摘要：針對目前國內(nèi)空氣源熱泵戶型中央空調(diào)存在COP值低、機組耗電量大，冬季融霜控制困難、室溫波動大，機組無真正的能量調(diào)節(jié)，單相電機組額定制冷(制熱)量太小，給用戶帶來不便，以及加劇了城市電網(wǎng)的供需矛盾等問題，提出了地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)的解決方案，并探討了雙熱力膨脹閥，雙蒸發(fā)器和盤管外融冰的機組結(jié)構(gòu)形式。還就我國城鄉(xiāng)人民生活水平提高、住宅面積擴大和多樣化、城市建筑景觀和環(huán)境的限制、電力部門將推行居民家庭“峰谷電價”等方面，分析了地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)廣闊的市場前景。

    關(guān)鍵詞：冰蓄冷裝置；地源熱泵；中央空調(diào)

    1戶型中央空調(diào)的發(fā)展

    戶型中央空調(diào)即住宅集中空調(diào)，自20世紀(jì)90年代進入中國市場以來，正得到很快的發(fā)展。就其原因，首先是我國一直把城鄉(xiāng)居民住房當(dāng)作頭等大事來抓。

    近年來人均住房面積有了很大提高，并且住房也有向大戶型、多居室的別墅、多層和小高層發(fā)展的趨勢；第二，人民生活水平提高，富裕起來的城鄉(xiāng)居民住房室內(nèi)裝飾都達(dá)“小康”水平，房間空調(diào)已滿足不了他們的要求，更多的人把消費投向了戶型中央空調(diào)；第三，生產(chǎn)工藝的成熟和激烈的市場競爭，使得戶型中央空調(diào)的造價逐漸為工薪階層接受；第四，城市建筑景觀和環(huán)境的限制，也使城市的一些小型商業(yè)用戶轉(zhuǎn)而使用小型集中空調(diào)。以上幾點可以看出，關(guān)注和議論戶型中央空調(diào)并非超前，戶型中央空調(diào)將是21世紀(jì)的新消費熱點。

    2戶型中央空調(diào)目前存在的問題及解決辦法

    2.1戶型中央空調(diào)目前存在的問題

    經(jīng)對目前戶型中央空調(diào)的調(diào)查和了解，我們發(fā)現(xiàn)存在著如下問題：

    1)國內(nèi)生產(chǎn)的戶型中央空調(diào)大多是以空氣為熱源的熱泵機組，雖然在使用和安裝上有其方便之處，但在夏季炎熱的地區(qū)，機組冷凝溫度較高，COP值較低，機組耗電量大；在冬季溫度較低，濕度較大的地區(qū)，機組又需融霜，造成室溫波動較大，機組耗電量同樣增大。

    2)以空氣為熱源的熱泵機組，受室外空氣的影響很大。隨室外空氣溫度的變化，熱泵機組的制冷(制熱)量與建筑物的需冷(需熱)量變化方向正好相反，很難匹配。

    3)目前國內(nèi)生產(chǎn)的戶型中央空調(diào)均無真正的能量調(diào)節(jié)。由于室外空氣溫度變化較大，在整個供冷或供熱季節(jié)中，熱泵機組大多數(shù)時間處于部分負(fù)荷下COP值低的狀況。因此，目前有一種“戶型中央空調(diào)買得起，用不起”的說法。據(jù)了解，在重慶市，建筑面積250m2左右的戶型中央空調(diào)，每月電費在1000元以上。

    4)制冷量6kW以上的戶型中央空調(diào)多要求使用三相電源，而有很多用戶卻不具備使用三相電源的條件，當(dāng)用戶需冷量較大時，往往采用2臺單相機組并聯(lián)，這不僅增加了投資，也給安裝帶來不便。

    5)家用空調(diào)，特別是用電量較大的戶型中央空調(diào)的發(fā)展，導(dǎo)致城市高峰負(fù)荷快速增長，加劇了城市電網(wǎng)的供需矛盾。例如經(jīng)濟發(fā)達(dá)的上海市，供電量為9600MW，居民空調(diào)用電約占30%。1998年8月的持續(xù)高溫，居民空調(diào)全部開啟，使上?？照{(diào)負(fù)荷猛增到3000MW左右，當(dāng)月13日上海最高用電負(fù)荷達(dá)9018MW，比1997年同期凈增1000MW，出現(xiàn)電力缺口約700MW，電力高峰、低谷負(fù)荷相差3700MW。

    2.2地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)

