 , 室外机作为蒸发器吸收空气中的热量 , 室内机作为冷凝器向室内放热取暖 [2] 。  

风冷热泵只需切换四通换向阀 , 即可实现制冷和供暖工况的转换 , 无需配备其他冷热源 , 安装使用更加方便。同时 , 由于采用电驱动 , 只需少量电能 , 就可从空气中获取数倍于输入功的热量 , 能效比高 , 运行成本低。

1、系统组成     
风冷热泵机组主要由室外机和室内机两部分组成。室外机包括压缩机、四通换向阀、室外换热器、节流装置、储液器等 ; 室内机一般为风机盘管 , 由盘管和风机构成。室内外机之间通过冷媒管互联 , 并配有截止阀、过滤器等附件 [3] 。  

其中 , 压缩机是系统的动力源 , 多采用涡旋式或转子式 ; 换热器由铜管和翅片构成 , 翅片多采用波纹状或鱼鳞状 , 以提高传热系数 ; 节流装置多选用毛细管或电子膨胀阀 , 起到降压和调节的作用 ; 储液器用于气液分离和冷媒储存 , 确保压缩机进口过热。

2、室外机设计      
室外机设计的关键是如何提高低温工况下的制热量和除霜效率。这需要在换热器、风机等方面进行优化。  

室外换热器应采取并联的多路设计 , 减小冷媒侧压降 , 提高蒸发温度 ; 换热器的管径应适当加大 , 增加通流面积 ; 翅片表面可采用疏水涂层 , 延缓霜层生成 [4] 。在寒冷地区 , 还可在底部设置加热装置 , 防止结冰。  

室外机风机多采用大直径、低转速的轴流风机 , 以降低噪音和功耗。在结霜工况下 , 可采用变频控制或调速挡位 , 实现低风量运行 , 减少冷量损失。除霜方式可选用四通阀换向法、电加热法或热气旁通法等。

3、室内机设计       
室内机的换热器要兼顾制冷和制热性能 , 应采用前后排数较多的设计 , 增大传热面积。在供暖时 , 盘管表面温度应控制在 40~45℃, 以免引起不适 ; 在除湿时 , 表面温度应低于室内露点温度 , 一般不低于 7℃[5] 。  

室内机风机应平衡风量和静压的关系 , 风量过低会导致温度分层 , 过高则会产生噪音。送风方式应根据房间布局灵活选择 , 如侧出风型适合凹凸有致的墙面 , 远距离型适合开阔房间等。在供暖时 , 可采用大角度摆风 , 避免局部热风直吹。

1、性能评价指标      
衡量风冷热泵机组性能的主要指标有能效比 (COP) 、制冷量、制热量等。能效比是输出的冷 ( 热 ) 量与消耗功率之比 , 反映了系统的能源利用效率。在特定工况下 , 风冷热泵的制冷 COP 一般在 2.5 - 3.5[6] 。  

影响热泵性能的因素较多 , 如室外环境温度、室内温度、压缩机频率、膨胀阀开度、制冷剂充注量等。在设计和运行时 , 需综合考虑各因素 , 优化系统参数 , 使其在实际工况下达到最佳性能。

2、制冷运行特性     
风冷热泵在制冷模式下 , 室外温度是影响性能的决定性因素。室外温度升高 , 冷凝温度随之升高 , 压缩机耗功增加 , 而蒸发温度变化不大 , 供冷量减少 , 导致 COP 下降 [7] 。因此 , 在夏季高温时 , 风冷热泵的能效比通常较低。  

针对这一问题 , 可采取提高蒸发温度、降低冷凝温度的优化措施。如在蒸发器前设置预冷段 , 利用冷凝器出口的回液过冷 ; 在冷凝器后设置分液器 , 防止液体进入压缩机 ; 合理控制室内风温和风量 , 减小显热比等。

3、供暖运行特性      
风冷热泵在供暖模式下 , 面临的主要问题是低温结霜。当室外温度低于露点温度时 , 室外换热器表面易凝结水汽 , 并逐渐冻结成霜 , 阻碍空气流通和传热 [8] 。随着结霜的加剧 , 供热量不断下降 , 压缩机排气温度升高 , 系统运转恶化 , 最终导致停机。  

为了克服低温结霜 , 需采取定期除霜。除霜过程中 , 热泵暂停供暖 , 耗费部分热量融化霜层 , 除霜时间和周期需根据结霜速率优化 , 过于频繁会降低舒适性 , 过于 prolonged 则会增加能耗。  

