空氣源熱泵空調(diào)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

王 卓 梁 琦

（沈陽恒久安泰環(huán)保與節(jié)能科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

2020 年9 月22 日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。由此，“碳達(dá)峰、碳中和”“雙碳”等關(guān)鍵詞在學(xué)術(shù)界、工程界引起了廣泛關(guān)注。作為建筑能源應(yīng)用領(lǐng)域的踐行者，需要了解建筑行業(yè)、暖通空調(diào)行業(yè)在全國總碳排放中的占比情況，應(yīng)在所在領(lǐng)域盡可能地踐行建筑低碳、節(jié)能的目標(biāo)，為“碳達(dá)峰、碳中和”貢獻(xiàn)力量。

1 空氣源熱泵技術(shù)的原理

空氣源熱泵屬于先進(jìn)性較高的新型能源技術(shù)，與太陽能技術(shù)及地能技術(shù)有著較多的相似之處，兩種技術(shù)均對周圍環(huán)境中的免費(fèi)能源進(jìn)行合理利用，且均具有非常好的節(jié)能環(huán)保效果?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由壓縮裝置、蒸發(fā)裝置、冷凝裝置及節(jié)流裝置等結(jié)構(gòu)組成。空氣源熱泵根據(jù)容量可劃分為小型機(jī)組、中型機(jī)組和大型機(jī)組，根據(jù)機(jī)組的組合方式則可分為整體式及模塊化等類型?？諝庠礋岜玫墓ぷ髟碇饕抢昧丝ㄖZ循環(huán)和逆卡諾循環(huán)，即由定溫過程和絕熱過程組合而成的可逆的熱力循環(huán)，其中，逆卡諾循環(huán)主要是利用循環(huán)過程中的放熱特性實(shí)現(xiàn)熱泵需求，是通過技術(shù)手段使低位熱源向高位熱源流動的能源利用過程?？諝庠礋岜迷谶\(yùn)行過程中，主要是利用蒸發(fā)器吸取周圍環(huán)境中的熱能對傳熱工質(zhì)進(jìn)行蒸發(fā)處理，然后通過壓縮裝置增加傳熱工質(zhì)的溫度及壓力，并在經(jīng)過冷凝裝置時(shí)利用傳熱工質(zhì)的熱量對熱泵水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱，從而達(dá)到空氣源熱泵的加熱目的，而傳熱工質(zhì)在完成熱量傳遞任務(wù)后經(jīng)由閥門返回蒸發(fā)裝置處，并開始下一循環(huán)的加壓、升溫和傳熱工作[1]。

2 空氣源熱泵空調(diào)的研究現(xiàn)狀

2.1 循環(huán)構(gòu)建

空氣源熱泵空調(diào)兼具冬季熱泵供暖和夏季空調(diào)制冷的功能，冬季供暖時(shí)環(huán)境溫度可以從0℃以上變化到-15℃甚至更低，要應(yīng)對極端惡劣天氣，熱泵需要有良好的低溫運(yùn)行性能。為提高空氣源熱泵空調(diào)的低溫適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，學(xué)者們對單級壓縮熱泵循環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，提出了準(zhǔn)二級壓縮熱泵循環(huán)、雙級壓縮熱泵循環(huán)、復(fù)疊式熱泵循環(huán)、多源耦合熱泵循環(huán)及空氣源熱泵空調(diào)-蓄熱/冷系統(tǒng)等。

2.1.1 準(zhǔn)二級壓縮熱泵循環(huán)

準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)的核心是中間補(bǔ)氣技術(shù)，以補(bǔ)氣壓縮機(jī)為基礎(chǔ)，通過中間壓力吸氣口吸入一部分中間壓力的制冷劑，與部分已壓縮的制冷劑混合再壓縮，增加冷凝器中制冷劑的流量，提升制熱能力。根據(jù)經(jīng)濟(jì)器類型可將準(zhǔn)二級壓縮熱泵循環(huán)分為過冷器循環(huán)和閃發(fā)器循環(huán)。由于閃發(fā)器循環(huán)的中間補(bǔ)氣狀態(tài)相較過冷器循環(huán)更接近飽和氣態(tài)，能夠進(jìn)一步降低壓縮機(jī)的排氣溫度，因此可獲得更好的循環(huán)性能系數(shù)（COP）。

