低温空气源热泵的现状与发展
北京建筑大学 李丹 李德英
摘 要：热泵作为一种节能技术受到了世界各国的普遍重视，而空气源热泵可从环境大气中吸取丰富的低品位能量，使用方便，安装费用较低，因此，空气源热泵成为热泵诸多型式中应用最为广泛的一种。但是，空气源热泵的应用范围受到气候条件的约束。国内外学者针对这样的问题提出了不同的解决方案。本文介绍了空气源热泵的主要分类和低温空气源热泵所面临的问题及解决方法，通过对比分析总结热泵节能的方式，对更好地促进空气源热泵技术的发展具有积极意义。
关键词：空气源热泵；寒冷地区；除霜；解决方案
0 引言
空气源热泵作为一种以空气为低温热源，通过少量高位电能驱动，将空气中的低位热能提升成高位热能加以利用的装置。具有高效节能，环保无污染等特点。此外，空气源热泵热水器作为空气源热泵的一种新兴产品，被认为是减少CO2排放和降低对化石燃料依赖程度最具有发展潜力的环保产品。随着室外气温的不断下降，室内采暖热负荷会不断增加，同时传统空气源热泵将会产生结霜等问题[1]。而空气源热泵结霜对热泵运行有两个主要影响：
（1）大量霜积聚将使蒸发器传热性能减弱；
（2）结霜阻碍了室外盘管间的气体流动，风机能量损耗增加。
因此，随着室外换热器壁而霜层的增多，室外换热器蒸发温度下降、机组制热量减少、风机性能衰减、输入电流增大、供热性能系数降低，严重时压缩机会停比运行，以致机组不能正常工作。因此，周期性除霜成为空气源热泵正常运行所必须采取的手段。
本文主要介绍以上提及的针对寒冷地区空气源热泵的解决方案，并做出分析比较，这对于更好地促进空气源热泵技术的发展具有积极的意义。
1 空气源热泵的主要分类
1.1 空气一空气型空气源热泵
空气–空气型空气源热泵原理图见图1。它是在单冷型的空调器基础上发展的，一般来说，其作为夏季空调器的功能较好，热泵功能是辅助型的。通常是用用四通阀转换夏季空调工况和冬季供热工况，四通阀也可兼用于冬季除霜工况[2]。
图1 空气一空气型空气源热泵原理图
1.2 空气一水型空气源热泵
空气–水型空气源热泵原理图见图2。与空气-空气型热泵相同，空气一水型热泵一般也是用四通阀转换夏季空调工况和冬季供热工况，四通阀也可兼用于除霜工况。它们的主要区别是室内换热器，不是风冷式而是循环水式。
图2 空气一水型空气源热泵原理图
2 低温空气源热泵的现状与发展
空气源热泵应用于寒冷地区冬季制热时，系统制热量随着室外温度的降低而迅速下降。同时，随着吸气压力的降低，压缩机压力比迅速升高，导致排气温度急剧上升。解决空气源热泵的低温适应性，主要应从以下几方面着手研究：增加低温工况下系统工质循环量、控制机组排气温度、优化机组压缩机内部的工作过程、选用适用于大工况范围的制冷剂[3]。针对空气源热泵在低温环境出现的弊端，众多学者对其进行了大量的研究，使得机组的稳定性、制热性能和COP等都有了很大的提高。主要包括以下几个方面[4-8]：
2.1 补气增焓热泵系统
补气增烩技术能够较好地改善低温环境下压缩制冷循环的效率，降低压缩机排气温度，提高制冷设备的效率以达到节省能源的目的。采用喷液冷却的压缩机、引入辅助换热器和性能优良混合工质对单级压缩空气源热泵系统的低温适应性有了一定的提高，但仍然无法从根本上解决压缩比大和排气温度高的问题，系统的可靠性也没有得到本质提高，对于补气增烩技术有待于进一步的研究。
2.2 双级压缩热泵循环系统
双级压缩式热泵循环系统通过中间压力补气方式来提高系统低温下的性能，同时可以有效的降低排气温度过高，压比过大等带来的一系列可靠性问题。但对于双级压缩而言，仍存在许多急需解决的问题:如注油量，油平衡及油迁移，系统的控制策略，变频压缩低高压级的合理的输气量比，最佳中间压力的变化等问题。
2.3 复叠式空气源热泵系统
复叠式循环是将一种中、高温制冷剂与一种低温制冷剂相结合，以满足系统在温跨较大时，能效比低、单台压缩机的压缩比大等要求，其最大的优点是两种工质均在最佳的温度范围内工作。目前，对于复叠式循环的研究，主要停留在利用热力学理论循环方法，以制冷效率为目标，选取最佳中间冷凝温度和其他相关设计参数，对于制热方面的研究仍处于实验阶段，尚缺乏基础理论性以及指导方向性的研究。
2.4 空气源热泵的除霜技术
