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高适应性空气源热泵技术研究及应用

237天前

新型转子补气压缩机已在全球第二大转子压缩机生产企业量产,并在强热型热泵空调器中批量应用。

项目负责人:马国远

项目联系人:周峰 

项目组成员:马国远、周峰、许树学、李富平、孙晗、姜明健、晏祥慧等

单位:北京工业大学


项目背景及研究意义

空气源热泵是从室外环境空气中获取热量并提升品位后用于供热,以及从室内环境中取热并排放至室外环境空气从而实现室内制冷的装置或系统。由于其适用性强、结构紧凑、调控方便、能源效率高等优点,得到了广泛使用。由于环境空气温度变化范围大,空气源热泵性能在偏离设计工况时性能衰减严重。因此,发展能兼顾制冷和制热性能的高适应性空气源热泵对于我国建筑节能至关重要。在此背景下,自1990年代末开始,项目完成单位在该领域开展了大量研究工作。


项目介绍

我国北方地区建筑冬季有较长时间的采暖需求,同时,近年来我国长江流域等地区的采暖需求也逐渐旺盛。研究表明:空气源热泵是适宜上述地区非集中采暖用户的经济、环保的热源形式。另外,随着气候变化加剧,全国各地夏季空调需求也不断增加,预计未来夏季空调的需求将进一步快速增长。因此,高适应性空气源热泵在制热工况下需要重点解决低环境温度下的性能衰减问题,而夏季则需要提升其温和环境下的能效水平。

针对北方寒冷地区热泵供暖效率低的问题,项目提出了拥有自主知识产权的“带喷射器和贮液过冷器的热泵(制冷)系统”的复合循环新流程,在详细研究该热泵系统循环机理和性能特性的基础上,归纳出其设计理论和方法;以此为指导研发出家用热泵空调器和商用低温空气源热泵机组,形成批量生产。该热泵系统在极端工况下按照复合循环工作,提高工作性能和运行稳定性,在普通工况下按照单机循环工作,保持传统热泵的特点。与普通系统相比,能够很好地适应气温大范围变化,保证在寒冷地区高效、稳定地全年运行,解决了空气源热泵在寒冷气候区制热性能差、无法长期稳定运行的关键问题。设备实物图如图1所示。


项目优势

(1)首次提出采用强化补气压缩机、贮液过冷器、喷射器构成的新流程,建立了其通用特性方程,探明了其动态特性和匹配特性,确定出补气压力和喷射器结构参数的适宜范围,研制出的原型机可在低蒸发温度下长期安全运行,具备优良的低温制热性能。

(2)该技术用于家用热泵,研制出在54℃至-30℃环境温度中稳定可靠运行的热泵空调器,且形成批量生产。经国家权威机构检测,该空调器额定工况制冷能效比为4.87,-15℃环境温度的制热能效比为2.18。

(3)该技术用于商用热泵,研制出能在-20℃环境温度中稳定运行的低温空气源热泵机组,并进行了工程应用,在-15℃气温下制热能效比达2.15。

(4)该技术解决了环保替代工质R32热泵低温工况下排气温度超限的问题,使其能够长期稳定运行,且制热量高出常规热泵系统4%~6%,制热能效比高出3%。


项目成果

项目累计发表论文40余篇,其中SCI检索论文20余篇;授权专利20余项,其中发明专利10余项。2014年,教育部科技发展技术中心组织了对“适合首都圈气候特点的带喷射器和贮液过冷器的热泵(制冷)系统”的科技成果鉴定会,鉴定意见为:该成果综合技术水平处于国际领先。研究成果通过北京工业大学与珠海格力集团合作的项目于2014年获得北京市科技奖(技术发明类)三等奖;与清华同方人环公司联合申报的项目于2015年获得中国制冷学会科学技术奖(技术发明类)一等奖。新型转子补气压缩机已在全球第二大转子压缩机生产企业量产,并在强热型热泵空调器中批量应用。

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