此外 , 在寒冷地区 , 还应做好室外机的防冻保护 , 如设置底盘加热装置 , 并在冬季定期巡检 , 避免长期低温运行导致压缩机油粘度增大 , 阀板损坏等故障。

1、压缩机故障      
压缩机是热泵系统的核心部件 , 其常见故障有绝缘损坏、卡涩、烧毁等。引起故障的原因较多 , 如电压不稳、制冷剂液击、润滑不良、过热保护失效等 [9] 。  

压缩机故障的处理需先停机 , 然后全面检查电气、管路 , 确定故障原因。对于绝缘损坏 , 需测定电机三相绕组的绝缘电阻 , 小于 1MΩ 时需烘干或更换定子 ; 对于卡涩 , 需检查曲轴和轴承 , 必要时更换 ; 对于烧毁 , 需查明原因 , 维修或更换。

日常维护中 , 应定期检查压缩机的油位、油色 , 必要时补充冷冻机油 ; 定期测试绝缘电阻 , 发现异常及时处理 ; 加强液击防护 , 避免长时间低负荷运转。

2、换热器故障       
换热器常见的故障有管路堵塞、腐蚀穿孔和霜层过厚等。管路堵塞多由杂质、积碳引起 , 会导致换热器局部传热恶化 , 排气温度升高 ; 腐蚀穿孔多发生在冷凝器侧 , 引起制冷剂泄漏 ; 霜层过厚则会严重阻碍热交换 , 供暖效果下降 [10] 。  

换热器故障的诊断需要观察表面状况 , 测量进出口温度 , 检查管内阻力。对于管路堵塞 , 需及时清洗或更换 ; 对于腐蚀穿孔 , 需找出泄漏点 , 用堵漏剂或焊接处理 ; 对于霜层过厚 , 需调整除霜策略 , 必要时可加装辅助电加热装置。  

换热器的日常保养包括定期清洁表面、检查管路是否变形 , 检查传感器是否牢固等。每年应做一次气密性检测 , 发现泄漏及时修复。  

3、节流装置故障     
热泵常用的节流装置有毛细管和电子膨胀阀。毛细管易发生堵塞 , 使回液过热度过低 , 蒸发压力降低 , 甚至出现液击 ; 电子膨胀阀易出现开度失控 , 使蒸发温度波动 , 匹配性变差。  

节流装置故障的判断需要观察系统运行参数 , 测量蒸发压力和过热度。对于毛细管堵塞 , 需用氮气反吹或更换 ; 对于膨胀阀失灵 , 需检查线圈、驱动板 , 重新校正阀位 [11] 。  

节流装置的维护要点是定期清洁过滤器 , 检查毛细管弯曲情况 , 调整膨胀阀的过热度设定值等。

风冷热泵技术的优化主要集中在提高制热量、改善除霜性能和适应寒冷气候等方面。 目前的主要技术途径有 :  

(1) 喷气增焓技术。利用喷气机替代节流装置 , 使部分高压冷媒绕过冷凝器直接进入蒸发器 , 提高蒸发压力和制热量 [12] 。  

(2) 双级压缩技术。采用两台串联的压缩机 , 使压缩过程分为两段 , 减小单级压比 , 从而降低排气温度 , 提高压缩效率和可靠性 [13] 。  

(3) 变工质流技术。在蒸发器内设置多个并联支路 , 根据环境温度调节各支路的制冷剂流量比 , 优化系统的热力循环 , 提高在低温下的制热能力 [14] 。  

(4) 除霜优化控制。根据环境温湿度、风速等参数 , 建立结霜预测模型 , 优化除霜启动时间和持续时间 ; 同时采用多种除霜方式联合 , 如热气旁通 + 电加热 , 减少除霜能耗。  

展望未来 , 随着节能减排压力加大 , 可再生能源利用政策加强 , 风冷热泵在北方地区的推广将进一步提速。针对不同气候特点 , 亟需开发适应性更强的风冷热泵产品 , 兼顾节能与舒适。在设计中 , 应充分考虑建筑物的围护结构性能、室内热湿环境要求等 , 优化系统部件参数和控制策略 , 实现智能化、个性化运行。同时 , 积极推动风冷热泵与太阳能、地热能等新能源的耦合利用 , 发挥互补优势 , 提高可再生能源占比。随着技术的不断进步 , 风冷热泵必将在建筑节能领域发挥越来越重要的作用。