提升空气源热泵系统制热性能的优化设计

王建斌

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206）

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，空气源热泵就是以空气为低温热源，提升能级，节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的热泵。传统的空气源热泵在低温工况和结霜工况下制热性能下降，甚至无法正常运行。本研究对空气源热泵的制热流程和制热性能进行分析，探究各种针对低温工况和结霜工况热泵性能下降的应对措施，并提出了一些提升空气源热泵系统制热性能的可行优化设计，为日后空气源热泵进一步节能高效地运行提供思路。

1 蒸汽压缩式热泵的基本原理

蒸汽压缩式热泵由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器组成。其工作流程如下：低温低压制冷剂在压缩机中被压缩成高温高压气体后，在冷凝器中等压冷凝成液体，冷凝的同时放出热量供给热用户，冷凝后的液态制冷剂通过节流装置后降温降压，随后在蒸发器中吸收低温环境中的热量汽化，回到压缩机中完成一个循环。

蒸汽压缩式热泵的理论循环中，通过冷凝器等压冷凝放热，利用蒸发器等压汽化吸热；在过热蒸气区绝热压缩，取代两相区中低效不安全的湿压缩；以节流装置取代膨胀机，大大简化设备。图1是蒸汽压缩式热泵理论循环在T-S（温度-比熵）图上的表示。其中3-4表示节流膨胀过程，工质温度、压力下降，进入二相区；4-1表示汽化过程，工质从环境介质中吸热汽化；1-2表示等熵压缩过程；2-3表示冷凝过程，它包括冷却及凝结两个阶段，在较高温度下释放出部分高位热能，在冷凝温度下释放出凝结热。可见，冷凝过程将由环境介质中吸收的热量和压缩功输送到温度较高的被加热物体中[1]。

图1 蒸汽压缩式热泵的理论循环在T-S图上的表示

2 基于喷气增焓技术的空气源热泵

在低温工况下，空气源热泵的蒸发温度下降，吸气比容增大，制热量急剧下降。同时，压缩机的压缩比增大，使排气温度过高，机组无法正常运行。喷气增焓技术采用经济器循环设计，通过带辅助进气口的涡旋压缩机实现一次节流准二级压缩，提高空气源热泵在低温工况下的制热能力，其原理如图2所示。

图2 喷气增焓系统原理

喷气增焓系统工作流程如下：高温高压的气态制冷剂经过冷凝器时放热供暖，冷凝后的液态制冷剂分为两路：主回路为制冷回路；辅助回路为补气回路。辅助回路中的液态制冷剂经过膨胀阀降低一定压力后变为中压气、液混合物并与来自主回路的温度较高的液态制冷剂在经济器中换热。辅助回路的液态制冷剂吸热汽化，从压缩机的辅助进气口补入压缩机工作腔；同时，主回路的制冷剂因换热而过冷却，经膨胀阀后进入蒸发器。在蒸发器中，主回路制冷剂吸收低温环境中的热量而汽化，进入压缩机吸气腔，经过一段内压缩后，主、辅回路的制冷剂在压缩机工作腔中混合，持续边压缩边混合直至混合过程结束，再经压缩机进一步压缩后排出压缩机[2]。

3 空气源热泵的制热性能研究

除了前述室外低温工况对空气源热泵制热性能存在影响外，当室外侧换热器表面温度低于空气露点温度且低于0℃时，换热器表面就会结霜，也会使空气源热泵的制热性能下降。

目前针对低温问题和结霜问题对空气源热泵制热性能的负面影响，已有许多应对措施。针对低温性能下降的应对措施有：增大换热面积，采用变频技术、喷气增焓技术、双级压缩技术和复叠压缩技术。针对结霜性能下降的应对措施有：合理设计换热器翅片，延缓结霜；增大换热面积，延缓结霜；采取有效的化霜方法，缩短化霜时间；准确地确定化霜进入点和退出点，减少热损失。

4 提高空气源热泵制热性能的优化设计

4.1 风机优化设计

4.1.1 采用EC风机

EC风机指采用数字化无刷直流外转子电机的离心式风机或采用了EC电机的离心风机。其内部集成了电子无刷调速电路，空调控制器依据传感器及设置输出0～10V的控制电压，EC风机内部会据此0%～100%的调速，根据实际需求更为灵活地调整风扇转速，通过微处理器持续调整风扇转速，达到节能、高效运行的目的。

4.1.2 改善叶型，提升风叶效率

在空气流动不改变的条件下，应采取更大的风叶面积、更长的风叶边缘；应改变风叶的横截面（改变翼型），使阻力矩下降。此外，将风叶面中无效的叶面去除，更能提升风叶效率。

4.2 换热器优化设计

4.2.1 套管式冷凝器

对于套管式冷凝器，应采用逆流换热增大换热温差，并可使用螺纹管来增大换热面积。材质上，目前生产热泵的企业使用最多的两种材质是紫铜与不锈钢，铜的换热性能肯定好过不锈钢，但耐腐蚀性不如不锈钢。此外，采用合适的套管长度，也可以提高热泵机组性能，有学者对型号A-27W的冷凝器进行额定工况下试验，发现整机的系统性能COP（COP=Q/P）值并不是随着冷凝盘管的长度增加而增加，如盘管长度增加，换热面积增加，制热量Q肯定是增加的，但相应的制冷剂灌注量也相应增加、管路损失变大等，整机功率P也会变大，当盘管长度到一定值后，整机的COP值反而变小。因此，选用合适的冷凝盘管长度，可以接近最优COP值（系统性能）[3]。

4.2.2 翅片管蒸发器

对于翅片管蒸发器，关键在于翅片的优化设计。实际设计过程中，可以按照以下步骤确定翅片结构的设计：一是现有翅片的问题分析；二是确定翅片的最优高宽比；三是确定最优管间距/列间距；四是确定翅片的开缝形式；五是确定翅片的开缝结构（缝高、开缝数和缝的长度）

4.3 采用辅助热源

在供暖时，可以考虑设置辅助热源进行补充，常用的辅助热源包括太阳能集热器、电加热器、燃气锅炉供暖等。

4.3.1 太阳能辅助空气源热泵

通过太阳能集热器在10～20℃低温下集热，再由热泵装置进行升温后供热，该系统可设置蓄热装置或其他辅助的热装置以解决太阳能的稳定性较差问题。

4.3.2 电加热辅助空气源热泵

可安装电加热盘管作为辅助热源，用控制器控制电加热盘管和热泵的通断电，当外界环境温度低时，热泵加热方式的热效率低，则用控制器控制给电加热盘管通电，热泵断电停止工作。

4.3.3 燃气锅炉供暖辅助空气源热泵

当室外温度较低，仅靠运行空气源热泵时，偶尔时间点不能产出所需温度供水，供热连续性差，能耗大，此时，启动燃气锅炉。空气源热泵先将进水加热到30℃，与燃气锅炉的高温出水混合，再供给热用户[4]。

1 姚 杨.暖通空调热泵技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

2 赵 鹏.喷气增焓技术的研究与应用[D].石家庄：石家庄铁道大学，2014.

3 岳亚蛟.空气源热泵热水器的换热优化设计[D].广州：华南理工大学，2010.

4 王纪朋.青岛地区空气源热泵联合燃气锅炉供热系统研究[D].青岛：青岛理工大学，2016.