北京建筑大學      李丹   李德英

摘   要：熱泵作為一種節能技術受到了世界各國的普遍重視，而空氣源熱泵可從環境大氣中吸取豐富的低品位能量，使用方便，安裝費用較低，因此，空氣源熱泵成為熱泵諸多型式中應用最為廣泛的一種。但是，空氣源熱泵的應用范圍受到氣候條件的約束。國內外學者針對這樣的問題提出了不同的解決方案。本文介紹了空氣源熱泵的主要分類和低溫空氣源熱泵所面臨的問題及解決方法，通過對比分析總結熱泵節能的方式，對更好地促進空氣源熱泵技術的發展具有積極意義。

關鍵詞：空氣源熱泵；寒冷地區；除霜；解決方案

       0   引言

       空氣源熱泵作為一種以空氣為低溫熱源，通過少量高位電能驅動，將空氣中的低位熱能提升成高位熱能加以利用的裝置。具有高效節能，環保無污染等特點。此外，空氣源熱泵熱水器作為空氣源熱泵的一種新興產品，被認為是減少CO2排放和降低對化石燃料依賴程度最具有發展潛力的環保產品。隨著室外氣溫的不斷下降，室內采暖熱負荷會不斷增加，同時傳統空氣源熱泵將會產生結霜等問題^[1]。而空氣源熱泵結霜對熱泵運行有兩個主要影響：

     （1）大量霜積聚將使蒸發器傳熱性能減弱；

     （2）結霜阻礙了室外盤管間的氣體流動，風機能量損耗增加。

       因此，隨著室外換熱器壁而霜層的增多，室外換熱器蒸發溫度下降、機組制熱量減少、風機性能衰減、輸入電流增大、供熱性能系數降低，嚴重時壓縮機會停比運行，以致機組不能正常工作。因此，周期性除霜成為空氣源熱泵正常運行所必須采取的手段。
本文主要介紹以上提及的針對寒冷地區空氣源熱泵的解決方案，并做出分析比較，這對于更好地促進空氣源熱泵技術的發展具有積極的意義。

       1   空氣源熱泵的主要分類

       1.1   空氣一空氣型空氣源熱泵

       空氣–空氣型空氣源熱泵原理圖見圖1。它是在單冷型的空調器基礎上發展的，一般來說，其作為夏季空調器的功能較好，熱泵功能是輔助型的。通常是用用四通閥轉換夏季空調工況和冬季供熱工況，四通閥也可兼用于冬季除霜工況^[2]。

 

圖1   空氣一空氣型空氣源熱泵原理圖

       1.2   空氣一水型空氣源熱泵

       空氣–水型空氣源熱泵原理圖見圖2。與空氣-空氣型熱泵相同，空氣一水型熱泵一般也是用四通閥轉換夏季空調工況和冬季供熱工況，四通閥也可兼用于除霜工況。它們的主要區別是室內換熱器，不是風冷式而是循環水式。

圖2   空氣一水型空氣源熱泵原理圖

       2   低溫空氣源熱泵的現狀與發展

       空氣源熱泵應用于寒冷地區冬季制熱時，系統制熱量隨著室外溫度的降低而迅速下降。同時，隨著吸氣壓力的降低，壓縮機壓力比迅速升高，導致排氣溫度急劇上升。解決空氣源熱泵的低溫適應性，主要應從以下幾方面著手研究：增加低溫工況下系統工質循環量、控制機組排氣溫度、優化機組壓縮機內部的工作過程、選用適用于大工況范圍的制冷劑^[3]。針對空氣源熱泵在低溫環境出現的弊端，眾多學者對其進行了大量的研究，使得機組的穩定性、制熱性能和COP等都有了很大的提高。主要包括以下幾個方面^[4-8]：

