寒冷地區空氣源熱泵采暖技術進展

衛超朋 鄒同華

摘 要：【目的】隨著我國碳中和、碳達峰目標的提出，空氣源熱泵采暖技術受到越來越多的青睞，但想要真正利用好空氣源熱泵系統，就要解決低溫下空氣源熱泵效率低、工作不穩定等問題。【方法】本研究通過對比分析，以提高低溫下空氣源熱泵能效為目的，從提高壓縮機本身的性能、采用與其他熱源相結合的多源耦合熱泵系統、采用各種新型抑霜除霜方式和一些低溫制冷劑等方面，進行全面總結和分析。【結果】目前，為提高低溫下空氣源熱泵能效而總結出的研究方法有很多，但仍有問題需要解決。【結論】對低溫下空氣源熱泵發展現狀和存在問題進行全面分析，對比分析結果，對提高寒冷地區空氣源熱泵能效的深入研究具有參考價值。

關鍵詞：空氣源熱泵；低溫；能效

中圖分類號：TK11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼： A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）06-0039-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.007

Research Progress of Air Source Heat Pump Heating Technology

in Cold Regions

WEI Chaopeng? ?ZOU Tonghua

（Tianjin Key Lab of Refrigeration，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

Abstract： [Purposes] With the goal of carbon neutralization and carbon peak in China， air source heat pump heating technology is more and more popular. However， in order to make good use of air source heat pump system， it is necessary to solve the problems of low efficiency and unstable operation of air source heat pump at low temperature. [Methods] Through comparative analysis， in order to improve the energy efficiency of air source heat pump at low temperature， this study comprehensively summarizes and analyzes the date from the aspects of improving the performance of compressor itself， multi-source coupled heat pump system combined with other heat sources and adopting various new anti-frost and defrosting methods and some low-temperature refrigerants. [Findings] At present， there are many research methods to improve the energy efficiency of air source heat pump at low temperature， but there are still problems to be solved. [Conclusions] The development status and existing problems of air source heat pump at low temperature are comprehensively analyzed. The comparative analysis results have reference value for further research on improving the energy efficiency of air source heat pump in cold regions.

Keywords： air source heat pump; low temperature; efficiency

1 空氣源熱泵概述

空氣源熱泵是一種能從空氣中提取低品位熱能，并在電力做功的條件下，將低品位熱能轉化成高品位熱能的裝置。采用空氣源熱泵裝置來供暖制冷，既能降低生產成本，又能做到無污染。在該裝置運行過程中，蒸發器吸收空氣中的能量傳遞給制冷劑，經過壓縮機做功后變成高溫高壓氣體，在冷凝器側釋放熱量給用戶側。蔣爽等［1］選擇在室外環境溫度偏低時對空氣源熱泵機組系統的運行能耗進行研究，研究結果表明，與其他熱源的一次能耗相比，空氣源熱泵的一次能耗較低。鮑玲玲等［2］對低溫空氣源熱泵系統在不同運行控制策略下的經濟性和供熱特性進行分析，對比6種典型供熱方式的節能性，結果表明，低溫空氣源熱泵是一種高效的供熱方式。

在需求牽引和政策支持的共同推動下，熱泵技術在我國的應用范圍不斷擴大，而雙碳目標的制定更為其注入了強勁的發展動力，但當前產業技術及政策仍存在一些掣肘和障礙［3-4］。研究空氣源熱泵時要特別注意結除霜和供暖問題，以及寒冷地區空氣源熱泵的供熱性能和COP優化。新材料、大數據、AI與空氣源熱泵融合成為發展方向。從經濟角度、環保角度、政策角度來看，空氣源熱泵系統的發展將會越來越受重視。

2 低溫空氣源熱泵系統研究現狀

2.1 低溫空氣源熱泵系統的種類

為了提高低溫環境下空氣源熱泵的運行性能和穩定性，科研人員進行了大量研究，在傳統熱泵系統的基礎上進行改進，提出不同形式的低溫空氣源熱泵系統。目前，主要研究的有準二級壓縮熱泵系統［5］（包括閃蒸器熱泵系統、過冷器熱泵系統）如圖1所示，復疊式壓縮熱泵系統，如圖2所示，以及雙級壓縮熱泵系統，如圖3所示。不同熱泵系統的對比情況詳見表1。

周光輝等［6］通過搭建低壓補氣型空氣源熱泵實驗平臺，經試驗證明在低壓補氣模式下，相對于不補氣的模式，補氣模式的制熱量提升12.6%～33.0%。薛杰等［7］對帶閃發器補氣系統的準二級壓縮空氣源熱泵的性能進行研究，研究表明，當環境溫度高于-3 ℃時，傳統的空氣源熱泵系統制熱COP要高于閃發器中間補氣系統；當環境溫度低于-3 ℃時，傳統的空氣源熱泵系統制熱COP要低于閃發器中間補氣系統。田長青等［8］將雙級壓縮和變頻技術進行融合，提出一種適用于寒冷地區的雙級壓縮變頻空氣源熱泵系統。

2.2 低溫空氣源熱泵系統的抑霜除霜方式

低溫空氣源熱泵面臨的較大問題是結霜問題，如何能有效減少結霜，并對已結的霜進行去除，是目前研究的重點。研究人員提出多種抑霜除霜的改進方式，詳見表2［9-12］。Choi等［13］在傳統熱氣旁通系統的基礎上，將壓縮機的排氣口和蒸發器的出口連在一起，在不停止供熱的前提下可實現高效除霜。劉宗江等［14］提出在空氣源熱泵機組系統上安裝輔助加熱裝置，使用滲透型空氣集熱器來吸收太陽輻射熱，用于加熱空氣源熱泵機組系統蒸發器側的空氣溫度，使空氣源的熱源溫度升高，減少結霜，從而提高空氣源熱泵系統的制熱性能。曹小林等［15］采用電子膨脹閥有利于縮短除霜時間和機組快速恢復供熱模式。

