低溫空氣源熱泵在嚴寒地區的應用

尹澤鋒 趙巖 劉學金

摘要：如今，我國以可持續發展為核心，全面實施煤改電策略，倡導利用可再生清潔型能源，助力綠色采暖供熱，空氣源熱泵被廣泛應用。其作為可再生能源產品之一，結構較為簡單，且具有高效、節能、無污染的綜合優勢，可以在一定程度上替代煤炭。目前，低溫空氣源熱泵在部分情況下難以發揮應有的作用。為此，本文將對其在嚴寒地區的應用進行分析和論述，并結合現狀提出具體的優化策略，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞：低溫空氣源熱泵；應用

低溫空氣源熱泵是當前綠色可持續發展背景下的常用產品之一，應用領域十分廣泛，彌補了集中供暖系統管道鋪設困難或采用區域供熱鍋爐房成本高等問題。但在嚴寒地區，它可能會受外在因素的約束，低溫環境中，用戶的需熱量不斷增加，但此時的空氣源熱泵的能效會隨溫度降低，導致無法滿足用戶的采暖需求。

一、低溫空氣源熱泵概述

（一）工作原理

低溫空氣源熱泵主要通過蒸發器、冷凝器、壓縮機等完成一系列循環，在空氣中收集熱源，經壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，運行中可根據區域的實際情況充注適量的工質，在-25℃環境下仍然能正常制熱，并達到既定要求。相比普通熱泵，低溫空氣源熱泵在寒冷區域的效果突出，通過增加一條連噴射增焓支路加工氣體，以噴氣增焓壓縮機為基礎，單臺壓縮機可實現兩級壓縮，供需不足時可為壓縮機提供補氣，整體壓縮機回氣量更少，在極低的溫度下仍能正常制熱。高效過冷卻器主要為增大焓差，通過完成冷媒預熱達到合適的中壓，也可以提供給壓縮機進行二次壓縮，保證工作效率。

（二）技術發展

當前，我國發展速度不斷加快，不可再生資源的消耗量也在增多，環保問題日趨加重。為此，針對相關問題出臺了政策，對嚴寒地區的清潔能源取暖進行了明確，通過配合可再生清潔型能源技術與產品，進一步節約能源。低溫空氣熱泵的使用是實現清潔供暖的有效途徑之一，能夠彌補集中供熱系統受限的區域，并在一定程度上減少不可再生能源的消耗，可在嚴寒地區按照需求完成制熱。低溫空氣源熱泵的優勢在于節能，具有較高的能效，極少量的消耗就可以得到3～4倍于所耗電能的熱能，避免出現能源空消耗的情況。

二、低溫空氣源熱泵在嚴寒地區的使用分析

本實驗所選地區是冬季平均氣溫在-23～-28℃之間，某高校實驗樓主體框架為鋼筋混凝土結構，屬于非節能型建筑，總面積19047m2，測試房間使用面積共550m2，測試時長共148天。根據開始試驗與結束試驗的數據得到整個采暖季消耗總電量為28484.8度，下面將以此為例進行分析。

（一）水泵耗電分析

本實驗中，熱泵采暖系統工作時使用一臺水泵，全天24h工作，電量消耗在整個能耗中占有不小的比例。供暖前期使用普通工頻水泵，實際運行測試中保持滿負荷運行狀態，溫度達到工作生活標準時停止運行，此時，循環水泵依舊運行，造成循環水泵耗電量過大。為了進一步降低系統工作中的功耗，發現問題后及時更換水泵，通過水泵頻率與轉速成正比推算低頻運行時的實際功率，降頻后比原來節省近78%的電耗，省電量為2144.9kWh。

（二）供熱過程分析

供熱實驗初期，室外最高溫度達8.4℃，實驗測試房間內平均溫度可達30.3℃，實驗末期室外最低溫度為-22.4℃，測試房間內平均溫度為26.7℃，機組大部分時間制熱量在5kJ/s以下。因供暖效果不足，配合人為操作調節空氣源熱泵供水溫度，使供水溫度升高、制熱量增大，以改善房間溫度。但在此過程中發現，結霜及霜層的阻塞效應使空氣流道表面粗糙度增加，風量不斷減少，影響空氣側換熱和制熱效果，但室內溫度并沒有很快下降，后續應著手消除結霜帶來的影響，降低外部因素對機組性能和制熱效果的制約。