       2.1   補氣增焓熱泵系統

       補氣增燴技術能夠較好地改善低溫環境下壓縮制冷循環的效率，降低壓縮機排氣溫度，提高制冷設備的效率以達到節省能源的目的。采用噴液冷卻的壓縮機、引入輔助換熱器和性能優良混合工質對單級壓縮空氣源熱泵系統的低溫適應性有了一定的提高，但仍然無法從根本上解決壓縮比大和排氣溫度高的問題，系統的可靠性也沒有得到本質提高，對于補氣增燴技術有待于進一步的研究。

       2.2   雙級壓縮熱泵循環系統

       雙級壓縮式熱泵循環系統通過中間壓力補氣方式來提高系統低溫下的性能，同時可以有效的降低排氣溫度過高，壓比過大等帶來的一系列可靠性問題。但對于雙級壓縮而言，仍存在許多急需解決的問題:如注油量，油平衡及油遷移，系統的控制策略，變頻壓縮低高壓級的合理的輸氣量比，最佳中間壓力的變化等問題。

       2.3   復疊式空氣源熱泵系統

       復疊式循環是將一種中、高溫制冷劑與一種低溫制冷劑相結合，以滿足系統在溫跨較大時，能效比低、單臺壓縮機的壓縮比大等要求，其最大的優點是兩種工質均在最佳的溫度范圍內工作。目前，對于復疊式循環的研究，主要停留在利用熱力學理論循環方法，以制冷效率為目標，選取最佳中間冷凝溫度和其他相關設計參數，對于制熱方面的研究仍處于實驗階段，尚缺乏基礎理論性以及指導方向性的研究。

       2.4   空氣源熱泵的除霜技術

       除霜可以有很多方法實現：停機除霜，電加熱除霜、熱氣旁通除霜、逆循環除霜等。其中，逆循環除霜是目前最常用的除霜方式。逆循環除霜是通過使用四通換向閥，使制冷劑流向改變，將制熱過程轉換為制冷過程。在除霜期間，壓縮機排出的過熱狀態制冷
劑蒸汽被送進室外盤管進行融霜。當融霜完成后，熱泵運行再次逆轉，重新開始供熱。這種方法無需附加任何設備，只需在需要除霜時調節四通換向閥即可。

       逆循環除霜是一個復雜的過程，只持續幾分鐘的瞬態循環可能會導致制冷劑溫度、金屬盤管溫度、空氣溫度和其他因素的變化。

       逆循環融霜過程的能量主要來自于儲存在室內金屬盤管的能量和對壓縮機輸入的功，但對于快速除霜是不足的。在此情況下，除霜能量供給不足，除霜時間延長，并由此帶來一系列的運行問題。另一方而，除霜過程中，對室內無熱量供給，導致室內溫度降低，影響室內人員的熱舒適。

       盡管除霜過程本身可能會引出很多問題，如：

     （1）需要額外熱量來融霜而降低了熱泵的COP；

     （2）除霜過程中熱泵機組會中斷供熱，降低了室內舒適度；

     （3）由于額外輔助加熱元件而增加了設備投資，降低了設備可靠性等。但除霜可使熱泵機組重新回到額定工況運行，其利大于弊。因此，國內外許多專家學者對此進行了深入研究。縱觀國內外研究現狀，人們對空氣源熱泵的除霜有了很大的改進，但是在實際運行中常規除霜性能仍難以令人滿意，除霜過程的穩定性與可靠性也遠沒有解決。究其原因，所做研究在特定實驗條件下，其應用是否具有廣泛性還需要進一步研究。此外，融霜機理十分復雜，從傳熱傳質的機理上揭示蒸發器的除霜過程有待于進一步的深化和完善。因此，如何從根本上解決除霜問題，成為今后研究的重點方向。

