適用于我國農村地區的低溫空氣源熱泵采暖技術

龐衛科，呂連宏，羅宏

中國環境科學研究院，北京 100012

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適用于我國農村地區的低溫空氣源熱泵采暖技術

龐衛科，呂連宏，羅宏*

中國環境科學研究院，北京 100012

基于我國農村特點提出采用清潔能源利用技術——低溫空氣源熱泵采暖方式替代農村傳統的散煤燃燒取暖方式。低溫空氣源熱泵采用較為成熟可靠的補氣增焓技術。研究表明：在蒸發溫度為-30 ℃、冷凝溫度為45 ℃、補氣比為0.6的模擬工況下運行，低溫空氣源熱泵理論制熱性能系數(COP)大于2.25，系統能效比(EER)高于1.90。在實際應用過程中，低溫空氣源熱泵機組可解決不同場合下需依靠不同介質(熱風或熱水)采暖的問題，預計全面推廣后，我國農村地區每年可減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵排放分別約3.86億、0.115億、0.057億和1.05億t，其可作為淘汰農村傳統采暖方式的優先選擇。

采暖；熱泵；補氣增焓；制熱性能系數

我國農村地區冬季采暖方式主要是通過散煤燃燒后獲取熱量，這種傳統方式雖然簡單方便、成本較低，但隨著生態環境的惡化，尤其是近年來我國秋冬季重污染天氣逐漸增多，其暴露出的問題也越來越多。北方農村特別是京津冀區域散煤燃燒排放的污染物已成為首都大氣治理的重要對象之一[1]，實現首都的藍天計劃亟需解決周邊農村的散煤燃燒問題。鑒于此，國家特制定了《農村散煤燃燒污染綜合治理技術指南(試行)》等相關政策，其中熱泵技術是力推的一項替代散煤燃燒的方式，包括空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵等，并重點提到了低溫空氣源(熱風熱水)熱泵技術。水源和土壤源熱泵雖然在節約能源和保護環境方面同樣具有優勢，理論上某些地方甚至優于低溫空氣源熱泵[2-3]，但結合農村地區采暖特點并考慮其建設條件、成本等，大規模應用尚受到一些制約。

空氣源熱泵以大氣為取熱對象，無需鍋爐及相應的燃料供應系統、除塵系統和煙氣排放系統，安全可靠、無環境污染，基本上實現了本地零排放；且空氣源熱泵便于在供暖過渡季運行，與一些使用城市集中供暖熱源的單位和小區相比，能夠提前和延長供暖，特別適用于醫院、老年中心、幼兒園等特殊用戶[4]。低溫空氣源熱泵技術大大拓寬了空氣源熱泵的應用地域和范圍，使其從原來的長江流域以南逐步北擴至黃河流域的華北地區，甚至東北地區[5]。目前，低溫空氣源熱泵可采用的技術措施主要有變頻壓縮[6]、復疊或兩級壓縮[7-8]、二元或三元混合工質[9-10]、低溫工況下補氣增焓[11-14]等。近年來，研究人員開展了針對空氣源熱泵在低溫環境下采用低溫工質制熱的研究：如郭麗婷等[15]開展的R404A應用在空氣源熱泵系統上的低溫適應性研究；牛寶聯等[16]開展的CO2R170混合物作為復疊制冷系統低溫環路循環工質的性能研究；李新禹等[17]開展的復疊制冷系統中低溫環路工質R744R290的試驗研究等。研究表明，低溫工質均可較好地適宜空氣源熱泵的運行工況，但在其他工質下運行效果不甚理想。當前有關低溫工質的研究仍在進一步的開展中，而補氣增焓技術因其發展較成熟、可靠性相對較高，有望成為最先大規模市場化應用的替代方案。

基于散熱器、低溫輻射地板、風機盤管等末端型式，同時結合各地區的實際情況分別研究分析了補氣增焓低溫空氣源熱泵的系統特性。于濤等[18]實測了安裝在北京懷柔的1套散熱器耦合低溫空氣源熱泵熱水機組的采暖系統，運行期間室外氣溫最低達-13 ℃，而供水溫度仍高于35 ℃，且系統運行平穩；肖婧等[19]現場實測了低溫輻射地板采用噴液增焓技術低溫空氣源熱泵的實際運行性能，并重點考察了機組在北京地區室外氣溫-16.5～-6 ℃時的供熱情況，取得較滿意的采暖效果；陳政文等[20]基于焓差試驗平臺的模擬環境實測了低溫空氣源熱泵采用噴氣增焓措施后的工作性能指標，在不使用載熱介質的情況下其理論制熱性能系數(COP)達到2.03(室外氣溫-15 ℃)；馬榮江等[21]現場測試分析熱風直熱式低溫空氣源熱泵在北京地區農宅的實際運行狀況表明，補氣增焓空氣源熱泵非常適合替代農村現有的高污染散煤采暖方式，若結合政府扶持，未來將可以實現“用戶愿意買、買得起，愿意用、用得起”的良性循環；韓宗偉等[22]對低溫空氣源熱泵復合太陽能空調熱泵系統在烏魯木齊地區的可行性研究表明，在替代原有的熱網供暖和分體空調器制冷方案后，節能率達12.7%，投資回收期約為5.9 a；孔維利等[23]深入研究了補氣增焓空氣源熱泵采用環保工質R32的性能特性，結果顯示，該泵在未來低溫空氣源熱泵市場上將占有重要的一席之地。

