低温气候空气源热泵技术分析

颜丙正

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

现阶段，在我国低温气候区域使用空气源热泵技术，比较关键的问题是对空气压缩阶段进行改良，促进其良好发展，对压缩机装置进行有效的维持，提升压缩机装置的稳定性，不但能够保证空气源热泵在低温的环境下长期地运行，还能提升其运行过程中的安全性。但是，由于空气源热泵设备具有一定的复杂性，设备中的冷凝器以及蒸发器在运行的过程中，会对空气源热泵产生比较直接的影响，根据当前空气源热泵的运用状况来看，对冷凝器以及蒸发器进行单方面的优化和改进还是无法满足空气源热泵的具体效能，再加上除霜的相关问题，需要根据实际状况找到解决策略。在此背景下，需要相关的研究人员对空气源热泵技术方面加大研究，从而使得空气源热泵设备在低温气候区域能够得到更加有效的使用。

1 低温气候空气源热泵装置工作指标的影响研究

（1）对蒸发器设备的主要影响。蒸发器设备是空气源热泵系统最重要的组成部分。蒸发器设备的工作状态对空气源热泵系统的运转有着最直接的影响。

低温环境对蒸发器设备的影响和制约可分为以下几种：①如果在设计翅片位置的时候，设计方式不够科学的状况下会导致翅片频繁的结霜；②需要设计好制冷剂物质的流向，排布好风扇部件的位置，避免换热不均衡导致结霜。

这两个层面的主要问题如下。①针对翅片部位的问题，蒸发器设备通常用于压缩整个系统的体积。设计师通常将翅片装置的间隔设置得比较小，但这种操作可以有效地增加机组的热交换面积，同时，加剧蒸发器装置的结霜，这可能导致结冰和积水的产生。但有时也会对蒸发器单元的运转造成不良影响。②针对制冷剂物质的流向方面的设计，一般情况下，制冷剂物质会和空气流动呈现出反向的结果，而且不同的流动方向所能带来的性能不同也是非常明显的。如果在制热的过程中，制冷剂物质将在换热器装置的出气口位置表现出比较明显的温差，从而导致翅片部位结霜更加的严重，同时还会结冰，所以在进行设计过程中，相关工作人员需要全面的考虑，找出结霜问题的原因，提出除霜的建议。在传统蒸发器设备中，通常基于最大热交换能力进行综合测量。在许多情况下，可以使用多种供液方案。但是，在低温环境下会发生分液不平均的情况，容易干扰既定程序的平稳工作和运行。

（2）冷凝器装置的主要问题研究。当空气源类型热泵装置系统工作在符合压缩机装置排气的温度条件的时候，如果环境温度变得更高，造成进到冷凝器装置的气体的实际温度大于系统设定的温度数值，由于冷凝器装置的主要工作原理和总体设计理念不同，在一定程度上限制了冷凝器装置的实际效果，热交换工况明显下降，空气源热泵装置系统的各种功能明显下降。

（3）节流设备的规划设计研究。现阶段，热泵在正常运行过程中，相关系统的热辐射系数变化范围相当大且有规律，一般呈二次双曲状态。然而，传统热力膨胀阀不能被有效地调节和控制。低温空气源热泵系统工程技术人员根据相关试验结论，安装若干数量的电子膨胀阀。综上所述，低温空气源热泵系统的相关技术人员在设备运行正常到一定程度时，相关工作人员能够通过双电子膨胀阀的合理运用，来控制好低温空气源热泵，对于低温气候区域的空气源热泵来讲，工作人员需要在节流机构进行规划的过程中，使用电子膨胀阀进行精准的调节。

2 低温气候空气源热泵系统相关除霜技术研究

低温空气源热泵系统工程技术人员在低温气候空气源热泵内部压缩机组出口设置旁路止逆阀，用于高温气体旁路除霜。经过二次设计，确定旁路阀装置与蒸发器热源空气出口紧密相连。在这种情况下，当结霜量达到最大安全额定参数值时，低温空气源热泵系统的相关技术人员可以打开旁路阀装置，关闭鼓风机系统，将蒸发器的热源空气输出到入口。这种操作就会导致核心运行压缩机的最大额定安全排气通过旁通阀进入至蒸发器，从而使得蒸发器内部的温度得到提升，并达到理想的相关，此种方面能够加快除霜的速度。

