空气能热泵先进技术及其影响因素

2024-03-12徐一哲

科学咨询 2024年1期

徐一哲

（上海外国语大学附属大境中学，上海 200011）

2022年初，欧洲出现了能源危机，多个国家调高了天然气的价格，居民的生活受到了影响，欧洲政府也史无前例地加大了能源补贴政策力度。据相关研究表明，自带节能功能的空气源热泵热水器在欧洲市场一下子打破了长期行业发展的瓶颈，呈现出井喷式的销售增长，进一步推动了空气源热泵热水器快速发展。某业内人士透露，从2026年开始德国政府禁止将燃气的加热设备安装在新建或现有的建筑中，如果家庭购买空气源热泵设备，政府将会补贴35%；如果客户将现有的燃气加热设备永久的替换成空气源热泵热水器，政府还将额外补贴10%的费用。空气源热泵热水器能在欧洲市场迅速发展起来，与政府给的高额补贴几乎能抵消高昂的安装成本是密不可分的。另外，当前世界气候变暖危机引起了人们的担忧，在欧洲市场中，作为节能环保的产品——空气源热泵热水器受到人们的大力追捧也不足为奇了。

在我国碳达峰、碳中和的大背景下，虽然目前能源消费结构仍以传统能源为主，但也在不断鼓励支持低碳和绿色能源。基于家用或商用热水的使用场景特征，产生了不同原理的空气能热水器，大大降低了用电量和提高了能效比。燃气热水器的缺点有燃烧气体不充分造成毒气排放，能耗高使用年限较低。电热水器的缺点有容易漏电造成触电伤人，能耗超高，储水量不足。太阳能热水器在经常下雨阴天及北方冬季时需要外加电辅助，就相当一个电热水器安全隐患大，并且太阳能热水器所使用的真空管极易破碎维修麻烦使用年限较低。空气能热泵节能省电，其耗电总量为普通电热水器耗电的25%、燃气热水器耗电的33%和太阳能热水器耗电的50%。除此之外，对比传统的热泵系统，空气源热泵具有更高的安全性，且环境污染低，天气因素对工作情况限制较小等优势。因此，空气源热泵研究热度逐渐变高，市场占有率在扩大。本文主要介绍了空气源热泵的基本工作原理，包括五种先进空气源热泵的技术及其工作原理。在此基础上，进一步分析了各种影响空气能热泵的因素，如环境气温,平衡点影响,机组功率与能效等。为空气源热泵的相关人员的工作提供借鉴，可以帮助到更多的专业人员在此基础上推动技术的发展。

一、空气能热泵的工作原理

如图1所示，空气源热泵的组成由蒸发器、膨胀阀、冷凝器与压缩机。当空气能热泵工作时，工质经过压缩机，转为高温高压气体，工质转移到冷凝器中再给水加热；失去能量的空气温度降低，变成冷空气从室内机中吹出；在室外机的风扇运作下，室外常温空气由进风口进入顶部内腔，通过蒸发器，利用空气中的热量加热低沸点工质并使其蒸发；另外保温水箱中的热水可供全家沐浴以及洗衣等多种用途[1,2]。

图1 空气能热泵的系统框图

逆卡诺循环作为空气源热泵的工作原理，如图2所示。如图2（a）所示是卡诺循环过程，从d到c为等温膨胀过程，主要的工作状态是工质从冷源吸取q2的热量，并通过c到b的绝热压缩，使其温度升高，再进行b到a的等温压缩，向环境介质放出热量q1，最后进行a至d过程的绝热膨胀，使其温度降低并回到初始状态d，一个过程中可以做Wnet的功。逆卡诺循环过程与此相反，如图2（b）所示。热泵压缩机通过与最终升高温度所需热量相比极少的电能将工质压缩，压缩后工质温度升高，经过水箱中的冷凝器时循环水将蒸汽的热量带走，并对外提供能量，热交换后的工质回到压缩机进行下一循环，在这一过程中，空气热量通过蒸发器被吸收导入工质中，工质再导入水中，最后对外提供高品位的热量[3,4]。

