空氣源熱泵空調技術應用現狀及發展前景

王卓 梁琦

關鍵詞 雙碳 空氣源熱泵空調 循環構建 除霜 節能減排

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）05-0052-03

2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取2060年前實現碳中和”。由此，“碳達峰、碳中和”“雙碳”等關鍵詞在學術界、工程界引起了廣泛關注。作為建筑能源應用領域的踐行者，需要了解建筑行業、暖通空調行業在全國總碳排放中的占比情況，應在所在領域盡可能地踐行建筑低碳、節能的目標，為“碳達峰、碳中和”貢獻力量。

1 空氣源熱泵技術的原理

空氣源熱泵屬于先進性較高的新型能源技術，與太陽能技術及地能技術有著較多的相似之處，兩種技術均對周圍環境中的免費能源進行合理利用，且均具有非常好的節能環保效果。空氣源熱泵系統的結構主要由壓縮裝置、蒸發裝置、冷凝裝置及節流裝置等結構組成。空氣源熱泵根據容量可劃分為小型機組、中型機組和大型機組，根據機組的組合方式則可分為整體式及模塊化等類型。空氣源熱泵的工作原理主要是利用了卡諾循環和逆卡諾循環，即由定溫過程和絕熱過程組合而成的可逆的熱力循環，其中，逆卡諾循環主要是利用循環過程中的放熱特性實現熱泵需求，是通過技術手段使低位熱源向高位熱源流動的能源利用過程。空氣源熱泵在運行過程中，主要是利用蒸發器吸取周圍環境中的熱能對傳熱工質進行蒸發處理，然后通過壓縮裝置增加傳熱工質的溫度及壓力，并在經過冷凝裝置時利用傳熱工質的熱量對熱泵水箱內的水進行加熱，從而達到空氣源熱泵的加熱目的，而傳熱工質在完成熱量傳遞任務后經由閥門返回蒸發裝置處，并開始下一循環的加壓、升溫和傳熱工作[1]。

2 空氣源熱泵空調的研究現狀

2.1 循環構建

空氣源熱泵空調兼具冬季熱泵供暖和夏季空調制冷的功能，冬季供暖時環境溫度可以從0℃以上變化到-15℃甚至更低，要應對極端惡劣天氣，熱泵需要有良好的低溫運行性能。為提高空氣源熱泵空調的低溫適應性和經濟性，學者們對單級壓縮熱泵循環進行改進，提出了準二級壓縮熱泵循環、雙級壓縮熱泵循環、復疊式熱泵循環、多源耦合熱泵循環及空氣源熱泵空調-蓄熱/冷系統等。

2.1.1 準二級壓縮熱泵循環

準二級壓縮循環的核心是中間補氣技術，以補氣壓縮機為基礎，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。根據經濟器類型可將準二級壓縮熱泵循環分為過冷器循環和閃發器循環。由于閃發器循環的中間補氣狀態相較過冷器循環更接近飽和氣態，能夠進一步降低壓縮機的排氣溫度，因此可獲得更好的循環性能系數（COP）。

某學者認為中間補氣技術可使熱泵系統制熱量增加30%以上，COP提高10%以上。某學者通過試驗發現閃蒸器系統在-15～-10℃的低溫環境下仍有較高的制熱能力和供暖效率，能夠滿足寒冷地區冬季的制熱需求，而且隨著室外溫度的降低，準二級壓縮系統的優勢愈發明顯。Heo等對一種帶有閃蒸罐的準二級壓縮空氣源熱泵空調進行研究，研究結果表明中間補氣量越多，熱泵的制熱能力越好，但閃蒸罐的工作效率會隨之降低。某學者們發現中間補氣技術能夠提高系統的COP，但隨著蒸發溫度的提高，補氣效果會減弱，當蒸發溫度高于-10℃時，中間補氣的效果可忽略不計。某學者將帶過冷器的準二級壓縮熱泵與單級熱泵性能進行了對比，對比結果表明當蒸發溫度從-5℃降低至-20℃時，準二級熱泵的制熱量增加15%～30%，COP提高9%～19%，耗功僅上升約10%。某學者通過測試總結出中間補氣的準雙級壓縮熱泵是優良的低溫熱泵，其實測性能良好、運行可靠。因此，準二級熱泵適用于低蒸發溫度、大壓縮比的場合，可在北方嚴寒地區室外溫度低于-25℃的環境下運行，但不能根本解決壓縮機壓比過大、排氣溫度高等問題，且隨著蒸發溫度的上升，準二級壓縮循環的優勢逐漸變小，目前研究范圍局限在低溫供暖。