电除霜的使用一般由低温空气源热泵系统的相关技术人员设计，以增加蒸发器内部除霜线圈的布置。同时，如果结霜的量比较大的状况下，此设备能够对全部运行的机组进行停止，然后相关工作人员可以开启电加热装置使得蒸发器温度得到提升，在最短的时间内完成除霜工作，并达到比较好的除霜效果。

一般来说，低温空气源热泵系统的相关技术人员所掌握的空气源热泵系统可以同时具有加热和冷却双重功能。在进行制冷的过程中，需要在空气源热泵中使用四通阀门，其能够有效地对工作的具体状态进行切换，基于此，四通阀防霜技术在现阶段得到了广泛应用。低温空气源热泵系统工程技术人员认为，四通阀可以通过改变设备的运行状态将蒸发器转化为冷凝器。这样一来，蒸发器的温度大幅提高，有效除霜效果最大化。根据上述除霜技术方案的说明，电除霜是低温空气源热泵系统工程师及技术人员的最佳技术方案。此技术主要和蒸发器相结合，不会对外界环境产生较大的影响。在此种状况下，需要根据相关的试验，通过试验的具体数据做好除霜工作的设计，其中作为有效的选择是电除霜技术。

3 低温气候空气源热泵系统相关热声热泵技术研究

热声热泵技术一种新型的技术，其主要是利用热声效应，其运行过程中的部件比较少，有着较为可靠的性能，能够长时间进行使用，同时还避免了使用污染环境的制冷剂，具体使用惰性气体以及混化合物中工质，同时还可以使用燃气以及太阳能等清洁能源，一种电驱动低温空气源双作用行波热声热泵系统，原理如图1 所示。

图1 双作用行波热声热泵原理图

当热源温度为-20℃，热合流温度为50℃时，热泵的加热系数达到3。与大约64%的系数相比，泵热量能达到1600W，压力比仅为1.19。这个系统具有很高的加热性能和经济性。与传统热泵相比，在低温气候区域中使用热声热泵技术具有更强的优势，其在医疗冷藏、快速冷冻以及微型装置方面有着比较广阔的使用前景，但是现阶段热声热泵技术还没有达到推广使用的阶段，当前热声热泵技术还在试验阶段，如果要投入民用，还需要对其工艺进行改进，并降低制造的整体成本。

4 低温气候空气源热泵系统相关组合采暖技术研究

（1）空气源热泵+地板辐射。空气源热泵的最佳工作状态是提供50℃以下的热水。传统的空气源热泵之所以不用于建筑供暖，是因为供暖散热器需要60 ～80℃的热水温度。地暖一直被公认为最舒适的采暖方式，所需热水温度≤60℃。通过选择和使用高效辐射线圈，适当缩短线圈间隔，使热媒水温度(＜50℃)、给水温度(＜5℃)与敷设在线圈管下方的铝箔复合层的热反射相结合，达到高通过形成压阻燃挤压保温板，可以减少热损失，进一步降低水温。进水温35℃、回水温度31℃、空气基准温度20℃的试验，热量释放可达到100W/m2以上的非常有效的终端。通过这种方式，空气源热泵可以为地板辐射提供所需的低温热水，提供舒适、清洁、节能和环保。

（2）空气源热泵+小温差风机盘管。传统风机盘管多为顶棚式，设计以夏季降温为主。冬天取暖时，舒适性较差。为了保证供暖效果，暖气送风温度高，浪费大。可设计与可动区域在功能上固定的小温差热交换端系统，以便随着热空气的上升而降低供气温度。它具有风量大、温差小、热交换效率高等优点，降低了对水温的要求。只用30℃以上的热水就可以加热，温度均匀。与市面上的其他采暖终端相比，小温差热交换终端虽然没有地暖那么舒适，但也具有启动时间比地暖短、响应快、节能、配置更灵活等优点。

