空调热泵装置的设计思想，归结起来就是在产品研发过程中应遵循如下4个基本原则。

1）节能减排原则

2）系统思维原则

3）优化设计原则

4）用户至上原则

空调热泵机组的设计工况是影响其性能发挥的首要因素。设计工况的确定需要综合考虑建筑物所在地气候条件、建筑物热负荷特点以及末端形式等因素[3]。

(一)气候影响因素
建筑所在地的室外计算干球温度和湿球温度,直接决定热泵机组的蒸发温度和冷凝温度范围,进而影响机组的制冷供热能力和效率。应根据当地逐时或逐日的典型气象参数,绘制建筑逐时冷热负荷分布曲线,确定热泵机组的设计工况点,并分析机组在设计点外的全工况运行特性[4]。

(二)末端装置匹配
热泵机组与末端装置的匹配程度直接关系到供冷供热效果和系统效率。常见的空调末端装置如风机盘管、地板辐射、新风系统等均有其适用的供水温度范围,将决定热泵机组的工作压力和循环水流量[5]。应根据建筑的功能需求和园区规划,合理选择末端形式,优化热泵机组与末端的匹配设计。如采用地板辐射时供水温度不宜超过45℃,风机盘管供水温度可高达55℃,两种末端并联使用时可考虑双凝点设计。

(三)负荷率影响
建筑物全年逐时冷热负荷存在较大差异,大部分时间热泵机组是在部分负荷下运行。机组设计工况点的负荷率选取将直接影响其全年能效表现[6]。负荷率过高,机组多数时间处于低效率工况;负荷率过低,备用机组频繁启停,也会恶化能效。通过建筑负荷模拟和机组性能模拟,确定机组设计负荷率的经济优化区间,可在保障设计天舒适度的同时,兼顾全年能源效率和运行经济性。

由于实际运行工况的复杂多变,仅依靠单一设计工况下的性能优化难以保障热泵机组的高效稳定运行,需要针对机组各部件开展全工况性能提升[7]。

(一)变频压缩机
采用变频调速压缩机是提高热泵机组部分负荷性能的有效手段。变频压缩机可实现转速的无级调节,随负荷变化优化中间压力,减少节流损失。在部分负荷时通过降频运行,可有效避免频繁启停,显著提高机组能效[8]。但变频调速范围并非越宽越好,压缩机频率过低时会引发喘振和润滑不良,应优选50%~100%变频范围内效率高、调速精度佳的压缩机产品。

(二)电子膨胀阀
电子膨胀阀(EEV)可根据系统负荷实现精确可控的节流调节,配合变频压缩机可实现最佳中间压力的动态匹配,在保证系统稳定性的同时提高部分负荷效率[9]。EEV的动态响应特性和调节精度对系统控制性能影响显著,宜优选调节精度高、可多点控制的EEV。结合压缩机吸排气压力、过热度等参数实现协同控制,可进一步减少节流损失。

(三)换热器
换热器传热系数直接影响热泵机组的蒸发和冷凝温度,进而影响压缩功耗。提高换热器传热性能可有效降低机组能耗[10]。常用的措施包括管束优化、翅片强化、多通道设计等,在减小换热面积的同时强化传热,并兼顾水力阻力和成本。对于空气源热泵,在低温工况下蒸发器易发生霜冻,需采取除霜措施,并优化除霜时序和融霜水排放,减少除霜对制热效率的不利影响。

(四)四通换向阀
四通换向阀是热泵机组实现制冷制热模式切换的关键部件。传统机械式四通阀存在切换冲击大、内漏率高等问题,恶化了机组的部分负荷性能。电子四通阀利用电动机构实现平稳切换,并通过多通设计实现无级调节[11],可显著提高机组在模式切换时的平稳性和效率,配合压缩机和EEV的变频调节,进一步提升机组的动态响应水平。

输配系统是连接热泵机组和末端的纽带,其设计和调控性能对整个空调系统的效率影响显著。输配系统主要包括冷热水输送管网、水泵、膨胀水箱等。

(一)冷热水输送管网
输送管网的设计需兼顾管材、保温、支吊架、阀门等因素,从水力、热工、强度、经济等角度进行系统优化[12]。如采用聚氨酯预制直埋保温管可显著降低管道散热损失,提高输配效率。大型园区和高层建筑宜采用一二次分流系统,降低管网阻力和散热面积。二次侧温度较高时还可利用热泵机组提高一次侧供回水温差,减小管径和流量。