       2.5   空氣源熱泵中新型工質的替代

       由于R22具有對臭氧層的破壞作用及溫室效應，使全世界空調和熱泵行業面臨嚴峻的考驗，研究開發、尋找新型環保制冷劑替代傳統的高ODP、高GWP值的制冷劑是一項急需研究的課題。目前對空氣源熱泵研究的新型制冷工質主要有CO₂，R32，8407C和R410A，8290等。綠色環保天然工質二氧化碳以其優良的熱物性成為熱泵系統中合成工質最有潛力的替代物之一，在熱水器應用方面尤為突出。

       吳華根等^[4,5]認為，與使用R22相比，使用R134a會導致樣機制熱量、COP和功耗降低。且R134a屬于中壓制冷劑，8404在膨脹過程中要損失更多的蒸發比燴以冷卻通過膨脹閥的液體，使制熱量受到更大的影響，兩者均非R22的理想替代工質。而8407 C與R22的工作范圍和制熱量基本相當，是R22比較理想的替代工質。但是，作為非共沸制冷劑，8407 C在傳熱表面上的傳質阻力會增加，從而可能造成蒸發、冷凝過程的換熱效率降低。

       以上研究推動了空氣源熱泵系統在寒冷地區的應用，縱觀國內外學者的研究，采用補氣增燴技術、雙級壓縮系統或復疊式制冷系統是解決空氣源熱泵低溫適應性的有效途徑，不過尚處于理論和實驗研究階段。同時由于系統過于復雜及成本因素，目前尚未有真正意義上的補氣增燴熱泵、雙級壓縮式或復疊式泵產品。因此，如何進一步提高空氣源熱泵的低溫適應，利于產品的推廣應用是亟待解決問題。

       2.6   相變材料與熱泵技術的結合

       蓄熱技術是提高能源利用效率和保護環境的重要技術，可用于解決熱能供給與需求失配的矛盾。華南理工大學、哈爾濱工業大學，等在蓄熱型熱泵做了大量的研究工作，蓄熱型熱泵經常處于滿負荷運行，有利于系統高效能運行，因此，將相變儲能技術與熱泵技術相結合，充分發揮各自的優勢，可以有效地提高設備在低溫環境下的性能系數。

       3   空氣源熱泵空調系統的節能措施

       3.1   選用高效率低能耗的壓縮機

       由空氣源熱泵空調系統的分析可以看出:壓縮機的損失占機組能耗的20.5%，這是區為壓縮機進行的是不可逆絕熱壓縮過程，由于不可逆引起了損失，從而導致轉化為。由此在該系統中壓縮機節能尤為重要。這就要求在設計空氣源熱泵空調系統時應選擇熱效率高的壓縮機，如螺桿式壓縮機或渦旋式壓縮機等。升壓比較大時還應采用雙級壓縮，減少損。雙級壓縮過程分兩個階段進行，來自蒸發器的氣態工質先在低級壓縮機中壓縮，當被壓縮到中間冷卻器的中間壓力時，便進入中間冷卻器冷卻，然后再進入高級壓縮機壓縮到冷凝壓力，雙級壓縮由于采取了中間冷卻，高壓級的排氣溫度不致過高，進而減小了壓縮機的損失^[9]。

       3.2   選用換熱效率高的冷凝器

       冷凝器的損失接近總能耗的30%，這主要是由于制冷劑與空氣之間的溫差較大造成的，所以應當減小傳熱溫差。從傳熱過程可知，對于一定的熱負荷而言，要減小傳熱溫差，必須增大傳熱面積和傳熱系數，而傳熱面積的增大受到冷凝器體積和質量的限制，所以只能增大傳熱系數。增大傳熱系數可采取如下措施：

     （1）提高管內水流速；

     （2）采用高翅化系數的螺紋管；

     （3）減小水垢和油垢熱阻，或者采用新型的板式熱交換器，以提高其傳熱系數和傳熱效率，使其體積和質量大大減小。

       3.3   對節流閥前液體采取過冷措施

       由于對節流閥前液體采取過冷措施，所以節流閥損失所占比例不到10%。節流閥中制冷劑進行的是不可逆絕熱節流過程，采取過冷措施后，既可以減少節流損失，又可提高熱效率。

       3.4   減小蒸發器換熱損失

       蒸發器的損失相對來講較小(10.32%)，主要是載冷劑的冷量得以利用。蒸發器的損失也是制冷機劑與冷凍水之間的溫差傳熱引起的。減小這部分損失也是盡量減小制冷機劑與冷凍水之間的傳熱溫差，提高其傳熱系數，或者采取新型板式換熱器。

