低溫環境下空氣源熱泵的研究現狀及展望

吳衛平+魏忠鑫+竇秀華

摘 要：空氣源熱泵作為一種新型的節能減排環保裝置，具有十分廣泛的應用前景和前途。但是在低溫環境下，空氣源熱泵的工作性能十分不穩定，而且制熱效率比較低，這些弊端都阻礙了空氣源熱泵的進一步推廣。本文總結了國內外的研究現狀，進一步研究了低溫環境下空氣源熱泵的相關改善措施，分析了相關的數據，并根據最新的研究現狀，對今后的研究方向做出了新的展望。

關鍵詞：低溫環境；空氣源熱泵；現狀；展望

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.245

0 引言

空氣源熱泵通過少量的高位電能做驅動，將空氣中的低位熱能進一步提升為高位熱能，將空氣中的能量加以利用。這一裝置具有節能減排、高效無污染的優勢，而空氣源熱泵作為一種新型的產品，在節能減排、降低對化石燃料依賴程度方面將擁有無限的發展潛力。雖然空氣源熱泵的運行效能比較好，但是在低溫環境中空氣源熱泵系統并不能高效穩定的運行。究其原因，主要有以下幾點：隨著蒸發溫度的降低，壓縮比增大，致使排氣溫度過高，嚴重的時候可能導致壓縮機燒毀；低溫環境下，蒸發器表面容易結霜，空氣流動阻力不斷增加，導致制熱量減少，從而導致性能下降；低溫下，由于潤滑油積存于氣液分離器中，而粘度不斷增加導致啟動失油，進而降低了潤滑效果。

1 關于低溫環境下空氣源熱泵的國內外研究現狀

由于在低溫環境下，空氣源熱泵具有很多的弊端，而國內外的學者對其進行了大量的研究，其中包括以下幾個方面：

補氣増焓熱泵系統能夠有效改善低溫環境下的制冷效果，進而降低壓縮機的排氣溫度、提高制冷效果，以達到節能減排的目的。有相關學者發現在-10℃～-15℃的低溫環境下，補氣増焓熱泵系統具有良好的制熱效果和供暖溫度，能夠滿足北方地區的冬季采暖。但是隨著溫度的不斷升高，補氣性能的效果卻逐漸變差。在低溫環境下，帶閃發器的熱泵系統比帶過冷器的熱泵系統更能夠滿足寒冷地區的供熱需求，但是該系統卻僅僅適合小型的空氣源熱泵系統。經過大量的研究現狀表明，噴液冷卻的壓縮機引入輔助換熱和性能優良的混合工質之后，空氣源熱泵系統的低溫適應性進一步得到提高，但是該系統的可靠性卻沒有得到改善，因此補氣増焓熱泵系統的應用仍需要研究。

雙級壓縮式熱泵循環系統進一步提高了低溫環境下的性能，可以有效降低排氣溫度過高、壓力比過大的一系列問題。相關學者通過實驗得出了一系列的相關數據：雙級壓縮式熱泵循環系統比單級壓縮式熱泵循環系統的性能系數更高，但是由于實驗環境的局限性和方案實際操作的復雜性，并不能完全證實雙級壓縮式熱泵循環系統的優勢。而在實驗中，雙級壓縮式熱泵循環系統也暴露出一定的弊端，最佳中間壓力也未得到證實，因此在今后的研究中應該傾向于最佳中間壓力的相關問題。

復疊式空氣源熱泵系統將高溫制冷劑與低溫制冷劑相結合，使其能夠在最佳的溫度范圍內工作，直到目前為止，對于復疊式空氣源熱泵系統的研究主要以制冷效率為目標，充分利用熱力學理論的相關知識，選取最佳的中間冷凝溫度。相關學者在研究中發現，復疊式空氣源熱泵系統相比于其他空氣源熱泵系統具有一定的發展前景，但是在今后的研究中，需要將更多的精力放在潤滑油的高溫分解方面。同樣，為了解決冷凝換熱欠佳的現狀，相關學者做了大量的研究和實驗，對復疊式空氣源熱泵系統的動態耦合過程不斷優化。

2 對低溫環境下空氣源熱泵的展望

空氣源熱泵系統具有高效、節能、減排的優勢，因此具有無限的市場前景。隨著科學技術的不斷進步，空氣源熱泵系統的功能日趨多樣，因此對產品的可靠性提出了更高的要求。學者們通過對低溫環境下空氣源熱泵系統的研究，對這一具有無限市場潛力新型技術系統的未來發展做出了展望。

如果過度提高制冷劑將會產生一系列的溫室效應，破壞臭氧層，因此必須尋找更高效、環保的適用于低溫環境的制冷劑。我國與西方多個國家進行合作，積極制定二氧化碳制冷壓縮機的性能測試方法，這將推動我國制冷技術的進一步發展。

我國很多高校對蓄熱型熱泵做了大量的研究工作，將蓄熱技術充分應用于提供能源利用效率和環保方面，以解決熱能供給的相關矛盾。有效利用蓄熱型熱泵技術的利用，能夠提高熱泵系統的高效運轉，將相變材料與熱泵技術相結合，發揮各自的優勢，進而提高低溫環境下空氣源熱泵系統的性能。

在今后的實踐中，將進一步開發適合低溫環境下的空氣源熱泵系統，利用現代科技的發展，完善系統的動態仿真。學者在與相關的實驗進行結合之后，對系統不斷優化，進而使系統的制熱效率和穩定性不斷增強。

空氣源熱泵系統在低溫環境中運行，蒸發器表面的面霜導致制熱能力不斷下降，進而阻礙了空氣源熱泵系統的穩定性，因此除霜是提高空氣源熱泵系統在低溫環境中性能的有效途徑。電熱除霜由于操作簡單、除霜完全，被廣泛使用，但是耗電量大，并不能應用于大型的裝置中。逆循環除霜簡單易行、除霜效果十分好，但是系統的穩定性極差、得不到有效的控制。眾多學者在比較分析之后認為，相變蓄能系統能夠縮短除霜時間、能耗較少、系統的穩定性較高，因此在解決除霜技術這一方面這一技術能夠更好的應用于實踐中。

3 結論

縱觀國內外研究，人們對空氣源熱泵系統有了較深的認識，尤其隨著環保意識的增強，致使空氣源熱泵系統受到更多的關注。但是在實際的推廣應用中，低溫環境影響了空氣源熱泵系統的性能。因此，眾多的國內外學者分析了低溫環境下空氣源熱泵系統存在的弊端，并提出了相關的改善措施，并作出了積極的展望。為了解決世界環境問題，對空氣源熱泵系統將作出進一步的研究，并致力于提高其運行性能，進而實現節能減排的目標，為創新型國家探索新的發展道路。

參考文獻：

[1]王灃浩，王志華，鄭煜鑫，郝吉波.低溫環境下空氣源熱泵的研究現狀及展望[J].制冷學報，2013（05）：47-54.

[2]黎天標.直凝式空氣源熱泵地暖系統研究[D].廣東工業大學，2016.

作者簡介：吳衛平（1959-），男，山東青島人，碩士研究生，主要從事企業管理和超低溫空氣源熱泵恒溫系統的研究與開發工作。endprint