2.1.2 雙級壓縮熱泵循環

雙級壓縮熱泵循環將壓縮過程分為兩段：低壓壓縮機先將制冷劑壓縮至中間壓力，經過中間冷卻后再進入高壓壓縮機將制冷劑壓縮至冷凝壓力，最后從壓縮機排氣口排出。雙級壓縮熱泵循環可以分為一級節流中間完全冷卻、一級節流中間不完全冷卻、兩級節流中間完全冷卻和兩級節流中間不完全冷卻。

某學者對特定工況下四種雙級壓縮循環分別進行了試驗分析，分析結果表明：盡管中間完全冷卻能夠獲得更低的排氣溫度，但補氣量的增加會使低壓壓縮機的循環量減少，導致整個系統的COP降低;同時相較于一級節流，兩級節流能夠減少制冷劑在節流過程中的不可逆損失。兩級節流中間不完全冷卻可以作為一種比較理想的循環方式應用在低溫環境下的空氣源熱泵空調系統中，其COP相對較好。

雖然雙級壓縮循環能夠降低各級壓縮的壓比以及壓縮機排氣溫度，具有更優的COP，但也存在高/低壓級壓縮機回油不均、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、傳播方向強等眾多優點，開始受到學者的關注，制冷行業主要利用其振動效應進行抑霜/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生變形、鋪展，當液膜厚度減小到一定值時，液滴瞬間被霧化，從而除去冷表面上的液滴，避免結霜。在前期研究的基礎上，文獻研究了不同超聲功率對冷表面凍結液滴脫落效果的影響，發現超聲功率在100～1000W內時，冷表面去除凍結液滴的概率逐漸增大，而且隨著凍結液滴尺寸的增大，超聲功率去除凍結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，進行了不同條件下的抑霜實驗研究，與其他涂上抑霜親水涂料的翅片表面進行比較，結果表明，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的時間，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合結構的超疏水翅片，結霜初期，液滴在該翅片表面凝結呈Cassie狀態，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，霜層與翅片實際接觸面積小，被霜層覆蓋后，超疏水翅片仍能抑制結霜層的生長[2]。

Liu等制作了一種類似荷葉表面結構的超疏水表面，接觸角高達162°，該表面比普通表面霜晶出現的時間延遲55min以上。Shen等在四個具有不同微觀特征的表面上觀察了結霜和除霜過程，與未處理的疏水表面相比，超疏水微觀結構表面具有優異的抗結霜性能。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行結霜實驗，在有液核成霜時，超疏水表面結霜明顯減少，而無液核成霜時，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，使得整個結霜過程延后，在冷面溫度為-5℃，進行實驗10min時，超疏水表面的霜層高度只有普通鋁表面的35%，但當冷壁面溫度持續降低，相變驅動能近似呈線性增長，使得水蒸氣轉化為冷凝水珠的時間減少，導致超疏水表面的抑霜性能有所削弱。