某學(xué)者認(rèn)為中間補(bǔ)氣技術(shù)可使熱泵系統(tǒng)制熱量增加30%以上，COP 提高10%以上。某學(xué)者通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)閃蒸器系統(tǒng)在-15～-10℃的低溫環(huán)境下仍有較高的制熱能力和供暖效率，能夠滿足寒冷地區(qū)冬季的制熱需求，而且隨著室外溫度的降低，準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。Heo 等對一種帶有閃蒸罐的準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵空調(diào)進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明中間補(bǔ)氣量越多，熱泵的制熱能力越好，但閃蒸罐的工作效率會隨之降低。某學(xué)者們發(fā)現(xiàn)中間補(bǔ)氣技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的COP，但隨著蒸發(fā)溫度的提高，補(bǔ)氣效果會減弱，當(dāng)蒸發(fā)溫度高于-10℃時(shí)，中間補(bǔ)氣的效果可忽略不計(jì)。某學(xué)者將帶過冷器的準(zhǔn)二級壓縮熱泵與單級熱泵性能進(jìn)行了對比，對比結(jié)果表明當(dāng)蒸發(fā)溫度從-5℃降低至-20℃時(shí)，準(zhǔn)二級熱泵的制熱量增加15%～30%，COP 提高9%～19%，耗功僅上升約10%。某學(xué)者通過測試總結(jié)出中間補(bǔ)氣的準(zhǔn)雙級壓縮熱泵是優(yōu)良的低溫?zé)岜?，其?shí)測性能良好、運(yùn)行可靠。因此，準(zhǔn)二級熱泵適用于低蒸發(fā)溫度、大壓縮比的場合，可在北方嚴(yán)寒地區(qū)室外溫度低于-25℃的環(huán)境下運(yùn)行，但不能根本解決壓縮機(jī)壓比過大、排氣溫度高等問題，且隨著蒸發(fā)溫度的上升，準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)的優(yōu)勢逐漸變小，目前研究范圍局限在低溫供暖。

2.1.2 雙級壓縮熱泵循環(huán)

雙級壓縮熱泵循環(huán)將壓縮過程分為兩段：低壓壓縮機(jī)先將制冷劑壓縮至中間壓力，經(jīng)過中間冷卻后再進(jìn)入高壓壓縮機(jī)將制冷劑壓縮至冷凝壓力，最后從壓縮機(jī)排氣口排出。雙級壓縮熱泵循環(huán)可以分為一級節(jié)流中間完全冷卻、一級節(jié)流中間不完全冷卻、兩級節(jié)流中間完全冷卻和兩級節(jié)流中間不完全冷卻。

某學(xué)者對特定工況下四種雙級壓縮循環(huán)分別進(jìn)行了試驗(yàn)分析，分析結(jié)果表明：盡管中間完全冷卻能夠獲得更低的排氣溫度，但補(bǔ)氣量的增加會使低壓壓縮機(jī)的循環(huán)量減少，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的COP 降低；同時(shí)相較于一級節(jié)流，兩級節(jié)流能夠減少制冷劑在節(jié)流過程中的不可逆損失。兩級節(jié)流中間不完全冷卻可以作為一種比較理想的循環(huán)方式應(yīng)用在低溫環(huán)境下的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，其COP 相對較好。

雖然雙級壓縮循環(huán)能夠降低各級壓縮的壓比以及壓縮機(jī)排氣溫度，具有更優(yōu)的COP，但也存在高/低壓級壓縮機(jī)回油不均、最佳中間壓力難以確定和溫跨范圍受到限制等問題。

2.2 除霜

2.2.1 超聲波振動抑霜

近年來，超聲波由于其具有頻率高、波長短、能量集中、傳播方向強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，開始受到學(xué)者的關(guān)注，制冷行業(yè)主要利用其振動效應(yīng)進(jìn)行抑霜/除霜研究。李棟等在鋁表面施加頻率為20kHz 的超聲波，與無超聲波作用的冷表面相比，該冷表面上的液滴由于超聲波作用受到劇烈擾動產(chǎn)生變形、鋪展，當(dāng)液膜厚度減小到一定值時(shí)，液滴瞬間被霧化，從而除去冷表面上的液滴，避免結(jié)霜。在前期研究的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)研究了不同超聲功率對冷表面凍結(jié)液滴脫落效果的影響，發(fā)現(xiàn)超聲功率在100～1000W 內(nèi)時(shí)，冷表面去除凍結(jié)液滴的概率逐漸增大，而且隨著凍結(jié)液滴尺寸的增大，超聲功率去除凍結(jié)液滴的效果更加顯著。