除霜可以有很多方法实现：停机除霜，电加热除霜、热气旁通除霜、逆循环除霜等。其中，逆循环除霜是目前最常用的除霜方式。逆循环除霜是通过使用四通换向阀，使制冷剂流向改变，将制热过程转换为制冷过程。在除霜期间，压缩机排出的过热状态制冷
剂蒸汽被送进室外盘管进行融霜。当融霜完成后，热泵运行再次逆转，重新开始供热。这种方法无需附加任何设备，只需在需要除霜时调节四通换向阀即可。
逆循环除霜是一个复杂的过程，只持续几分钟的瞬态循环可能会导致制冷剂温度、金属盘管温度、空气温度和其他因素的变化。
逆循环融霜过程的能量主要来自于储存在室内金属盘管的能量和对压缩机输入的功，但对于快速除霜是不足的。在此情况下，除霜能量供给不足，除霜时间延长，并由此带来一系列的运行问题。另一方而，除霜过程中，对室内无热量供给，导致室内温度降低，影响室内人员的热舒适。
尽管除霜过程本身可能会引出很多问题，如：
（1）需要额外热量来融霜而降低了热泵的COP；
（2）除霜过程中热泵机组会中断供热，降低了室内舒适度；
（3）由于额外辅助加热元件而增加了设备投资，降低了设备可靠性等。但除霜可使热泵机组重新回到额定工况运行，其利大于弊。因此，国内外许多专家学者对此进行了深入研究。纵观国内外研究现状，人们对空气源热泵的除霜有了很大的改进，但是在实际运行中常规除霜性能仍难以令人满意，除霜过程的稳定性与可靠性也远没有解决。究其原因，所做研究在特定实验条件下，其应用是否具有广泛性还需要进一步研究。此外，融霜机理十分复杂，从传热传质的机理上揭示蒸发器的除霜过程有待于进一步的深化和完善。因此，如何从根本上解决除霜问题，成为今后研究的重点方向。
2.5 空气源热泵中新型工质的替代
由于R22具有对臭氧层的破坏作用及温室效应，使全世界空调和热泵行业面临严峻的考验，研究开发、寻找新型环保制冷剂替代传统的高ODP、高GWP值的制冷剂是一项急需研究的课题。目前对空气源热泵研究的新型制冷工质主要有CO2，R32，8407C和R410A，8290等。绿色环保天然工质二氧化碳以其优良的热物性成为热泵系统中合成工质最有潜力的替代物之一，在热水器应用方面尤为突出。
吴华根等[4,5]认为，与使用R22相比，使用R134a会导致样机制热量、COP和功耗降低。且R134a属于中压制冷剂，8404在膨胀过程中要损失更多的蒸发比烩以冷却通过膨胀阀的液体，使制热量受到更大的影响，两者均非R22的理想替代工质。而8407 C与R22的工作范围和制热量基本相当，是R22比较理想的替代工质。但是，作为非共沸制冷剂，8407 C在传热表面上的传质阻力会增加，从而可能造成蒸发、冷凝过程的换热效率降低。
以上研究推动了空气源热泵系统在寒冷地区的应用，纵观国内外学者的研究，采用补气增烩技术、双级压缩系统或复叠式制冷系统是解决空气源热泵低温适应性的有效途径，不过尚处于理论和实验研究阶段。同时由于系统过于复杂及成本因素，目前尚未有真正意义上的补气增烩热泵、双级压缩式或复叠式泵产品。因此，如何进一步提高空气源热泵的低温适应，利于产品的推广应用是亟待解决问题。
2.6 相变材料与热泵技术的结合
蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，可用于解决热能供给与需求失配的矛盾。华南理工大学、哈尔滨工业大学，等在蓄热型热泵做了大量的研究工作，蓄热型热泵经常处于满负荷运行，有利于系统高效能运行，因此，将相变储能技术与热泵技术相结合，充分发挥各自的优势，可以有效地提高设备在低温环境下的性能系数。
3 空气源热泵空调系统的节能措施
3.1 选用高效率低能耗的压缩机
由空气源热泵空调系统的分析可以看出:压缩机的损失占机组能耗的20.5%，这是区为压缩机进行的是不可逆绝热压缩过程，由于不可逆引起了损失，从而导致转化为。由此在该系统中压缩机节能尤为重要。这就要求在设计空气源热泵空调系统时应选择热效率高的压缩机，如螺杆式压缩机或涡旋式压缩机等。升压比较大时还应采用双级压缩，减少损。双级压缩过程分两个阶段进行，来自蒸发器的气态工质先在低级压缩机中压缩，当被压缩到中间冷却器的中间压力时，便进入中间冷却器冷却，然后再进入高级压缩机压缩到冷凝压力，双级压缩由于采取了中间冷却，高压级的排气温度不致过高，进而减小了压缩机的损失[9]。