       3.5   其他方面的措施

       除了上述的措施外，熱泵機組所處環境的通風情況也是熱泵機組能否高效運行，甚至是能否正常運行的重要的條件。通風良好的標準是：進入熱泵的空氣為環境空氣，而熱泵排出的氣流又能及時排走、排遠，熱泵機組排氣與吸氣不短路。為實現這一目標應努力確保熱泵與女兒墻的距離，或女兒墻上開足夠面積的進風口；其次熱泵與熱泵間也應有一定的距離，一般在3m以上。為了美觀及布置方便，熱泵機組大多對齊并列布置，為改善通風，熱泵機組可錯列。

       4   結論

       空氣源熱泵作為一種高效節能、綠色環保裝置，受到越來越多的關注，但在實際推廣使用的過程中，低溫環境下影響了系統可靠性和制熱性能，制約了空氣源熱泵的推廣應用[10]。通過從補氣增焓技術、雙級壓縮系統、復疊式熱泵系統、空氣源熱泵除霜技術、新型工質替代方面對國內外學的研究進行了總結，分析了低溫環境下系統所存在的弊端，并對其系統的優缺點做了簡要剖析。指出上述系統對空氣源熱泵系統的低溫適應性有一定的改善，但也存在一些不足之處。本文總結了空氣源熱泵除霜過程是實驗與理論研究進展，著重介紹了延緩除霜手段和改進空氣源熱泵除霜過程方法的研究現狀^[11]。從目前的研究進展可以得到以下幾點結論：

     （1）對于除霜的研究很多，空氣源熱泵除霜系統運行特性研究與模擬方而已取得了很大成就。但融霜過程中，室外換熱器傳熱傳質過程非常復雜，現有的系統動態模型較為簡化，還很不完善。因此，建立全而完整的室外換熱器的系統動態模型是今后研究的一個方向。

     （2）融霜過程中能量分配的研究。目前已有一些關于能量分配的研究，但多是在特定實驗條件下得到的，沒有廣泛適用性。將來可以在融霜能量分配上進行更多的實驗和理論研究，提高除霜過程中的除霜效率。

     （3）延緩結霜。現有文獻從室外環境、機組本身特性來研究防比和延緩結霜的可能性。但由于受到應用條件、效率、技術和經濟等方而的制約，有待于進一步的研究。

     （4）改進空氣源熱泵除霜方式。盡管研究人員提出了多種改善空氣源熱泵系統除霜方式，但多數系統結構復雜，控制難度大，因此，需要繼續探尋滿足經濟性、有效性、實用性的除霜方式。同時，這些方法也為改善除霜方式提供了一些新思路。此外，通過從新型工質替代問題，相變材料與熱泵系統的結合，新型熱泵系統的開發對今后的發展提出來展望。指出尋找高效、環保低溫制冷劑尤為迫切，相變材料與熱泵系統的結合有助于解決熱能供給與需求失配的矛盾，提高空氣源熱泵的低溫適應性。進行了能量分析支出了壓縮機和冷凝器損失最大。因此，應該選用高效率的壓縮機，應采用強化傳熱措施，提高傳熱系數，減小傳熱溫差來減小冷凝器損失。同時還應注意改善熱泵機組的周圍環境。相信隨著對低溫空氣源熱泵可靠性的深入研究，必將提高其運行性能，減輕城市環境污染，為創造性地實現我國“節能減排”目標，以及建設科研創新型國家探索道路。

參考文獻

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備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年2月刊總第2期。
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