（3）空气源热泵+太阳能。空气源热泵与太阳能是理想的组合方案。白天可以利用阳光补充热水。在夜间或雨天没有太阳的情况下，启动空气源热泵供暖，将太阳能低温热水加热到供水要求。太阳能零能耗与空气源热泵低能耗的有效结合。选择高效集热器，智能判断温度变化，采取系统循环保温、房间和时间控制、太阳能和空气源热泵智能切换等措施后，太阳能加热供暖系统节电率可达40%以上，非常节能。另外，两者都在相对稳定的条件下运行，可以确保全年全天候运行。我国是太阳能资源丰富的大国，2/3 以上的地区拥有良好的太阳能资源。大部分地区年平均发电量超过4kWh/m2，具备了利用太阳能的自然条件。

5 低温气候空气源热泵系统相关强化制热技术研究

（1）变频压缩机+喷气增焓技术：为改善低温加热循环流量低的问题，一般采用变频压缩机来增加循环流量，其改善效果有限。冷凝器后的冷媒液抽出孔隙的一部分后，进入热交换器和热交换器或闪光器，直接回到压缩机的空气喷流中，与从空气喷流吸入的一定程度的压缩气体混合，压缩到高压力后排出。这增加了排气量，解决了低温室外热交换器蒸发效果恶化的问题，这就相当于变相循环气量不足的问题。研究表明，喷射系统与普通系统相比，可提高制冷和供暖能力15%～30%，特别是高温制冷和低温供暖能力，可提高系统能效8% ～18%。目前，变频喷水泵可在-30℃下实现安全运行，在-15℃下实现强供热，出水温度可达65℃，使得我国大部分空气源热泵来自北方高寒地区扩张，南方为-5℃。这个方案的系统成本不高，但是增加了热泵机组的设计。更换锅炉时，采暖空调系统设计无须变更，改造升级方便。其可靠性和节能效果已经在欧洲和我国北方的一些案例中得到了验证，在我国具有良好的推广前景。

（2）双级耦合热泵技术：针对低温除霜波动和加热不良的情况，可采用两级耦合技术。一级空气源热泵的冷热水机组作为二级热泵的低温热源，首先制取10～20℃热水储存，然后二级水源热泵冷热水机组应向用户提供50℃以上热水或直接收集水源/空气热泵机组加热空气。这样，机组二次系统以各自合理的压力比运行，保证了采暖效果，提高了可靠性，室内舒适度不受室外低温和霜冻的影响。另外，两级耦合单元的配置可根据需要设定为室外低温开双级，室外高温开单级，以发挥节能效果。与注入技术相比，能源效率低，但可以获得更高更稳定的出水温度。另外，初期投资也比变频喷射系统大，供暖系统的设计相对复杂，供暖改造可能不太经济，适合电力丰富的新项目。

（3）二氧化碳热泵技术。在热泵系统中，二氧化碳是最具潜力的天然工作介质。环境无害ODP=0,GWP=1，价格便宜，无毒，不易燃烧，单位体积冷冻量高，跨临界系统冷却过程中温度滑动，能更好地适应温度变化热源，临界循环反复压力低，COP 好。它可以提供85℃以上的热水，对于空调和暖气具有非常明显的优势。可以连接北方中央暖气散热器。同时，由于工作压力高，很难实现大功率、高热发电机组。二氧化碳热泵在日本成功商业化，并销往海外。今后几年，二氧化碳热泵将成为业界的焦点。

6 结语

总的来讲，现阶段使用空气源热泵符合当前供暖节能的目标，同时在安装过程中比较方便，在冬季供暖的同时，还能够在夏季通过四通换向阀来进行制冷，有着一机两用的功能，使得设备的使用效率更高。虽然当前空气源热泵设备主要使用在北方供暖，但是，在实际使用过程中，存在结霜、压缩机压比以及供热量不足等问题，这些问题不但会影响空气源热泵的运行，还会影响用户的供热体验。将太阳能和空气源热泵相结合的方式能够有效的实现节能环保。其中压缩机当中进行补气增焓能够有效地降低压比，在实际补气增焓过程中做好补气量的合理控制，并提升压缩机的加工精度是当前研究过程中的关键。此外，除霜作为空气源热泵的关键问题以及话题，其结霜机理和除霜技术是研究的关键点。而在空气源热泵中合理地使用无霜热泵系统能够有效地解决结霜和除霜的问题，同时还能够提升系统的整体性能，而超低温环境使用热声热泵技术在我国研究的还比较少，但是随着科学技术的不断发展，我国在热声热泵技术使用方面也将有着更加广阔的前景。