(二)水泵调速
输配系统的耗电大头是冷热水泵,采用变频调速水泵可显著降低输配能耗[13]。定速水泵在部分负荷时只能靠阀门节流调节,存在节流损失大、效率低等问题。变频泵可随负荷和管网特性优化转速和扬程,在满足末端供水量的同时降低功耗。二次泵宜采用压差恒定控制,一次泵宜采用流量-温度双参数联动控制,避免小流量大温差工况。

(三)膨胀水箱
膨胀水箱的设置影响系统水力稳定性和安全性。合理配置进出口阀门和导流装置,可有效消除气蚀和水锤,延长泵和管道寿命[14]。对于温度波动频繁的系统还应考虑定压补水装置,平衡管网压力。在保证安全供水的同时应优化水箱容积,减少占地和散热损失。分散式布置和一体化设计可进一步提高输配系统的灵活性和经济性。

(四)智能优化调控
空调热泵系统的高效节能运行还有赖于完善的监测和控制体系。在机组、输配、末端等环节设置传感器和控制器,采集温度、压力、流量等参数,可实时评估系统性能和能效状态[15]。在此基础上,应用优化控制算法,协同调节机组负荷、水泵转速、管路阀门等,在满足舒适度的前提下,最小化系统能耗。大数据和人工智能方法为实现空调系统的智能优化控制提供了新思路[16],通过机器学习构建全工况下的优化调控策略,并借助云计算平台实现远程监控和分析,可为空调系统的智慧化运维赋能。 

热源和热源侧换热设备的性能表现直接影响热泵机组的效率。常见的热源形式有空气、地表水、地下水、土壤等,不同热源的温度稳定性、可利用程度、环保性差异显著[17],需要进行适用性分析。

(一)空气源热泵
空气源热泵利用环境空气作为低品位热源,具有热源广布、无需打井取水的优势,已成为最常用的形式。但空气源热泵易受环境温度影响,夏季冷凝温度高,冬季蒸发温度低,且低温下风机和蒸发器易结霜,需采取除霜措施[18]。提高空气源热泵效率的关键是强化换热器的传热性能,如采用内螺纹管、超疏水表面、小孔翅片等强化传热措施,优化翅片排布提高气流分布均匀性,同时降低风阻和结霜风险。

(二)水源热泵
利用江河湖海等地表水或地下水作为热源的水源热泵,具有水温稳定、效率较高的优势。开放式系统直接抽取天然水体作为热泵冷凝器的冷却介质,运行费用低,但存在水质污染和结垢风险[19]。闭式系统通过埋管换热器将地表水与热泵分隔,水质要求低,但初投资成本较高。需根据场地水文地质特点、建筑物热负荷、环保要求等,合理选择开放式或闭式系统。并通过强化换热、增大换热面积、优化流速等提高水源换热器传热系数,减小水泵耗电。

(三)地源热泵
地源热泵利用土壤或地下水作为热源和散热汇,具有热源温度恒定、效率高、运行费用低等优点,但受限于较高的钻井和埋管成本,推广难度大[20]。提高地源热泵经济性的关键是优化换热井参数,如采用高导热材料的U型管,优化打井深度、间距,既要满足长期运行地温场的热平衡,又要减少初投资。对于土壤导热率低、地下水补给差的场地,可采用复合地源方式,如结合空气源、太阳能等,减少打井数量和换热井长度。

(四)余热回收
工业余热是一种品位较高的免费热源,合理利用可显著提升热泵系统效率。但工业余热在温度、流量、品质等参数上波动较大,直接影响热泵机组运行稳定性[21]。针对性选用耐高温、耐腐蚀的换热器材质,采用预处理措施提高余热品质,建立余热参数与机组运行参数的动态响应机制,并优化储热装置调峰调频,可保障余热驱动的热泵系统安全高效运行。对于夏季制冷时的冷凝热,也应尽可能回收利用,通过机组热回收运行模式制备生活热水,可大幅提升系统综合效率。