    針對空氣源熱泵戶型中央空調(diào)的問題，筆者提出地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)，其優(yōu)點在于：

    1)以土壤為熱源，由于全年土壤溫度波動小，隨著土壤深度的增加，土壤溫度變化相對穩(wěn)定。冬季土壤溫度比空氣溫度高，夏季又比空氣溫度低，所以熱泵的供熱供冷的COP值均高。據(jù)重慶大學(xué)劉憲英教授科研組的測定，與空氣源熱泵相比，地源熱泵COP值平均提高30%左右[4]，因而可以大大減少戶型中央空調(diào)的耗電量，也為用戶節(jié)省了運行費用。

    2)在室外氣溫處于極度狀態(tài)時，用戶對冷(熱)量的需求量處于高峰期，由于土壤溫度有延遲，這時它的溫度并不處于極端狀態(tài)，它可以提供較小的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度，提高機組的制冷(制熱)能力，盡可能滿足用戶要求。

    3)土壤源熱泵的埋地盤管不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的損失及復(fù)雜的除霜控制，從而降低了戶型中央空調(diào)機組的造價。

    4)土壤源熱泵不需要風(fēng)機，可以減少噪聲和熱風(fēng)污染，而且運行情況好于空氣源熱泵，有較高的可靠性。為用戶的使用帶來很大的方便。

    5)土壤源熱泵的主機，可安裝在貯藏室或車庫內(nèi)，完全不影響建筑外觀。

    6)也正是由于土壤溫度的延遲作用，因而可以提高戶型中央空調(diào)單機的制冷量。再加上夜間蓄冰，可減少白天機組制冷量，使機組壓縮機容量減小，降低機組造價，同時還可以適應(yīng)更多的單相電用戶的需要。

    7)夏季，即便是在夜間，土壤源熱泵的冷凝溫度也低于空氣源熱泵，因而可以減小制冷系統(tǒng)運行時的壓縮比，這為戶型中央空調(diào)利用低谷電蓄冰創(chuàng)造了極為有利的條件。

    3地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)應(yīng)用前景

    地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)需要埋地盤管，給其應(yīng)用帶來一定的限制，但筆者還是認(rèn)為它有較大的市場前景：

    1)小型別墅逐年增多，地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)是富裕起來的城鄉(xiāng)居民家庭空調(diào)的首選機型。這部分居民占我國人口的比例不大，但絕對數(shù)不小。

    2)城市綠化面積擴大，也為一些低層住戶和小型商業(yè)、辦公用戶提供了使用地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)的條件。

    3)工礦企業(yè)的辦公、計量、化驗、檢測等附屬用房也具有使用地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)的條件。

    4)據(jù)國外資料介紹，在定負(fù)荷運行情況下，蓄冷空調(diào)比非蓄冷空氣調(diào)年節(jié)能率為13%。因此，蓄冷空調(diào)將得到國家重視和推廣，并有可能獲得國家補助，以降低用戶的投資。

    5)為解決電力負(fù)荷不均的問題，我國將進一步拉大峰谷電價比，與國際通行峰谷電價比例靠攏，以鼓勵利用低谷電。與此同時，“峰谷電價”也即將進入家庭。

    上海市已率先對居民家庭實行“峰谷電價”，目前已在一些居民家庭中試行。為鼓勵城鄉(xiāng)居民合理用電，四川省電力公司出臺了一系列峰谷電價優(yōu)惠政策。安裝了一戶一表分時計度的居民用戶，在6至11月豐水期深夜低谷時段，每千瓦時電費只交0.1元。其余季節(jié)深夜低谷用電每千瓦時為0.1875元，而常規(guī)用電每千瓦時電費為0.3878元。隨著“峰谷電價”政策的全面實行，地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)將會有更為廣闊的市場前景。

    6)近年來，國外小型蓄冰空調(diào)器發(fā)展很快，日本BAC等5家公司聯(lián)合開發(fā)了幾種10馬力以下經(jīng)濟型的小型冰蓄冷空調(diào)器，為內(nèi)融冰型，變頻和定頻幾種機型，可以蓄冷5h。日本三菱公司已研制開發(fā)出功率為0.75kW的蓄冷空調(diào)機組。國外產(chǎn)品進入中國市場后，必然引起消費者的關(guān)注和選用，同時也將推動國內(nèi)戶型蓄冰中央空調(diào)的發(fā)展。

    4地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)機組結(jié)構(gòu)形式探討

    對于地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)，由于近年來國內(nèi)研究地源熱泵的成果較多，技術(shù)也趨于成熟，因此開發(fā)此類產(chǎn)品主要應(yīng)集中在小型蓄冰上。作者認(rèn)為地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)應(yīng)考慮如下問題：

