低溫氣候空氣源熱泵技術分析

顏丙正

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

現階段，在我國低溫氣候區域使用空氣源熱泵技術，比較關鍵的問題是對空氣壓縮階段進行改良，促進其良好發展，對壓縮機裝置進行有效的維持，提升壓縮機裝置的穩定性，不但能夠保證空氣源熱泵在低溫的環境下長期地運行，還能提升其運行過程中的安全性。但是，由于空氣源熱泵設備具有一定的復雜性，設備中的冷凝器以及蒸發器在運行的過程中，會對空氣源熱泵產生比較直接的影響，根據當前空氣源熱泵的運用狀況來看，對冷凝器以及蒸發器進行單方面的優化和改進還是無法滿足空氣源熱泵的具體效能，再加上除霜的相關問題，需要根據實際狀況找到解決策略。在此背景下，需要相關的研究人員對空氣源熱泵技術方面加大研究，從而使得空氣源熱泵設備在低溫氣候區域能夠得到更加有效的使用。

1 低溫氣候空氣源熱泵裝置工作指標的影響研究

（1）對蒸發器設備的主要影響。蒸發器設備是空氣源熱泵系統最重要的組成部分。蒸發器設備的工作狀態對空氣源熱泵系統的運轉有著最直接的影響。

低溫環境對蒸發器設備的影響和制約可分為以下幾種：①如果在設計翅片位置的時候，設計方式不夠科學的狀況下會導致翅片頻繁的結霜；②需要設計好制冷劑物質的流向，排布好風扇部件的位置，避免換熱不均衡導致結霜。

這兩個層面的主要問題如下。①針對翅片部位的問題，蒸發器設備通常用于壓縮整個系統的體積。設計師通常將翅片裝置的間隔設置得比較小，但這種操作可以有效地增加機組的熱交換面積，同時，加劇蒸發器裝置的結霜，這可能導致結冰和積水的產生。但有時也會對蒸發器單元的運轉造成不良影響。②針對制冷劑物質的流向方面的設計，一般情況下，制冷劑物質會和空氣流動呈現出反向的結果，而且不同的流動方向所能帶來的性能不同也是非常明顯的。如果在制熱的過程中，制冷劑物質將在換熱器裝置的出氣口位置表現出比較明顯的溫差，從而導致翅片部位結霜更加的嚴重，同時還會結冰，所以在進行設計過程中，相關工作人員需要全面的考慮，找出結霜問題的原因，提出除霜的建議。在傳統蒸發器設備中，通常基于最大熱交換能力進行綜合測量。在許多情況下，可以使用多種供液方案。但是，在低溫環境下會發生分液不平均的情況，容易干擾既定程序的平穩工作和運行。

（2）冷凝器裝置的主要問題研究。當空氣源類型熱泵裝置系統工作在符合壓縮機裝置排氣的溫度條件的時候，如果環境溫度變得更高，造成進到冷凝器裝置的氣體的實際溫度大于系統設定的溫度數值，由于冷凝器裝置的主要工作原理和總體設計理念不同，在一定程度上限制了冷凝器裝置的實際效果，熱交換工況明顯下降，空氣源熱泵裝置系統的各種功能明顯下降。

（3）節流設備的規劃設計研究。現階段，熱泵在正常運行過程中，相關系統的熱輻射系數變化范圍相當大且有規律，一般呈二次雙曲狀態。然而，傳統熱力膨脹閥不能被有效地調節和控制。低溫空氣源熱泵系統工程技術人員根據相關試驗結論，安裝若干數量的電子膨脹閥。綜上所述，低溫空氣源熱泵系統的相關技術人員在設備運行正常到一定程度時，相關工作人員能夠通過雙電子膨脹閥的合理運用，來控制好低溫空氣源熱泵，對于低溫氣候區域的空氣源熱泵來講，工作人員需要在節流機構進行規劃的過程中，使用電子膨脹閥進行精準的調節。

2 低溫氣候空氣源熱泵系統相關除霜技術研究

低溫空氣源熱泵系統工程技術人員在低溫氣候空氣源熱泵內部壓縮機組出口設置旁路止逆閥，用于高溫氣體旁路除霜。經過二次設計，確定旁路閥裝置與蒸發器熱源空氣出口緊密相連。在這種情況下，當結霜量達到最大安全額定參數值時，低溫空氣源熱泵系統的相關技術人員可以打開旁路閥裝置，關閉鼓風機系統，將蒸發器的熱源空氣輸出到入口。這種操作就會導致核心運行壓縮機的最大額定安全排氣通過旁通閥進入至蒸發器，從而使得蒸發器內部的溫度得到提升，并達到理想的相關，此種方面能夠加快除霜的速度。