1 空氣源熱泵補氣增焓技術

1.1 流程原理

采用補氣增焓技術的低溫空氣源熱泵工作機理：通過改進其工質熱力循環過程中的壓縮階段，一方面增加了工質的質量流量，提升供熱端的工質熱焓；另一方面補氣措施對壓縮過程中間階段的制冷劑具有冷卻作用，降低其最終壓縮結束后的排出溫度。具體工作原理見圖1。由圖1可知，熱泵壓縮機將溫度、壓力處于狀態4的工質排出，送到冷凝器中進行熱交換；加熱室內空氣或熱載介質(如水)后，溫度降低，壓力保持不變，成為過冷狀態5的液體；然后經過節流降壓不可逆熱力過程，溫度降低、壓力減小，工質變為氣液兩相的狀態6，進入室外空氣側換熱器內；由于工質自身溫度低于室外環境溫度，在溫差作用下將從空氣中不斷吸收熱量，最后變為狀態1的氣態。工質首先以狀態1被壓縮機壓縮至狀態2后，將與補充的其他工質以邊混合邊壓縮的過程進行到狀態3，最終兩股完全混合后的工質再繼續壓縮，直到狀態4。

注：1—2為一般壓縮過程；2—3為補氣壓縮過程；3—4為混合壓縮過程；4—5為冷凝過程；5—6為節流過程；6—1為蒸發過程。圖1 補氣增焓技術流程及其熱力變化過程Fig.1 Process of adding refrigerant for enthalpy increment and its trend of thermal state

1.2 補氣增焓理論計算

為考察低溫空氣源熱泵的熱力性能和經濟性，需對其補氣增焓壓縮循環過程進行理論計算和分析。假設工質從狀態1的焓(h1)變化到狀態2的焓(h2)為等熵壓縮過程，該階段的壓縮功(w1～2)可由狀態變化前后的焓差表示為：

w1～2=h2-h1

從h2至狀態3的焓(h3)視為2個部分工質的簡單混合過程，不消耗壓縮功。

同樣，工質從h3變化到狀態4的焓(h4)的壓縮功(w3～4)可表示為：

w3～4=h4-h3

工質h3用2個部分混合工質的焓表示：

h3=(1-α)h2+αhb

式中：α為補氣量占工質循環量的比例，0<α<1；hb為補入工質混合前的熱焓。

整個補氣壓縮過程中消耗的功量(w)為：

w=h4+αh2-h1-αhb

用戶端的供熱量為工質從h4變化到狀態5的焓(h5)的焓差(qk)為：

qk=h4-h5

熱泵從外界空氣中提取的熱量為工質從狀態6的焓(h6)至h1的焓差(qc)為：

qc=h1-h6

考慮實際壓縮過程中偏離等熵過程和不可逆損失因素(ηi)，以及機械效率(ηm)的影響等，熱泵的制熱性能系數(COPh)為：

COPh=ηiηmqkw

考慮驅動熱泵機組壓縮機運行的電動機工作效率(ηmo)，其系統能效比(EER)為：

EER=ηmoCOPh

R22是一種鹵代烴(二氟一氯甲烷)，是目前我國熱泵行業常用的工質，其大規模應用與其良好的熱工特性密切相關。工質的理化性質是影響系統低溫工況下制熱性能的重要因素，結合該行業已廣泛應用R22的現狀特點，在后續研究開發新產品、改進系統設備的過程中仍多基于R22開展[13-14,24]，這樣既縮短了企業的研發周期，也保障了新產品較高的可靠性和穩定性，便于市場推廣應用。因此根據上述理論分析，以工質R22為例進行模擬計算和分析。