（三）供熱效果分析

供熱嚴寒期，室外最低溫度達-26.5℃，最高溫度為-5.4℃，系統供回水平均溫度為33.9℃，供回水溫度升高后可達到室內供暖的需求。且隨著室外溫度變化，機器溫度負荷減少，觀察后發現，-20℃左右的大部分時間，機組皆可正常工作，但若出現驟降的情況，則機組制熱量衰減會增大，溫度降低，制冷循環出現異常。經過對機組部件的檢測發現，蒸發溫度和壓力是主要影響因素，會導致設備吸入制冷劑密度變小，在后續優化與調整中應對此加以關注。

（四）熱量能效分析

上述嚴寒實驗地區設備在運行期間相對穩定，低溫空氣熱源泵的熱量能效基本保持在平衡狀態，室內平均溫度能滿足18℃的設計參數值，但在室外溫度達到-27℃后，會導致室內出現15～17℃之間的波動。嚴寒時，通過人工控制可以將室內溫度升至20℃以上。后續對本次應用進行觀察，熱泵供回水溫差較小，0℃以下空氣熱泵會出現結霜的情況，-15℃時則會頻繁結霜，此時室內溫度會存在一定波動，在-27℃后結霜則會對熱量能效的轉換造成較大影響，導致室內溫度無法達到預期要求。在后續優化中應處理結霜問題，保證技術與設備的應用滿足需求，為實現高質量發展奠定堅實的基礎。

三、低溫空氣源熱泵在嚴寒地區的弊病

空氣能熱泵是科學技術發展的產物，是現階段綠色發展中應用的主要設備之一，通過在室外配置設備，能按需完成任務，是可再生清潔能源的應用典范。低溫空氣源熱泵的組成較多，每一部分都會對實際應用造成影響，為此，需要在實際工作中著重關注冷壓縮機、風機、換熱器、電控器件等的運行情況。但冬季制熱工況下壓縮機的制熱能效COP值較小，為此，要著手優化結霜的問題，避免能源浪費，以提升冬季的采暖效率。

冬季空氣轉化會在表冷器表面結霜，此類霜層的熱阻非常大，導致熱能無法傳遞到內部，使室內熱量出現損失，采暖供熱運行費用也隨之提高，消耗的電能費用遠高于常用的水冷卻式空調。若在此條件下持續運行，則燃煤和天然氣采暖比低溫空氣源熱泵的成本更低，不符合現階段綠色可持續發展的需求，為此，后續應對此進行優化，降低消耗量，以契合現階段清潔能源應用的需求。

四、低溫空氣源熱泵在嚴寒地區的應用

（一）配合壓縮機中間補氣技術

壓縮機中間補氣主要通過設置補氣孔口，蒸汽經補氣口進入壓縮機，通過與補氣路制冷劑混合，增加制冷劑流量。根據補氣形式的不同合理配置，將其與補氣路制冷劑混合。在此過程中，需注意調節補氣壓力和補氣量來改變流量，按需求合理控制COP與進水溫度和環境溫度，提高補氣變化率，擴大補氣壓力范圍，契合空氣源熱泵的應用。中間補氣壓力對補氣系統的性能可能會造成影響，為了在冷凝器中放熱完成循環，應細化分析補氣系統和單級熱泵的性能，建立變頻補氣增焓系統，通過增加制冷劑流量提升系統制熱量和COP。在環境溫度為-10℃時，系統COP仍然可以滿足應用，符合室外要求，解決除霜時舒適度下降的問題。

（二）壓縮機噴液冷卻技術

壓縮機噴液冷卻技術在當前的低溫熱源泵優化中較為常見，能有效降低排氣溫度，通過改變補氣口位置應對高壓比狀態，降低壓縮機的容積效率，改造只需增加噴液電磁閥即可完成，最終實現高壓比下排氣溫度的控制。冷凝器出口制冷劑分為兩路，環境溫度在-20～-25℃的范圍內，補氣增焓比噴液冷卻COP的參數更高，壓縮機排氣溫度高于設定值時，可有效降低排氣時的溫度，后續通過增大補氣孔徑顯著提升系統性能，有效滿足實際需求。

（三）回熱循環熱泵

回熱循環熱泵是在系統中增設回熱器，通過回收部分熱量提高性能，在處理后通過熱蒸汽進入壓縮機，從而使冷度增大、焓值降低。壓縮機吸氣口有一定的過熱度，增加回熱器可使平均性提高5%以上。回熱器對壓縮系統存在一定的影響，且系統性能的提升更明顯。在實際應用中，需要分析回熱器空氣源熱泵的運行參數信息，通過實驗發現熱循環熱泵在環境溫度為-26℃、出水溫度為45℃的工況下，系統COP可達1.92，性能提升約為15.9%，實現內部熱量的回收。