電除霜的使用一般由低溫空氣源熱泵系統的相關技術人員設計，以增加蒸發器內部除霜線圈的布置。同時，如果結霜的量比較大的狀況下，此設備能夠對全部運行的機組進行停止，然后相關工作人員可以開啟電加熱裝置使得蒸發器溫度得到提升，在最短的時間內完成除霜工作，并達到比較好的除霜效果。

一般來說，低溫空氣源熱泵系統的相關技術人員所掌握的空氣源熱泵系統可以同時具有加熱和冷卻雙重功能。在進行制冷的過程中，需要在空氣源熱泵中使用四通閥門，其能夠有效地對工作的具體狀態進行切換，基于此，四通閥防霜技術在現階段得到了廣泛應用。低溫空氣源熱泵系統工程技術人員認為，四通閥可以通過改變設備的運行狀態將蒸發器轉化為冷凝器。這樣一來，蒸發器的溫度大幅提高，有效除霜效果最大化。根據上述除霜技術方案的說明，電除霜是低溫空氣源熱泵系統工程師及技術人員的最佳技術方案。此技術主要和蒸發器相結合，不會對外界環境產生較大的影響。在此種狀況下，需要根據相關的試驗，通過試驗的具體數據做好除霜工作的設計，其中作為有效的選擇是電除霜技術。

3 低溫氣候空氣源熱泵系統相關熱聲熱泵技術研究

熱聲熱泵技術一種新型的技術，其主要是利用熱聲效應，其運行過程中的部件比較少，有著較為可靠的性能，能夠長時間進行使用，同時還避免了使用污染環境的制冷劑，具體使用惰性氣體以及混化合物中工質，同時還可以使用燃氣以及太陽能等清潔能源，一種電驅動低溫空氣源雙作用行波熱聲熱泵系統，原理如圖1 所示。

圖1 雙作用行波熱聲熱泵原理圖

當熱源溫度為-20℃，熱合流溫度為50℃時，熱泵的加熱系數達到3。與大約64%的系數相比，泵熱量能達到1600W，壓力比僅為1.19。這個系統具有很高的加熱性能和經濟性。與傳統熱泵相比，在低溫氣候區域中使用熱聲熱泵技術具有更強的優勢，其在醫療冷藏、快速冷凍以及微型裝置方面有著比較廣闊的使用前景，但是現階段熱聲熱泵技術還沒有達到推廣使用的階段，當前熱聲熱泵技術還在試驗階段，如果要投入民用，還需要對其工藝進行改進，并降低制造的整體成本。

4 低溫氣候空氣源熱泵系統相關組合采暖技術研究

（1）空氣源熱泵+地板輻射。空氣源熱泵的最佳工作狀態是提供50℃以下的熱水。傳統的空氣源熱泵之所以不用于建筑供暖，是因為供暖散熱器需要60 ～80℃的熱水溫度。地暖一直被公認為最舒適的采暖方式，所需熱水溫度≤60℃。通過選擇和使用高效輻射線圈，適當縮短線圈間隔，使熱媒水溫度(＜50℃)、給水溫度(＜5℃)與敷設在線圈管下方的鋁箔復合層的熱反射相結合，達到高通過形成壓阻燃擠壓保溫板，可以減少熱損失，進一步降低水溫。進水溫35℃、回水溫度31℃、空氣基準溫度20℃的試驗，熱量釋放可達到100W/m2以上的非常有效的終端。通過這種方式，空氣源熱泵可以為地板輻射提供所需的低溫熱水，提供舒適、清潔、節能和環保。

（2）空氣源熱泵+小溫差風機盤管。傳統風機盤管多為頂棚式，設計以夏季降溫為主。冬天取暖時，舒適性較差。為了保證供暖效果，暖氣送風溫度高，浪費大。可設計與可動區域在功能上固定的小溫差熱交換端系統，以便隨著熱空氣的上升而降低供氣溫度。它具有風量大、溫差小、熱交換效率高等優點，降低了對水溫的要求。只用30℃以上的熱水就可以加熱，溫度均勻。與市面上的其他采暖終端相比，小溫差熱交換終端雖然沒有地暖那么舒適，但也具有啟動時間比地暖短、響應快、節能、配置更靈活等優點。