模擬系統運行的工況設定蒸發溫度為-30 ℃，冷凝溫度為45 ℃，對采用補氣增焓壓縮的低溫空氣源熱泵循環過程進行熱力計算，結果如圖2所示。

圖2 熱力參數隨補氣比的變化趨勢Fig.2 Trend of thermal parameters at refrigerant injection ratio

從圖2可以看出，隨著補氣回路的工質流量增多，系統的總循環制熱減少，壓縮機消耗的功上升，同時機組的COPh和EER均有所減小。系統工質全部位于主路，即補氣量為0時，系統的制熱量必為最大；當補氣輔路上的工質流量逐漸增多時，系統主路中的工質流量越來越少，造成主路工質從外界環境取熱不足，導致總制熱量降低，因此不可盲目地過多增加補氣量；而系統輸入的壓縮功由于中間補氣后工質總流量的增加，其功耗也必將上升；最終，系統的COPh和EER均出現下降，且在最差模擬工況下(補氣比為0.6)，其COPh也大于2.25，EER高于1.90。

2 低溫空氣源熱泵可行性實施方案

根據低溫空氣源熱泵采用的補氣增焓技術路線，結合不同的用戶需求和運行條件，可實施熱風型和熱水型2種方案。

2.1 熱風型低溫空氣源熱泵采暖方案

熱風型低溫空氣源熱泵結構緊湊，體積適中，安裝方便，占用空間小，制熱能力適用于單個臥室或起居室等獨立房間采暖。目前，熱風型低溫空氣源熱泵主要包括過冷器式、閃發器式、噴射器式3種技術路線和產品。

帶過冷器的熱風型低溫空氣源熱泵的技術實施方案中，補氣回路上增設了1套間壁式換熱器。從冷凝器出來的工質中一小部分先行節流降溫，并冷卻其余的大部分工質，其一方面使主路中的大部分液體實現了過冷，即從熱力狀態4變化到狀態5，增加從外界環境中的取熱量；另一方面為補氣回路中的工質提供了合適的熱力狀態6。匹配的中間補氣壓力、溫度和焓大大改善了工質的內部壓縮過程(圖3)。

注：1—2為一般壓縮過程；2(6)—2′—3為補氣混合壓縮過程；3—4為冷凝過程；4—5為過冷過程；5—5′(4—4′)為節流過程；4′—6(5′—1)為蒸發過程。圖3 帶過冷器的低溫空氣源熱泵系統流程及其熱力變化過程Fig.3 Process of ASHP with a sub-cooler and its trend of thermal state

帶閃發器的熱風型低溫空氣源熱泵系統中，補氣回路上設計1個類似儲液裝置的閃發器。與過冷器相比，閃發器內氣液直接接觸，傳熱和傳質更高效，減少了液體流動過程等部分的不可逆損失。閃發器的結構相對簡單，制造成本低。但其一級節流裝置需處理全部循環工質，加大了膨脹閥的工作容量；且其節流特性既要考慮中間補氣壓力，還需與二級節流裝置耦合工作，以匹配下游的蒸發溫度需要，增加了系統控制的復雜性(圖4)。

注：1—2為一般壓縮過程；2(6)—2′—3為補氣混合壓縮過程；3—4為冷凝過程；4′—5為閃發過程；5—5′(4—4′)為節流過程；4′—6(5′—1)為蒸發過程。圖4 帶閃發器的低溫空氣源熱泵系統流程及其熱力變化過程Fig.4 Process of ASHP with a flash evaporator and its trend of thermal state

帶噴射器的熱風型低溫空氣源熱泵系統是在帶閃發器式熱泵的基礎上發展而來的，其最大的改進在于通過增設噴射器回收利用了補氣回路中的能量損失，降低了中間節流過程產生的不可逆損失。與其他2種實施方案相比，減少了1個膨脹閥，而替代的噴射器無運動部件，系統運行可靠性進一步提高(圖5)。另外，貯液器與閃發器相比較，結構零部件又有所減少，降低了方案的產品設備費用。

注：1—2為一般壓縮過程；2(6)—2′—3為補氣混合壓縮過程；3—4′—4為冷卻冷凝過程；4—5為節流過程；5—6′—1為蒸發噴射混合過程。圖5 帶噴射器的低溫空氣源熱泵系統流程及其熱力變化過程Fig.5 Process of ASHP with an injector and its trend of thermal state

熱風型低溫空氣源熱泵較好地解決了小型供熱采暖場合的需求，同時采用模塊化組合可以滿足部分建筑面積稍大的供暖用戶，該實施方案特別適用于諸如別墅等單體采暖面積較大、且遠離集中供暖中心的建筑項目。