（四）雙級壓縮熱泵

雙級壓縮熱泵將壓縮過程分為兩個過程，為了能夠在-30℃及以下溫度環境中運行，需要分析不同參數對雙級壓縮熱泵性能的影響，優化節流后進入中間冷卻器完成循環過程。雙級壓縮變容量系統是未來優化的主要方向之一，制冷劑吸熱后會被壓縮至中間，提高運行效率應降低吸氣過熱度，降低高溫級壓縮機的排氣溫度，增大換熱器面積，可制取65℃及以上溫度的熱水，降低壓縮機的排氣溫度，低環溫高水溫工況其更優于其他系統，但該系統的結構復雜，實際工作中的控制難度較大，后續應對高壓級壓縮機進行相應的調整，使其能夠在應用中時刻處于最優狀態。

（五）復疊式熱泵

蒸發冷凝器是復疊式熱泵的重要組成部分，能夠將熱量傳遞給高溫級制冷劑完成循環，系統性能會隨高、低溫級變化。若在短時間內存在較大差異，則熱泵性能會逐漸減弱，冷凝溫度為15℃時為最佳。復疊式熱泵在環境溫度為-25～25℃范圍內可穩定制取70℃的熱水，主要通過低溫級冷凝器和蒸發器相互配合完成，雖然低溫熱力性能更強，但會增加系統的復雜程度，且單一工質復疊能源消耗高于單級壓縮系統。調查發現，如溫度低于-25℃則系統COP會降至1.37，能效偏低，為此，后續要選擇增設低溫級和高溫級兩個循環，有效減少除霜時的能量損失，避免在實際應用中出現異常。

（六）耦合式熱泵

耦合式熱泵主要是將低溫空氣熱源泵與其他清潔能源相結合，通過融合相關設備，降低系統的壓縮比和排氣溫度。如將其與太陽能系統結合，可以為熱源加熱末端回水，保證空氣源熱泵具有較低的出水溫度，在-35℃及以下溫度環境下仍能穩定運行。耦合式熱泵是未來發展的主要方式之一，目前使用較多的是與太陽能系統耦合，系統全年綜合能效為3.47，通過調節中間水溫達到最優中間水溫，且始終保持較高的性能系數，節能率達到50%以上，該方式適用于環境溫度較低的地區。在低溫條件下，這一方式可實現二者優勢互補，雖然技術與設備的初始投資較高，但后續節能效果顯著，在太陽能充足的嚴寒地區具有更廣闊的前景，可有效提升節能效果。

（七）跨臨界CO2熱泵

跨臨界CO2熱泵是空氣源熱泵發展的新方向，合理應用可有效提升循環熱力性能，這一方式多用于直熱式熱泵熱水器，當水溫度由40℃升高至50℃時，COP沒有明顯變化。但受限于CO2壓縮機，最優排氣壓力與環境溫度和供回有關，較高的回水溫度會降低氣體冷卻器內的換熱效率，且在低溫環境下，供回水溫差會隨之增大，排氣壓力也會不斷升高，需要實時調節最優排氣壓力，后續配合采用熱氣旁通除霜，通過加大研究使其更加完善。

五、低溫空氣源熱泵在嚴寒地區的展望

目前，我國低溫空氣源熱泵技術與設備正不斷發展，未來，供暖能耗將隨著技術的完善不斷降低。針對空氣源熱泵存在的結霜和化霜問題，可以選用源熱泵液態換熱技術，與現有技術空氣源熱泵組合，應用于中央空調夏季制冷空調冷卻水系統中，通過防凍液的液膜或防凍液直接與空氣換熱，也可以采用熱水除霜和超聲波除霜，這一方式在冬季采暖效果比較理想。冷卻塔是清水噴淋裝置，可通過改進蒸發器結構，適應煤改電的需求，后續采用憎水性材料減少結霜，保證其應用契合外部環境。

六、結束語

在嚴寒地區采用中間補氣熱泵系統時，應加大關注外部因素，考慮室外的綜合溫度情況，進一步突出技術與設備的環保性能。為此，結合其他供暖形式，發揮氣系統的性能，提升供暖系統的能效比，通過多種技術融合提升其在應用中的性能，對技術與設備進行更深入的研究，與能源節約型社會接軌。

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