2.2.2 改變翅片表面特性

目前，通過改變翅片表面特性以延緩結(jié)霜的研究較多，主要分為親水性涂層與疏水性表面的研究。親水性表面較早應(yīng)用于抑霜研究，勾昱君等在翅片表面涂上自行研制的親水性涂料，進(jìn)行了不同條件下的抑霜實(shí)驗(yàn)研究，與其他涂上抑霜親水涂料的翅片表面進(jìn)行比較，結(jié)果表明，新型親水涂料的抑霜效果有明顯提升；翟玉玲等研制的新型親水抑霜涂層在低溫高濕的條件下，可以有效延長霜層出現(xiàn)的時(shí)間，涂上該涂層的表面與未加涂層相同面積的表面相比，霜量減少達(dá)40%以上。親水性涂層能有效抑霜，但其抑霜能力會隨著霜層增厚和使用時(shí)間增加而明顯下降，在惡劣工況下，抑霜效果會大打折扣，因此目前較多學(xué)者把重心放在疏水與超疏水翅片的研究上。汪峰等制備了具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水翅片，結(jié)霜初期，液滴在該翅片表面凝結(jié)呈Cassie 狀態(tài)，分布稀疏，比較親水翅片與該種超疏水翅片表面霜層生長情況，超疏水翅片表面比親水翅片表面的霜層生長速度慢，在超疏水翅片表面，霜層與翅片實(shí)際接觸面積小，被霜層覆蓋后，超疏水翅片仍能抑制結(jié)霜層的生長[2]。

Liu 等制作了一種類似荷葉表面結(jié)構(gòu)的超疏水表面，接觸角高達(dá)162°，該表面比普通表面霜晶出現(xiàn)的時(shí)間延遲55min 以上。Shen 等在四個(gè)具有不同微觀特征的表面上觀察了結(jié)霜和除霜過程，與未處理的疏水表面相比，超疏水微觀結(jié)構(gòu)表面具有優(yōu)異的抗結(jié)霜性能。趙玲倩等利用控制表面氧化法制備超疏水表面，自然對流條件下，在超疏水性表面和豎直放置的裸銅表面上進(jìn)行結(jié)霜實(shí)驗(yàn)，在有液核成霜時(shí)，超疏水表面結(jié)霜明顯減少，而無液核成霜時(shí)，超疏水表面失去抑霜功能，且霜晶生長密度更大。魯祥友等制備的超疏水鋁表面，結(jié)霜初期，由于超疏水表面接觸角較大，生成相同半徑液滴的能量勢壘較大，因此生成冷凝水滴的速度較慢，而由于冷凝水滴直徑較小，使得整個(gè)結(jié)霜過程延后，在冷面溫度為-5℃，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)10min 時(shí)，超疏水表面的霜層高度只有普通鋁表面的35%，但當(dāng)冷壁面溫度持續(xù)降低，相變驅(qū)動能近似呈線性增長，使得水蒸氣轉(zhuǎn)化為冷凝水珠的時(shí)間減少，導(dǎo)致超疏水表面的抑霜性能有所削弱。

2.2.3 改變空氣參數(shù)

