浅淡空气源热泵技术及应用前景

许强　徐继凯　刘晓艳

摘 要：随着经济和各行各业的快速发展，在能源紧张的大环境下，空气源热泵系统越来越受到人们的关注。针对空气源热泵目前的应用和研究现状，总结了空气源热泵系统冷热源、输配系统、末端的优化方向。就如何提高空气源泵系统供热能效提出了建议，并提出了进一步研究的方向。

关键词：空气源热泵;逆卡诺循环;能效比;新能源

1 空气源热泵的特点

空气源热泵机组就是利用室外环境中的空气能量，机械做功后，将能量从低位热源向高位热源转移的热泵装置，可利用冷凝热来提供生活热水，从而配置成热回收型机组。我国长江流域夏热冬暖地区具有夏季高温闷热，冬季阴冷潮湿的气候特点，但由于该地区供暖期短，且我国能源紧张，不宜选用集中供暖形式，空气源热泵具有节能、冷热兼供、无需冷却水和锅炉等优点，适用于我国夏热冬冷地区作为中央空调的冷热源。空气源热泵和水源热泵相比初投资可低30%～50%，在沈阳，空气源热泵的运行费用和集中供暖的运行费用相差不大，但比燃气壁挂炉供暖的运行费用少15%以上，比电采暖少60%以上。它具有一机多用、节能、环境友好的优势。空气源热泵机组在低温高湿的环境中使用时，常出现换热器表面结霜，压缩机频繁启停，供热能力降低，需要定期除霜才能保证系统稳定运行。

2 空气源热泵工作原理及应用

2.1 卡诺循环

空气源热泵、空调、冰箱等制冷、制热设备基本上都是利用了逆卡诺循环的原理，逆卡诺循环是卡诺循环的逆循环。法国工程师卡诺通过研究蒸汽机的基本结构和工作过程，抛开所有非主要因素，从理想循环着手，用普遍理论的方法，作出了如下结论：消耗热可以得到机械功。他指出，热机一定要在高温热源和低温热源之间工作，“凡是有温度差的地方就能够产生动力;反之，凡能够消耗这个力的地方就能够形成温度差，就可能破坏热质的平衡。”他构造了一个在冷凝器和加热器之间的理想循环：汽缸和加热器连通，使加热器的温度与汽缸内的工作物质水和饱和蒸汽温度相等，让汽缸内的蒸汽缓慢地膨胀，保持在整个过程中，蒸汽和水都处于热平衡。接着让汽缸和加热器互相隔绝，使蒸汽绝热膨胀，直到温度和冷凝器的温度相等。然后活塞缓慢地压缩蒸汽，一段时间后冷凝器与汽缸脱离，作绝热压缩一直恢复到初始的状态。这循环是由两个等温过程与两个绝热过程组成的循环，叫作“卡诺循环”。卡诺循环由四个过程组成：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩。

2.2 冷热源优化

常规空气源热泵机组采用单级压缩循环，在我国华北、西北等寒冷地区使用时制热能力衰减，无法在冬季正常运行。随着产品的研发更新，先后出现了带油冷却的单级压缩系统、准二级压缩系统、二级压缩系统、复叠式系统、多种能源形式的复合系统等。目前，已经研制出适用于寒冷地区的低环境温度空气源热泵机组，可在室外温度不低于-20℃时制取30～50℃的供暖热水。随着技术的进步，国内外学者对低环境温度空气源热泵的改进进行了大量试验研究，使其能适用于寒冷地区供暖。空气源热泵机组的结霜问题饱受诟病，在室外温度较低的寒冷地区使用时易结霜，结霜严重时会影响机组运行的稳定性。目前，常用的除霜方法主要有：逆循环除霜、热气旁通法除霜、蓄能除霜和工质过冷除霜法。前两种除霜措施均存在能量供给不足、效率不高、系统不稳定的缺点;蓄能除霜可以克服能量补给的不足，但结霜时系统制热量衰减、除霜时不能供热、相变材料的性能稳定性问题都有待改进;工质过冷除霜法可提高理论制热系数，但采用喷射膨胀阀会增加设备成本。有学者提出无霜空气源热泵，该系统采用加热再生方式，再生效率低，供热能效不高。郭浩增等人提出多热源辅助除霜法，该方法主要是通过储存用电低峰期的制热量和太阳能等多种热源，实现多种热源辅助除霜的目的。余延顺等人提出冷冻再生的溶液除霜型空气源热泵机组，该机组运用盐溶液喷淋的方式除霜，除霜完成后的稀溶液再采用冷冻方式使其再生，从而实现连续供热，溶液再生方式由加热法改进为冷冻法，再生过程能耗降低。

2.3 空气源热泵

空气源热泵热水器内置了一种吸热的介质———制冷剂（冷媒），它液体的状态下温度低于零下20℃，一般与外界自然温度存在着温差，故此，制冷剂可以吸收外界自然的温度，在蒸发器内部产生压力并且蒸发汽化，通过热泵的循环，使制冷剂从汽体状态转化成液体状态，它携带的热量便释放给了热泵热水器机组水箱中的储用水。空气源热泵工作过程包括以下四个步骤：①低温低压的液态制冷剂经膨胀阀节流降压;②制冷剂通过降压后，接着进入交换机中蒸发，从而在空气中吸收大量的热量Q1，制冷剂转为气态;③气态制冷剂进入压缩机被压缩，变成高温高压的制冷剂;④压缩后的高温高压气态制冷剂进入热交换器后，把它所含的热量释放出来，将冷凝器中的冷水加热，冷水被高温高压制冷劑加热到55℃（最高可以到65℃）进入保温水箱，此时制冷剂也由气态转变为液态。如此一直循环，源源不断地从空气中吸收热量给冷水，使冷水温度升高。

3 空气源热泵供热产业前景

由于受到国家清洁能源利用政策的影响，商用领域的空气源热泵产品源于其具备高节能、无污染的特性，成为各个地区的替代选择，致使本身单台价格远高于家用产品的商用产品销售额规模迅速提升。细分产品方面，受整体基础原材料价格上涨的影响，空气源热泵热水产品增长乏力;在政策影响下，相对的采暖机组在清洁取暖市场上夺得一定份额，一方面通过政府层面的推动大大提升了产品认知度，另一方面带动整体行业规模迅速提升。

结语

随着空气源热泵机组的能效不断提高，设备除霜技术的成熟，末端产品的不断优化，系统配置设计优化，空气源热泵系统，特别是空气源热泵供暖系统在我国南、北方地区都将有着广泛的应用市场。

参考文献

[1]王钢.热机及其效率研究[J].自动化应用，2015，26（8）：11-13.

[2]卫国强.空气源热泵COP值与节能应用探讨[J].山西建筑，2017，（22）：19