    1)雙熱力膨脹閥

    熱力膨脹閥是最常用的節(jié)流元件，它是依靠蒸發(fā)器出口制冷劑的過熱度大小來調(diào)整閥的開度，達(dá)到自動調(diào)節(jié)機組的制冷量以滿足外界熱負(fù)荷變化的需要。

    熱力膨脹閥的容量與制冷劑的質(zhì)量流量、閥前后壓差等制冷工況有關(guān)。由于空調(diào)工況與蓄冰工況的制冷劑流量、閥前后壓差及運行特性等差別很大，2種工況采用同一膨脹閥顯然是不合理的。特別是由于熱力膨脹閥本身構(gòu)造所限，其適用的溫度及調(diào)節(jié)范圍均??；另外，充液式熱力膨脹閥在蓄冰工況下運行，其蒸發(fā)器出口過熱度常比空調(diào)工況下大的多。膨脹閥容量過小，會造成蒸發(fā)器傳熱面積得不到充分利用，制冷量下降；若膨脹閥容量過大，則又會影響其調(diào)節(jié)性能，加大蒸發(fā)器出口溫度的波動及過熱度，制冷系統(tǒng)效率下降，嚴(yán)重會出現(xiàn)液擊現(xiàn)象。

    由于制冷主機在空調(diào)工況或在蓄冰工況下運轉(zhuǎn)，一般均在額定負(fù)荷下工作，因此其運行條件都相對比較穩(wěn)定，更適合采用雙膨脹閥，即按空調(diào)工況和蓄冰工況分別選擇熱力膨脹閥，機組在空調(diào)工況下運行，使用空調(diào)用膨脹閥；在蓄冰工況下運行，使用蓄冰用膨脹閥。

    為適應(yīng)現(xiàn)代控制水平要求，采用電子膨脹閥更好，其制冷劑流量調(diào)節(jié)范圍大，允許系統(tǒng)負(fù)荷波動大。據(jù)介紹和工程實踐證明，在低負(fù)荷下，采用電子膨脹閥的冷水機組較用熱力膨脹閥的機組運轉(zhuǎn)效率高28%，且冷水溫度可控制在±0.1℃范圍。

    2)雙蒸發(fā)器

    空調(diào)工況和蓄冰工況的蒸發(fā)溫度差別較大，對同一臺制冷壓縮機，制冷量也有較大差別。為了提高蒸發(fā)器的傳熱效率和保證制冷壓縮機的良好回油，機組應(yīng)配置兩臺蒸發(fā)器，一臺用于電力低谷段蓄冰，一臺用于電力高峰段釋冷量不足時，制取冷凍水供空調(diào)使用。

    采用雙蒸發(fā)器，如匹配合理，稍加改進還可以同時蓄冰和制取冷凍水，滿足電力低谷段空調(diào)所需冷量。

    3)盤管外融冰

    作為戶用蓄冰中央空調(diào)系統(tǒng)，流程應(yīng)盡量簡單，機組尺寸也不能太大。采用盤管外融冰方式蓄冷，盤管成為直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器，蓄冷箱內(nèi)的水在盤管外表面結(jié)成一定厚度的冰，這不僅可以減小蓄冷箱體積，減少乙二醇水溶液的復(fù)雜流程和冷損失，還可以提高制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，增大機組的制冷量，降低機組成本。

    外融冰方式可讓空調(diào)回水與蓄冷箱內(nèi)的冰直接換熱，融冰速度快，釋冷溫度可大于等于1～2℃，與空調(diào)回水混合后，可直接提供7℃的冷凍水。

    5結(jié)論及建議

    綜上所述，目前生產(chǎn)和使用的空氣源熱泵戶型中央空調(diào)存在有一些急待解決的問題，研究開發(fā)地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)，對節(jié)能、降低用戶運行費用和電網(wǎng)調(diào)峰有著十分重要的意義和發(fā)展前景。為了加快地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)的發(fā)展和應(yīng)用，建議電力部門盡快建立完善鼓勵低谷用電的優(yōu)惠政策，如盡可能拉大峰谷電價比，給予蓄冰空調(diào)設(shè)備的開發(fā)和使用補貼等。同時也建議有關(guān)廠家加強地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)的開發(fā)研究，降低造價，提高綜合效益，為戶型蓄冰中央空調(diào)開辟更廣闊的市場。

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