通過改進熱泵系統的組成和抑霜除霜方式，在一定程度上對有效解決空氣源熱泵低溫下的適應性問題提供切實可行的思路，但目前這些方法還存在一定的局限性，在經濟性、安全性、舒適性、操作性等方面還有著很大的拓展空間。對空氣源熱泵系統構想新的設計或對其組成部件細節之處進行改進，都有可能使整個空氣源熱泵系統的性能得到提升。

3 適合低溫空氣源熱泵的制冷劑研究

目前，空氣源熱泵熱水器系統常用的制冷劑有R22、R410A、R407C、R134a，其性質詳見表3。這些制冷劑的GWP較高，從未來低碳發展來看，還要找到這些制冷劑的替代品。彭斌等［16］使用混合制冷劑R290/R1234ze來代替R22制冷劑，理論證明是可行的，較其他制冷劑更具發展潛力。霍二光等［17］對使用R1234ze與R152a混合制冷劑來代替R22制冷劑的可行性進行研究，發現用R1234ze和R152a組成混合制冷劑NCUR01來替代R22制冷劑在技術上是完全可行的。在一定程度上對低溫下空氣源熱泵制冷工質的選取也要從安全、能效等方面進行考慮，從而提升低溫下空氣源熱泵的性能。張耘等［18］在對低溫熱泵系統性能研究中采用R290來替代R22，研究表明，在低溫熱泵系統中使用R290來替代R22，具有效率高、安全性好，且改動成本低的特點，具有較好的應用前景。

4 低溫空氣源熱泵與其他能源相結合

為了進一步提高低溫環境中空氣源熱泵的性能，還可采用空氣源熱泵與其他能源相結合的方法。目前，較常見的是空氣源熱泵與太陽能的結合。20世紀50年代初，Jordan等［19］首次提出太陽能與熱泵相結合的供暖系統，并提出將其用于對用戶進行供暖，能有效降低運行過程中的電量花費，提高集熱器和系統的供暖性能，這是較早提出太陽能與熱泵相結合的運營方式，開啟了太陽能與熱泵結合的新模式。之后又發展出太陽能與空氣源熱泵串聯系統、太陽能熱泵并聯系統、直接膨脹式太陽能熱泵系統、多熱源式太陽能熱泵系統。這四種系統如圖4至圖7所示。這些熱泵系統是目前最常用的四種形式。這四種形式的太陽能與熱泵相結合的利用方式為后來其他類型的太陽能與熱泵相結合的方式提供基礎，在此基礎上對理論進行深入的研究，以及實際工程應用方面的研究，使太陽能與空氣源熱泵相結合的效能越來越高。

以太陽能與空氣源熱泵相結合的四種形式為基礎，Long等［20］提出一種可實現太陽能與空氣源熱泵并聯供暖模式和串聯供暖模式自動切換的混合供暖系統。Aktas等［21］提出一種新型的太陽能輔助熱泵系統，將太陽能的余量儲存在熱能儲存單元中，從而保證其在陰天環境中也能持續有效地運行。Ma等［22］提出使用太陽能/空氣輔助熱泵，能有效解決單獨空氣源熱泵在冬季供暖出現的結霜問題。Liang等［23］通過建立空氣源熱泵與太陽能的耦合供暖系統，對熱負荷為10 kW的建筑進行采暖，并建立數學模型，探究太陽能集熱器對該系統的影響，研究結果表明，太陽能與空氣源熱泵耦合供暖系統的制熱性能系數COP隨集熱器面積的增加而增強。李珍［24］通過對太陽能與空氣源熱泵不同耦合方式的運行特性進行研究，發現太陽能與蒸發器的并聯模式在低環溫和低輻射條件下更具優勢，太陽能與冷凝器的并聯模式在高環溫和強輻射條件下更具優勢，而太陽能中溫增焓模式在中等環境溫度和中等輻射強度下更具優勢。

太陽能與空氣源熱泵相結合的形式應用廣泛，科研人員通過改進儲能方式、系統材料、尺度、控制策略、不同優化匹配材料進行試驗，總結出太陽能與空氣源熱泵相結合在不同情況下的能效。通過對不同地區、不同氣候條件下太陽能與熱泵系統的各種耦合方式進行模擬，不斷優化太陽能空氣源熱泵系統相結合的形式。

5 結語

空氣源熱泵系統已廣泛應用于北方采暖領域。隨著低碳環保的理念深入人心，以及我國碳中和、碳達峰目標的提出，空氣源熱泵采暖技術一定會受到越來越多的青睞，但想要真正利用好空氣源熱泵系統，必須要解決低溫下空氣源熱泵遇到的效率低和工作不穩定等問題。本研究從空氣源熱泵系統、抑霜除霜、制冷劑、熱泵與太陽能相結合等方面，介紹空氣源熱泵的相關研究現狀，通過分析這些研究成果，在一定程度上為解決寒冷地區低溫下空氣源熱泵遇到的問題提供思路，但對嚴寒地區低溫下空氣源熱泵的研究和應用還有待于進一步探索，以期解決我國北方嚴寒地區冬季極端天氣下的采暖問題。

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