空氣溫度、濕度是影響結(jié)霜的主要參數(shù)。升高濕空氣的溫度能抑制結(jié)霜，Kwak 等在室外蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口處前增加電加熱器對空氣進(jìn)行加熱，與常規(guī)熱泵相比，其供熱能力提高了38.0%，COP 提高了57.0%，但使用電加熱器進(jìn)行預(yù)熱空氣存在耗能過大的問題，難以推廣使用。然而，Huang 等設(shè)計(jì)了一種集熱器，該集熱器將壓縮機(jī)殼體散發(fā)的熱量進(jìn)行回收，用于加熱蒸發(fā)器入口的空氣，實(shí)驗(yàn)表明，此方法能顯著地抑霜和改善空氣源熱泵系統(tǒng)的整體性能，該方法不用增加額外的預(yù)熱空氣能耗，具有較好的節(jié)能效果。減小室外蒸發(fā)器進(jìn)口處空氣的濕度可以抑霜，主要思想是使用固體或液體干燥劑、膜式除濕機(jī)、電化學(xué)法等手段對空氣中的水蒸氣進(jìn)行吸收或吸附。Zhang 等提出一種集成固體干燥劑的無霜空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在空氣進(jìn)入蒸發(fā)器前，通過對空氣進(jìn)行除濕來延緩結(jié)霜。Wang 等在蒸發(fā)器空氣入口處放置固體干燥劑，空氣經(jīng)過固體干燥劑后，既降低了含濕量又提高了溫度，使環(huán)境參數(shù)低于結(jié)霜條件來實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組的無霜運(yùn)行。但當(dāng)室外空氣溫度長時(shí)間較低、相對濕度過大時(shí)，干燥劑再生所需能耗將增大，這將導(dǎo)致系統(tǒng)能耗升高、性能降低。因此，郝鵬飛等在傳統(tǒng)固體除濕系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加蓄熱裝置回收冷凝余熱，干燥劑吸收蓄熱材料釋放的熱量進(jìn)行再生，保證系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)在溫度為0℃、相對濕度為85%的工況下，可以無霜運(yùn)行34min，有效地解決了干燥劑再生能耗過高問題。但該系統(tǒng)較復(fù)雜、設(shè)備體積大、不易與固體干燥劑除濕系統(tǒng)相比，液體除濕系統(tǒng)具有溶液再生溫度要求更低，再生能源可由低品位熱源提供等特點(diǎn)。Kinsara 等提出了一種使用CaC12 溶液作為液體干燥劑的系統(tǒng)對換熱器入口空氣進(jìn)行除濕，該系統(tǒng)能較好地抑霜，結(jié)霜過程顯著延緩。Suwei 等采用液-氣膜除濕器對進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣進(jìn)行除濕，防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜，然后通過液-氣膜再生器對稀釋溶液進(jìn)行再生，從而達(dá)到持續(xù)抑霜的效果[3]。

3 空調(diào)冷熱源方案優(yōu)化

根據(jù)學(xué)校建筑空調(diào)系統(tǒng)的使用特點(diǎn)，結(jié)合校方的意見，本項(xiàng)目地上部分（均為各教學(xué)功能用房）建筑空調(diào)系統(tǒng)均采用變制冷劑流量多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）機(jī)組，室外機(jī)均設(shè)置于屋頂。地下功能區(qū)域不適宜采用多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）機(jī)組，原因如下：

1.為盡可能減小制冷劑管長度，需要多處分散設(shè)置室外機(jī)，且占用屋頂面積過大，導(dǎo)致屋頂綠化面積減少。

2.制冷劑管長度較長會導(dǎo)致多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）機(jī)組性能衰減。

3.屋頂多處安裝室外機(jī)與其他設(shè)施如太陽能系統(tǒng)等存在沖突。

地下建筑面積5.6 萬m2，需要設(shè)置空調(diào)的功能區(qū)建筑面積近3萬m2。另外，根據(jù)學(xué)校近兩年已建好并投入使用的綜合教學(xué)樓和第一教學(xué)樓使用情況，地下室區(qū)域在過渡季出現(xiàn)了一定的霉味，每年黃梅季尤其明顯。因此，本次設(shè)計(jì)地下室空調(diào)系統(tǒng)需要具備過渡季除濕功能，特別是滿足黃梅季除濕和再熱需求，故整個(gè)地下室范圍空調(diào)水系統(tǒng)采用四管制。

4 空氣源熱泵空調(diào)的未來發(fā)展趨勢

為提高空氣源熱泵空調(diào)的性能，可通過優(yōu)化系統(tǒng)部件、優(yōu)化系統(tǒng)、改進(jìn)除霜方法、采用新工質(zhì)等實(shí)現(xiàn)。通過采用高效的壓縮機(jī)和換熱技術(shù)，擴(kuò)寬系統(tǒng)運(yùn)行范圍，在大溫差工況下保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；通過深入研究熱泵系統(tǒng)理論機(jī)理，優(yōu)化設(shè)計(jì)空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，開發(fā)新型空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)等，使制熱量、COP 等得到提升；通過深入研究結(jié)霜機(jī)理、提出新的除霜方法、優(yōu)化除霜控制等措施來改善低溫運(yùn)行性能；通過研究制冷劑的熱物性、研發(fā)綠色高效的新型制冷劑來促進(jìn)空氣源熱泵空調(diào)技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)語

通過對空調(diào)水系統(tǒng)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了空氣源熱泵低溫制熱，在保證使用的情況下，確保了系統(tǒng)的高效運(yùn)行，這是一種有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的方法，對于類似工程具有很好的參考價(jià)值。