淺議空氣源熱泵供暖系統

郭娟

（湖南智謀規劃工程設計咨詢有限責任公司，湖南 株洲 412000）

近年來，北京市為解決冬季燃煤供暖帶來的環境污染問題，率先在農村地區開展“煤改清潔能源”的低溫空氣源熱泵供暖改造。據統計，2016年北京市共完成空氣源熱泵供暖改造15.1萬戶。

隨著人們生活水平的提高，我國長江流域冬季供暖的呼聲越來越大，該地區夏季炎熱、冬季陰冷，全年高濕，室內環境惡劣。為滿足該地區的室內環境的熱舒適性要求，國內學者做了大量研究，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。美國能源部把空氣源熱泵列為21世紀最具節能潛力空調技術措施之一，歐盟在2009年將其納入可再生能源技術范疇，我國業內研究學者也多次建議將其納入可再生能源范疇。

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 空氣源熱泵系統的優化

2.1 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。

2.2 輸配系統優化

空氣源熱泵系統耗電主要來自空氣源熱泵機組和循環水泵。楊強等人選用15個北京地區的空氣源熱泵供暖系統案例進行了性能測試，為期60天。通過典型日的測試分析發現：在定頻系統中采用循環水泵與機組聯動的控制方式，與在變頻系統中循環水泵采用根據供回水溫差變轉速控制方式，都有降低電耗和EHR，達到運行節能的目的。

2.3 末端優化

空氣源熱泵系統末端主要有風機盤管、散熱器、地板輻射等。

我國南方夏熱冬冷地區供暖期短，建筑室內外溫差不大，熱負荷較小，且負荷波動大，具有間歇、局部和多樣化的供暖特點。目前多采用風機盤管做為系統末端，由于氣流組織問題，熱空氣難以送達人員活動區，室內豎向溫度梯度大且有吹風感，與地板輻射供暖相比熱舒適性差，但夏季采用輻射供冷易結露，所以冬夏難統一。

李沛珂等人設計了一種小溫差換熱風機盤管作為空氣源熱泵系統末端，該末端具有厚度薄、低噪、熱效率高等特點，采用小溫差換熱風機盤管的空氣源熱泵系統可有效降低熱泵機組在冬季的冷凝溫度，提升系統的性能系數。

我國北方地區多采用散熱器、地板輻射盤管等持續供暖時間長，供暖效果更好的末端形式。

潘雷剛等人對北京地區采用不同末端形式的典型案例進行經濟性對比發現：新、舊散熱器、地板輻射盤管的折算費用年值分別為21.11，24.17，17.00元/m2。

唐海達等人對空氣源熱泵系統末端為混凝土輻射地板和風機盤管供暖效果和系統性能進行了測試，結果表明：在持續供暖情況下，地板輻射供暖的熱舒適性優于風機盤管供暖；在相同室溫時，兩者的供熱量相當，而前者的系統能效比后者高14%；在間歇供暖情況下，風機盤管具有更快速的啟動性能，熱響應時間短，熱舒適性更好。

3 結語

為提高空氣源熱泵系統的供熱能效，主要從以下幾個方面著手。

（1）高效的空氣源熱泵機組、末端設備的研制優化。

（2）統一產品標準，針對不同的系統末端形式，制定相應的空氣源熱泵產品標準，如采用地板供暖的空氣源熱泵系統，由于地板供暖的供水溫度低，若采用出水溫度較高的空氣源熱泵機組，則不利于系統的節能。

（3）合理的系統配置，空氣源熱泵系統的末端應根據建筑使用情況和地區氣候特點合理選擇，當房間以連續供暖為主時，可采用輻射末端；當房間以間歇供暖為主時，可選用輻射供暖和對流供暖的高效末端產品，如小溫差換熱風機盤管等。

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。