图2 空气能热泵的工作热循环原理

二、先进空气能热泵技术

（一）双级压缩技术

基于双级压缩技术的空气能热泵系统框图如图3所示。当蒸发温度低于-25度，压缩机的压缩比大于8时，运用双级压缩技术可以提高效率。其工作流程如下：由低压压缩机吸气并进行第一次压缩，成为二级压缩空气，后在中压冷却器将热量转移至所需加热的介质内，成为中压低温气体，再通入高压压缩器中进行第二次压缩为高压高温气体，再次传导热量致所需介质内，最后通过冷凝器转换为常压低温空气排出系统。其在工作过程中，通过两重压缩机，提高了压缩机效率，避免过压缩或欠压缩[5]。

图3 双级压缩热泵示意图

（二）复叠循环技术

如图4所示，复叠循环系统通过一个冷凝蒸发器连接两个独立的热泵系统。其中高温循环的制冷剂沸点较低温部分更高。低温工质通过高温工质的蒸发实现热量的转移。这个技术的一大特点为冷凝蒸发器同时作为高温循环的蒸发器和低温循环的冷凝器，可以极大的节省空间。热量由低温循环的工质在蒸发器内以蒸发的形式从被冷却的对象转移给高温循环的工质，最后由高温工质传递向冷却介质，如水等。因为利用双重制冷系统，因此与双级压缩技术低压部分相比，大幅度减少了低温部分气缸的容积，使整体体积，重量减少。

图4 复叠式压缩热泵示意图

例如，蒸发温度为-60℃时，覆叠式制冷机与双级压缩制冷机比较，总的气缸容积可减少65%，而且可减少能耗10%以上。且系统内保持正压力，空气不易漏入系统，使运行稳定而安全[5]。

（三）变频压缩技术

变频压缩技术通过核心变频器，使压缩机转速在一定范围内调节，并对输出能量多少与速率进行改变。变频器改变压缩机的功率，从而调节压缩机转速的快慢，起到了更加贴合用户侧需求的作用，优点有室温更为恒定、更加省电，使其舒适度大大提高。运用该技术的空调，热水器等，可根据房间内的温度，湿度等条件自动选择制热、制冷和除湿等不同的运转方式以贴合室内环境，使得压缩机不至于频繁启动，同时启动电流也很小。空调的压缩机一直保持在平稳的运行环境中，空调的运转平衡，减少了运转时产生的振动，空调产生的噪音也随之降低，从整体上多方面的提高了舒适度。

（四）变频涡轮技术

在空气源热泵中使用变频涡轮技术可以提高效率，增高能效比。涡轮可以大幅度提高压缩机输出功率，可以提高20%，使升温阶段速度更快，耗能最多的启动阶段时间更短，最多可以减少40%。效率也因此更高，可以节省电能达30%。

变频涡轮技术通过增压涡轮的位置可分为低压增压和高压增压。低压增压中，涡轮处于蒸发器和冷凝器之间，蒸发出的增压空气进入压缩机，如图5（a）所示。高压增压中，涡轮位于压缩机器和冷凝器之间，空气以压缩机，涡轮的顺序进行压缩，最后进入冷凝器，如图5(b)所示[5]。

图5 涡轮增压热泵示意图

（五）压缩机喷液法

压缩机喷液法是将工作腔内喷液与变频技术向融合，各取长处，成功的适应了寒冷的气候，如图6所示。压缩机为涡旋式变频压缩机，且将喷液孔置于旋盘合适位置。当进入内腔的空气温度过低时，冷凝器出口的部分高压液体经喷液回路重新进入压缩机工作腔，通过本身较低的温度来降低压缩机排气温度，同时缩短做功时间，提高效率，最终提高系统的制热量。