2.2.3 改變空氣參數

空氣溫度、濕度是影響結霜的主要參數。升高濕空氣的溫度能抑制結霜，Kwak等在室外蒸發器進風口處前增加電加熱器對空氣進行加熱，與常規熱泵相比，其供熱能力提高了38.0%，COP提高了57.0%，但使用電加熱器進行預熱空氣存在耗能過大的問題，難以推廣使用。然而，Huang等設計了一種集熱器，該集熱器將壓縮機殼體散發的熱量進行回收，用于加熱蒸發器入口的空氣，實驗表明，此方法能顯著地抑霜和改善空氣源熱泵系統的整體性能，該方法不用增加額外的預熱空氣能耗，具有較好的節能效果。減小室外蒸發器進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、電化學法等手段對空氣中的水蒸氣進行吸收或吸附。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，該系統在空氣進入蒸發器前，通過對空氣進行除濕來延緩結霜。Wang等在蒸發器空氣入口處放置固體干燥劑，空氣經過固體干燥劑后，既降低了含濕量又提高了溫度，使環境參數低于結霜條件來實現熱泵機組的無霜運行。但當室外空氣溫度長時間較低、相對濕度過大時，干燥劑再生所需能耗將增大，這將導致系統能耗升高、性能降低。因此，郝鵬飛等在傳統固體除濕系統的基礎上，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行再生，保證系統的持續運行，系統在溫度為0℃、相對濕度為85%的工況下，可以無霜運行34min，有效地解決了干燥劑再生能耗過高問題。但該系統較復雜、設備體積大、不易與固體干燥劑除濕系統相比，液體除濕系統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。Kinsara等提出了一種使用CaC12溶液作為液體干燥劑的系統對換熱器入口空氣進行除濕，該系統能較好地抑霜，結霜過程顯著延緩。Suwei等采用液-氣膜除濕器對進入蒸發器的空氣進行除濕，防止蒸發器表面結霜，然后通過液-氣膜再生器對稀釋溶液進行再生，從而達到持續抑霜的效果[3]。

3 空調冷熱源方案優化

根據學校建筑空調系統的使用特點，結合校方的意見，本項目地上部分（均為各教學功能用房）建筑空調系統均采用變制冷劑流量多聯式空調（熱泵）機組，室外機均設置于屋頂。地下功能區域不適宜采用多聯式空調（熱泵）機組，原因如下：

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

2.制冷劑管長度較長會導致多聯式空調（熱泵）機組性能衰減。

3.屋頂多處安裝室外機與其他設施如太陽能系統等存在沖突。

地下建筑面積5.6萬m2，需要設置空調的功能區建筑面積近3萬m2。另外，根據學校近兩年已建好并投入使用的綜合教學樓和第一教學樓使用情況，地下室區域在過渡季出現了一定的霉味，每年黃梅季尤其明顯。因此，本次設計地下室空調系統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，故整個地下室范圍空調水系統采用四管制。

4 空氣源熱泵空調的未來發展趨勢

為提高空氣源熱泵空調的性能，可通過優化系統部件、優化系統、改進除霜方法、采用新工質等實現。通過采用高效的壓縮機和換熱技術，擴寬系統運行范圍，在大溫差工況下保持系統的穩定性和可靠性;通過深入研究熱泵系統理論機理，優化設計空氣源熱泵空調系統，開發新型空氣源熱泵空調系統等，使制熱量、COP等得到提升;通過深入研究結霜機理、提出新的除霜方法、優化除霜控制等措施來改善低溫運行性能;通過研究制冷劑的熱物性、研發綠色高效的新型制冷劑來促進空氣源熱泵空調技術的發展。

5 結語

通過對空調水系統的改進，實現了空氣源熱泵低溫制熱，在保證使用的情況下，確保了系統的高效運行，這是一種有效實現節能減排的方法，對于類似工程具有很好的參考價值。

參考文獻：

[1] 張朝暉，王若楠，劉慧成，等.新冠疫情下制冷空調行業應對挑戰的思考[J].制冷與空調，2021，21（01）：1-6，19.

[2] 張偉濤，馮蛟杰.關于新能源概念界定的探討[J].商品與質量，2012（S5）：308.

[3] 劉旭.多聯機與空氣源熱泵空調系統舒適性及經濟性[J].煤氣與熱力，2020，40（06）：12-14，42.