3.2 选用换热效率高的冷凝器
冷凝器的损失接近总能耗的30%，这主要是由于制冷剂与空气之间的温差较大造成的，所以应当减小传热温差。从传热过程可知，对于一定的热负荷而言，要减小传热温差，必须增大传热面积和传热系数，而传热面积的增大受到冷凝器体积和质量的限制，所以只能增大传热系数。增大传热系数可采取如下措施：
（1）提高管内水流速；
（2）采用高翅化系数的螺纹管；
（3）减小水垢和油垢热阻，或者采用新型的板式热交换器，以提高其传热系数和传热效率，使其体积和质量大大减小。
3.3 对节流阀前液体采取过冷措施
由于对节流阀前液体采取过冷措施，所以节流阀损失所占比例不到10%。节流阀中制冷剂进行的是不可逆绝热节流过程，采取过冷措施后，既可以减少节流损失，又可提高热效率。
3.4 减小蒸发器换热损失
蒸发器的损失相对来讲较小(10.32%)，主要是载冷剂的冷量得以利用。蒸发器的损失也是制冷机剂与冷冻水之间的温差传热引起的。减小这部分损失也是尽量减小制冷机剂与冷冻水之间的传热温差，提高其传热系数，或者采取新型板式换热器。
3.5 其他方面的措施
除了上述的措施外，热泵机组所处环境的通风情况也是热泵机组能否高效运行，甚至是能否正常运行的重要的条件。通风良好的标准是：进入热泵的空气为环境空气，而热泵排出的气流又能及时排走、排远，热泵机组排气与吸气不短路。为实现这一目标应努力确保热泵与女儿墙的距离，或女儿墙上开足够面积的进风口；其次热泵与热泵间也应有一定的距离，一般在3m以上。为了美观及布置方便，热泵机组大多对齐并列布置，为改善通风，热泵机组可错列。
4 结论
空气源热泵作为一种高效节能、绿色环保装置，受到越来越多的关注，但在实际推广使用的过程中，低温环境下影响了系统可靠性和制热性能，制约了空气源热泵的推广应用[10]。通过从补气增焓技术、双级压缩系统、复叠式热泵系统、空气源热泵除霜技术、新型工质替代方面对国内外学的研究进行了总结，分析了低温环境下系统所存在的弊端，并对其系统的优缺点做了简要剖析。指出上述系统对空气源热泵系统的低温适应性有一定的改善，但也存在一些不足之处。本文总结了空气源热泵除霜过程是实验与理论研究进展，着重介绍了延缓除霜手段和改进空气源热泵除霜过程方法的研究现状[11]。从目前的研究进展可以得到以下几点结论：
（1）对于除霜的研究很多，空气源热泵除霜系统运行特性研究与模拟方而已取得了很大成就。但融霜过程中，室外换热器传热传质过程非常复杂，现有的系统动态模型较为简化，还很不完善。因此，建立全而完整的室外换热器的系统动态模型是今后研究的一个方向。
（2）融霜过程中能量分配的研究。目前已有一些关于能量分配的研究，但多是在特定实验条件下得到的，没有广泛适用性。将来可以在融霜能量分配上进行更多的实验和理论研究，提高除霜过程中的除霜效率。
（3）延缓结霜。现有文献从室外环境、机组本身特性来研究防比和延缓结霜的可能性。但由于受到应用条件、效率、技术和经济等方而的制约，有待于进一步的研究。
（4）改进空气源热泵除霜方式。尽管研究人员提出了多种改善空气源热泵系统除霜方式，但多数系统结构复杂，控制难度大，因此，需要继续探寻满足经济性、有效性、实用性的除霜方式。同时，这些方法也为改善除霜方式提供了一些新思路。此外，通过从新型工质替代问题，相变材料与热泵系统的结合，新型热泵系统的开发对今后的发展提出来展望。指出寻找高效、环保低温制冷剂尤为迫切，相变材料与热泵系统的结合有助于解决热能供给与需求失配的矛盾，提高空气源热泵的低温适应性。进行了能量分析支出了压缩机和冷凝器损失最大。因此，应该选用高效率的压缩机，应采用强化传热措施，提高传热系数，减小传热温差来减小冷凝器损失。同时还应注意改善热泵机组的周围环境。相信随着对低温空气源热泵可靠性的深入研究，必将提高其运行性能，减轻城市环境污染，为创造性地实现我国“节能减排”目标，以及建设科研创新型国家探索道路。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年2月刊总第2期。
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