淺淡空氣源熱泵技術及應用前景

許強　徐繼凱　劉曉艷

摘 要：隨著經濟和各行各業的快速發展，在能源緊張的大環境下，空氣源熱泵系統越來越受到人們的關注。針對空氣源熱泵目前的應用和研究現狀，總結了空氣源熱泵系統冷熱源、輸配系統、末端的優化方向。就如何提高空氣源泵系統供熱能效提出了建議，并提出了進一步研究的方向。

關鍵詞：空氣源熱泵;逆卡諾循環;能效比;新能源

1 空氣源熱泵的特點

空氣源熱泵機組就是利用室外環境中的空氣能量，機械做功后，將能量從低位熱源向高位熱源轉移的熱泵裝置，可利用冷凝熱來提供生活熱水，從而配置成熱回收型機組。我國長江流域夏熱冬暖地區具有夏季高溫悶熱，冬季陰冷潮濕的氣候特點，但由于該地區供暖期短，且我國能源緊張，不宜選用集中供暖形式，空氣源熱泵具有節能、冷熱兼供、無需冷卻水和鍋爐等優點，適用于我國夏熱冬冷地區作為中央空調的冷熱源。空氣源熱泵和水源熱泵相比初投資可低30%～50%，在沈陽，空氣源熱泵的運行費用和集中供暖的運行費用相差不大，但比燃氣壁掛爐供暖的運行費用少15%以上，比電采暖少60%以上。它具有一機多用、節能、環境友好的優勢。空氣源熱泵機組在低溫高濕的環境中使用時，常出現換熱器表面結霜，壓縮機頻繁啟停，供熱能力降低，需要定期除霜才能保證系統穩定運行。

2 空氣源熱泵工作原理及應用

2.1 卡諾循環

空氣源熱泵、空調、冰箱等制冷、制熱設備基本上都是利用了逆卡諾循環的原理，逆卡諾循環是卡諾循環的逆循環。法國工程師卡諾通過研究蒸汽機的基本結構和工作過程，拋開所有非主要因素，從理想循環著手，用普遍理論的方法，作出了如下結論：消耗熱可以得到機械功。他指出，熱機一定要在高溫熱源和低溫熱源之間工作，“凡是有溫度差的地方就能夠產生動力;反之，凡能夠消耗這個力的地方就能夠形成溫度差，就可能破壞熱質的平衡。”他構造了一個在冷凝器和加熱器之間的理想循環：汽缸和加熱器連通，使加熱器的溫度與汽缸內的工作物質水和飽和蒸汽溫度相等，讓汽缸內的蒸汽緩慢地膨脹，保持在整個過程中，蒸汽和水都處于熱平衡。接著讓汽缸和加熱器互相隔絕，使蒸汽絕熱膨脹，直到溫度和冷凝器的溫度相等。然后活塞緩慢地壓縮蒸汽，一段時間后冷凝器與汽缸脫離，作絕熱壓縮一直恢復到初始的狀態。這循環是由兩個等溫過程與兩個絕熱過程組成的循環，叫作“卡諾循環”。卡諾循環由四個過程組成：等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮。

2.2 冷熱源優化

常規空氣源熱泵機組采用單級壓縮循環，在我國華北、西北等寒冷地區使用時制熱能力衰減，無法在冬季正常運行。隨著產品的研發更新，先后出現了帶油冷卻的單級壓縮系統、準二級壓縮系統、二級壓縮系統、復疊式系統、多種能源形式的復合系統等。目前，已經研制出適用于寒冷地區的低環境溫度空氣源熱泵機組，可在室外溫度不低于-20℃時制取30～50℃的供暖熱水。隨著技術的進步，國內外學者對低環境溫度空氣源熱泵的改進進行了大量試驗研究，使其能適用于寒冷地區供暖。空氣源熱泵機組的結霜問題飽受詬病，在室外溫度較低的寒冷地區使用時易結霜，結霜嚴重時會影響機組運行的穩定性。目前，常用的除霜方法主要有：逆循環除霜、熱氣旁通法除霜、蓄能除霜和工質過冷除霜法。前兩種除霜措施均存在能量供給不足、效率不高、系統不穩定的缺點;蓄能除霜可以克服能量補給的不足，但結霜時系統制熱量衰減、除霜時不能供熱、相變材料的性能穩定性問題都有待改進;工質過冷除霜法可提高理論制熱系數，但采用噴射膨脹閥會增加設備成本。有學者提出無霜空氣源熱泵，該系統采用加熱再生方式，再生效率低，供熱能效不高。郭浩增等人提出多熱源輔助除霜法，該方法主要是通過儲存用電低峰期的制熱量和太陽能等多種熱源，實現多種熱源輔助除霜的目的。余延順等人提出冷凍再生的溶液除霜型空氣源熱泵機組，該機組運用鹽溶液噴淋的方式除霜，除霜完成后的稀溶液再采用冷凍方式使其再生，從而實現連續供熱，溶液再生方式由加熱法改進為冷凍法，再生過程能耗降低。

2.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵熱水器內置了一種吸熱的介質———制冷劑（冷媒），它液體的狀態下溫度低于零下20℃，一般與外界自然溫度存在著溫差，故此，制冷劑可以吸收外界自然的溫度，在蒸發器內部產生壓力并且蒸發汽化，通過熱泵的循環，使制冷劑從汽體狀態轉化成液體狀態，它攜帶的熱量便釋放給了熱泵熱水器機組水箱中的儲用水。空氣源熱泵工作過程包括以下四個步驟：①低溫低壓的液態制冷劑經膨脹閥節流降壓;②制冷劑通過降壓后，接著進入交換機中蒸發，從而在空氣中吸收大量的熱量Q1，制冷劑轉為氣態;③氣態制冷劑進入壓縮機被壓縮，變成高溫高壓的制冷劑;④壓縮后的高溫高壓氣態制冷劑進入熱交換器后，把它所含的熱量釋放出來，將冷凝器中的冷水加熱，冷水被高溫高壓制冷劑加熱到55℃（最高可以到65℃）進入保溫水箱，此時制冷劑也由氣態轉變為液態。如此一直循環，源源不斷地從空氣中吸收熱量給冷水，使冷水溫度升高。

3 空氣源熱泵供熱產業前景

由于受到國家清潔能源利用政策的影響，商用領域的空氣源熱泵產品源于其具備高節能、無污染的特性，成為各個地區的替代選擇，致使本身單臺價格遠高于家用產品的商用產品銷售額規模迅速提升。細分產品方面，受整體基礎原材料價格上漲的影響，空氣源熱泵熱水產品增長乏力;在政策影響下，相對的采暖機組在清潔取暖市場上奪得一定份額，一方面通過政府層面的推動大大提升了產品認知度，另一方面帶動整體行業規模迅速提升。

結語

隨著空氣源熱泵機組的能效不斷提高，設備除霜技術的成熟，末端產品的不斷優化，系統配置設計優化，空氣源熱泵系統，特別是空氣源熱泵供暖系統在我國南、北方地區都將有著廣泛的應用市場。

參考文獻

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