（3）空氣源熱泵+太陽能。空氣源熱泵與太陽能是理想的組合方案。白天可以利用陽光補充熱水。在夜間或雨天沒有太陽的情況下，啟動空氣源熱泵供暖，將太陽能低溫熱水加熱到供水要求。太陽能零能耗與空氣源熱泵低能耗的有效結合。選擇高效集熱器，智能判斷溫度變化，采取系統循環保溫、房間和時間控制、太陽能和空氣源熱泵智能切換等措施后，太陽能加熱供暖系統節電率可達40%以上，非常節能。另外，兩者都在相對穩定的條件下運行，可以確保全年全天候運行。我國是太陽能資源豐富的大國，2/3 以上的地區擁有良好的太陽能資源。大部分地區年平均發電量超過4kWh/m2，具備了利用太陽能的自然條件。

5 低溫氣候空氣源熱泵系統相關強化制熱技術研究

（1）變頻壓縮機+噴氣增焓技術：為改善低溫加熱循環流量低的問題，一般采用變頻壓縮機來增加循環流量，其改善效果有限。冷凝器后的冷媒液抽出孔隙的一部分后，進入熱交換器和熱交換器或閃光器，直接回到壓縮機的空氣噴流中，與從空氣噴流吸入的一定程度的壓縮氣體混合，壓縮到高壓力后排出。這增加了排氣量，解決了低溫室外熱交換器蒸發效果惡化的問題，這就相當于變相循環氣量不足的問題。研究表明，噴射系統與普通系統相比，可提高制冷和供暖能力15%～30%，特別是高溫制冷和低溫供暖能力，可提高系統能效8% ～18%。目前，變頻噴水泵可在-30℃下實現安全運行，在-15℃下實現強供熱，出水溫度可達65℃，使得我國大部分空氣源熱泵來自北方高寒地區擴張，南方為-5℃。這個方案的系統成本不高，但是增加了熱泵機組的設計。更換鍋爐時，采暖空調系統設計無須變更，改造升級方便。其可靠性和節能效果已經在歐洲和我國北方的一些案例中得到了驗證，在我國具有良好的推廣前景。

（2）雙級耦合熱泵技術：針對低溫除霜波動和加熱不良的情況，可采用兩級耦合技術。一級空氣源熱泵的冷熱水機組作為二級熱泵的低溫熱源，首先制取10～20℃熱水儲存，然后二級水源熱泵冷熱水機組應向用戶提供50℃以上熱水或直接收集水源/空氣熱泵機組加熱空氣。這樣，機組二次系統以各自合理的壓力比運行，保證了采暖效果，提高了可靠性，室內舒適度不受室外低溫和霜凍的影響。另外，兩級耦合單元的配置可根據需要設定為室外低溫開雙級，室外高溫開單級，以發揮節能效果。與注入技術相比，能源效率低，但可以獲得更高更穩定的出水溫度。另外，初期投資也比變頻噴射系統大，供暖系統的設計相對復雜，供暖改造可能不太經濟，適合電力豐富的新項目。

（3）二氧化碳熱泵技術。在熱泵系統中，二氧化碳是最具潛力的天然工作介質。環境無害ODP=0,GWP=1，價格便宜，無毒，不易燃燒，單位體積冷凍量高，跨臨界系統冷卻過程中溫度滑動，能更好地適應溫度變化熱源，臨界循環反復壓力低，COP 好。它可以提供85℃以上的熱水，對于空調和暖氣具有非常明顯的優勢。可以連接北方中央暖氣散熱器。同時，由于工作壓力高，很難實現大功率、高熱發電機組。二氧化碳熱泵在日本成功商業化，并銷往海外。今后幾年，二氧化碳熱泵將成為業界的焦點。

6 結語

總的來講，現階段使用空氣源熱泵符合當前供暖節能的目標，同時在安裝過程中比較方便，在冬季供暖的同時，還能夠在夏季通過四通換向閥來進行制冷，有著一機兩用的功能，使得設備的使用效率更高。雖然當前空氣源熱泵設備主要使用在北方供暖，但是，在實際使用過程中，存在結霜、壓縮機壓比以及供熱量不足等問題，這些問題不但會影響空氣源熱泵的運行，還會影響用戶的供熱體驗。將太陽能和空氣源熱泵相結合的方式能夠有效的實現節能環保。其中壓縮機當中進行補氣增焓能夠有效地降低壓比，在實際補氣增焓過程中做好補氣量的合理控制，并提升壓縮機的加工精度是當前研究過程中的關鍵。此外，除霜作為空氣源熱泵的關鍵問題以及話題，其結霜機理和除霜技術是研究的關鍵點。而在空氣源熱泵中合理地使用無霜熱泵系統能夠有效地解決結霜和除霜的問題，同時還能夠提升系統的整體性能，而超低溫環境使用熱聲熱泵技術在我國研究的還比較少，但是隨著科學技術的不斷發展，我國在熱聲熱泵技術使用方面也將有著更加廣闊的前景。