2.2 熱水型低溫空氣源熱泵采暖方案

隨著供熱面積的規模擴大，熱水型低溫空氣源熱泵顯出優勢，熱水型低溫空氣源熱泵可面向多個用戶或用戶的多個空調末端提供采暖熱水，實現類似多聯機一拖多的工作模式。與熱風型熱泵采用渦旋壓縮機不同，其一般采用輸氣量較大的螺桿壓縮機，由于螺桿壓縮機可兼容濕壓縮，因此增焓措施實行過程中可補入熱焓值較低的液態工質或氣液兩態工質，進而增加壓縮階段的工質流量，并提高機組低溫運行工況下的壓縮功和制熱量[25]。但螺桿壓縮機在機組夏季制冷時需噴入一定量的低溫工質，故需設計2個不同的膨脹閥分別用于制冷、制熱；而熱風型熱泵在夏季制冷時通常無需啟用中間壓縮過程的補氣增焓措施，因此，熱風型低溫空氣源熱泵在夏季制冷時只需關閉補氣回路，按照常規普通熱泵簡單切換機組的運行模式即可(圖6)。

注：1—2為一般壓縮過程；2(6)—2′—3為補氣混合壓縮過程；3—4為冷凝過程；4—5為過冷過程；5—5′(4—4′)為節流過程；5′—1(4′—6)為蒸發過程。圖6 熱水型低溫空氣源熱泵系統流程及其熱力變化過程Fig.6 Process of ASHP with warm water supply for cold climate and its trend of thermal state

2.3 熱泵采暖節能環保性

在分析熱泵節能的基礎上，根據我國城鎮化人口率、人口總數、人均能源消耗量、熱泵的節能率等，可對其環保效益(如大氣污染物減排量)進行計算，即：

Z=NφIaX

式中：Z為污染物減排量，t；N為我國人口總數，人；φ為我國城鎮化率人口比例；I為人均能源消耗，kg人(以標煤計)；a為熱泵的節煤率；X為單位能耗所產生的污染物，t。

據統計資料顯示，2012年我國農村地區人均生活用能約為246 kg(以標準煤計)[27]，其中約90%用于冬季采暖[28]；我國城鎮化人口水平已達50%，所以我國農村每年的能源消耗量約為1.722億t(以標準煤計)。按每節約1 t(以標準煤計)能源減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵排放為2.49、0.074、0.037和0.68 t計算，則農村地區采用熱泵采暖方式后，每年可減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵排放約3.86億、0.115億、0.057億和1.05億t。

3 結論

(2)目前低溫空氣源熱泵采用補氣增焓技術發展路線比較成熟可靠，可成為淘汰農村傳統采暖方式或升級換代的優先選擇，且能根據不同的用戶需求提供相應的產品和實施方案(供給熱水或熱風)。

(3)采用補氣增焓技術的低溫空氣源熱泵在蒸發溫度為-30 ℃(環境溫度為-20 ℃)的運行工況下，其理論制熱性能系數(COPh)大于2.25，且系統能效比(EER)高于1.90。未來技術進一步優化完善后，其性能指標還有提高的可能性。

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Heating by air-source heat pump for cold climate in Chinese rural regions

PANG Weike, Lü Lianhong, LUO Hong

Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Based on Chinese rural features, a heating way adopting an air-source heat pump (ASHP) for low cold climate that is a novel and pollution-free technique of energy utilization is proposed. The technique is feasible to replace the traditional heating way of dispersed coal combustion. The air-source heat pump is with a stable and reliable design of adding refrigerant for enthalpy increment. The results showed that under the simulated conditions of the evaporation temperature of -30 ℃, condensing temperature of 45 ℃, and ejecting refrigerant ratio of 0.6, its coefficient of performance (COP) is more than 2.25 and the energy efficiency ratio (EER) is more than 1.90 in theory. During its application in practice, the air-source heat pump could heat by warm air or water to meet with different needs. It is projected that about 386 million tons of carbon dioxide, 11.5 million tons of sulfur dioxide, 5.7 million tons of nitrogen oxide and 105 million tons of powder and dust could be decreased annually if the heat pumps are popularized in Chinese countryside. It can serve as an optimal scheme to phase out the traditional heating way in the countryside.

heating; heat pump; add refrigerant for enthalpy increment; heating COP

2016-08-18

中國工程院重大咨詢項目(2016-ZD-13-01)

龐衛科(1983—)，男，博士，主要從事能源環境技術方面的工作，pangwk@craes.org.cn

*通信作者：羅宏(1964—)，男，研究員，博士，主要從事能源與環境經濟等研究工作，luohong@craes.org.cn

X382

1674-991X(2017)03-0382-06

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.053

龐衛科，呂連宏，羅宏.適用于我國農村地區的低溫空氣源熱泵采暖技術[J].環境工程技術學報,2017,7(3):382-387.

PANG W K, Lü L H, LUO H.Heating by air-source heat pump for cold climate in Chinese rural regions[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):382-387.