图6 压缩机喷液热泵示意图

该系统可在低温环境中正常使用，但若在过低温度时使用，则必须提高频率，但因蒸发温度随之降低导致吸气比容增大，容积制冷量下降，同时制热量的提高程度较频率来说更低，导致了空气源热泵热水器的制热量与消耗功率之比在超低温有较为颓势的表现。故这类系统在环境温度很低的条件下尚不能满足制热量和节能要求[6]。

三、热水器的效率的决定因素

热泵技术是一种提高能量品位的技术，它因为不是能量转换的过程，因此不受能量转换效率极限的影响，而是以逆卡诺循环效率为参考基准。其传递热量的能力与投入热泵的电能之比称为制热性能系数又称能效比。表1总结并对比了各种空气源热泵系统的特点。

表1 各种空气源热泵系统的特点及对比

（一）环境气温

空气能热泵运用少量的能量从空气中汲取低品质的能量，因此空气温度对能效比有极大的影响。表现在：在室外温度较低时，如严寒地区，空气源热泵在运行时会显示出局限性，压缩机会在热泵蒸发温度降低，冷凝温度不变时，导致压缩比增加，引起排气温度升高。当排气温度过高时，会使压缩机使用寿命减短，且在使用过程中温度有不受控制的风险；由于空气流动阻力随着蒸发器表面结霜覆盖量的增加而增加，因此机组制热量减少，使性能下降。过热度是环境温度改变时产热量变化的基准，过热度以零度为界限越靠近零度产热量越大。环境中整体温度过低的话，会导致空气源热泵的压比增大、排气温度升高，这时系统的压缩机加大功率，可以使排气温度明显降低。

（二）机组功率与能效

研究表明，在供暖季，随环境温度升高建筑平均负荷降低，输入的功率和机组的制热量受负荷大小的直接影响，压缩机吸气压力与环境温度升高正相关，压缩机吸气压力升高后环境温度也随之升高，如果机组输入功率减小，最终需求不变，就需要在冷凝压力不变，机组出水温度不变的情况下，令压缩机压比减小。高压级压缩机的压缩比随着出水温度的升高而增高，比压缩功增加，因而机组总压缩功上升。当环境温度相同时，随着机组出水温度的升高，机组功率上升、能效也随之下降。因此，严寒地区使用空气源热泵供暖时，在满足建筑采暖需求的前提下，应尽可能降低机组出水温度，以使机组能效最大化[7]。

（三）平衡点影响

空气源热泵的供热能力及性能随着室外温度增高而增高，且用户侧热负荷随着室外温度升高而降低。空气源热泵供热能力和建筑热负荷需求随室外温度变化趋势相反，则平衡点温度为二者相等的对应室外温度。若以进行选型，且在保障最不利工况下热泵机组能提供足够的热量的情况下，性能系数会下降，这是由于空气源热泵机组运行绝大部分时间处于部分负荷工况。若为使空气源热泵保持在较高负荷率运行，选择高平衡点温度，会使空气源热泵容量选型过小，辅助热源承担供暖比例增加，无法充分发挥空气源热泵节能高效的作用。因此，供暖平衡点是空气源热泵系统机组容量选择和辅助热源配置比例确定的重要依据，对空气源热泵供暖系统性能和经济性具有重要影响[8]。

（四）压缩机效率

热泵过程效率总体上呈下降趋势，且为呈曲线变化，在初始时因系统启动需要消耗更多能量去加热整体温度，并逐步提高冷凝温度，导致效率较低。随着水箱水温的逐步升高，冷凝温度上升，换热器的换热环境得到改善，过程效率得到提升，后达到最大。随着水箱温度继续升高，能效比随着温差降低而降低。因此水温在一定数值时整机效率等于平均效率，在此温度点之前，整机效率高于平均效率，在此温度点之后，整机效率低于平均效率[9]。