低溫環(huán)境下空氣源熱泵的研究現(xiàn)狀及展望

吳衛(wèi)平+魏忠鑫+竇秀華

摘 要：空氣源熱泵作為一種新型的節(jié)能減排環(huán)保裝置，具有十分廣泛的應(yīng)用前景和前途。但是在低溫環(huán)境下，空氣源熱泵的工作性能十分不穩(wěn)定，而且制熱效率比較低，這些弊端都阻礙了空氣源熱泵的進(jìn)一步推廣。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，進(jìn)一步研究了低溫環(huán)境下空氣源熱泵的相關(guān)改善措施，分析了相關(guān)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)最新的研究現(xiàn)狀，對(duì)今后的研究方向做出了新的展望。

關(guān)鍵詞：低溫環(huán)境；空氣源熱泵；現(xiàn)狀；展望

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.245

0 引言

空氣源熱泵通過(guò)少量的高位電能做驅(qū)動(dòng)，將空氣中的低位熱能進(jìn)一步提升為高位熱能，將空氣中的能量加以利用。這一裝置具有節(jié)能減排、高效無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)，而空氣源熱泵作為一種新型的產(chǎn)品，在節(jié)能減排、降低對(duì)化石燃料依賴程度方面將擁有無(wú)限的發(fā)展?jié)摿?。雖然空氣源熱泵的運(yùn)行效能比較好，但是在低溫環(huán)境中空氣源熱泵系統(tǒng)并不能高效穩(wěn)定的運(yùn)行。究其原因，主要有以下幾點(diǎn)：隨著蒸發(fā)溫度的降低，壓縮比增大，致使排氣溫度過(guò)高，嚴(yán)重的時(shí)候可能導(dǎo)致壓縮機(jī)燒毀；低溫環(huán)境下，蒸發(fā)器表面容易結(jié)霜，空氣流動(dòng)阻力不斷增加，導(dǎo)致制熱量減少，從而導(dǎo)致性能下降；低溫下，由于潤(rùn)滑油積存于氣液分離器中，而粘度不斷增加導(dǎo)致啟動(dòng)失油，進(jìn)而降低了潤(rùn)滑效果。

1 關(guān)于低溫環(huán)境下空氣源熱泵的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于在低溫環(huán)境下，空氣源熱泵具有很多的弊端，而國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，其中包括以下幾個(gè)方面：

補(bǔ)氣増焓熱泵系統(tǒng)能夠有效改善低溫環(huán)境下的制冷效果，進(jìn)而降低壓縮機(jī)的排氣溫度、提高制冷效果，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。有相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)在-10℃～-15℃的低溫環(huán)境下，補(bǔ)氣増焓熱泵系統(tǒng)具有良好的制熱效果和供暖溫度，能夠滿足北方地區(qū)的冬季采暖。但是隨著溫度的不斷升高，補(bǔ)氣性能的效果卻逐漸變差。在低溫環(huán)境下，帶閃發(fā)器的熱泵系統(tǒng)比帶過(guò)冷器的熱泵系統(tǒng)更能夠滿足寒冷地區(qū)的供熱需求，但是該系統(tǒng)卻僅僅適合小型的空氣源熱泵系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)大量的研究現(xiàn)狀表明，噴液冷卻的壓縮機(jī)引入輔助換熱和性能優(yōu)良的混合工質(zhì)之后，空氣源熱泵系統(tǒng)的低溫適應(yīng)性進(jìn)一步得到提高，但是該系統(tǒng)的可靠性卻沒(méi)有得到改善，因此補(bǔ)氣増焓熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用仍需要研究。

雙級(jí)壓縮式熱泵循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)一步提高了低溫環(huán)境下的性能，可以有效降低排氣溫度過(guò)高、壓力比過(guò)大的一系列問(wèn)題。相關(guān)學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了一系列的相關(guān)數(shù)據(jù)：雙級(jí)壓縮式熱泵循環(huán)系統(tǒng)比單級(jí)壓縮式熱泵循環(huán)系統(tǒng)的性能系數(shù)更高，但是由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的局限性和方案實(shí)際操作的復(fù)雜性，并不能完全證實(shí)雙級(jí)壓縮式熱泵循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。而在實(shí)驗(yàn)中，雙級(jí)壓縮式熱泵循環(huán)系統(tǒng)也暴露出一定的弊端，最佳中間壓力也未得到證實(shí)，因此在今后的研究中應(yīng)該傾向于最佳中間壓力的相關(guān)問(wèn)題。

復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)將高溫制冷劑與低溫制冷劑相結(jié)合，使其能夠在最佳的溫度范圍內(nèi)工作，直到目前為止，對(duì)于復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)的研究主要以制冷效率為目標(biāo)，充分利用熱力學(xué)理論的相關(guān)知識(shí)，選取最佳的中間冷凝溫度。相關(guān)學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)相比于其他空氣源熱泵系統(tǒng)具有一定的發(fā)展前景，但是在今后的研究中，需要將更多的精力放在潤(rùn)滑油的高溫分解方面。同樣，為了解決冷凝換熱欠佳的現(xiàn)狀，相關(guān)學(xué)者做了大量的研究和實(shí)驗(yàn)，對(duì)復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合過(guò)程不斷優(yōu)化。

2 對(duì)低溫環(huán)境下空氣源熱泵的展望

空氣源熱泵系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、減排的優(yōu)勢(shì)，因此具有無(wú)限的市場(chǎng)前景。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，空氣源熱泵系統(tǒng)的功能日趨多樣，因此對(duì)產(chǎn)品的可靠性提出了更高的要求。學(xué)者們通過(guò)對(duì)低溫環(huán)境下空氣源熱泵系統(tǒng)的研究，對(duì)這一具有無(wú)限市場(chǎng)潛力新型技術(shù)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展做出了展望。

如果過(guò)度提高制冷劑將會(huì)產(chǎn)生一系列的溫室效應(yīng)，破壞臭氧層，因此必須尋找更高效、環(huán)保的適用于低溫環(huán)境的制冷劑。我國(guó)與西方多個(gè)國(guó)家進(jìn)行合作，積極制定二氧化碳制冷壓縮機(jī)的性能測(cè)試方法，這將推動(dòng)我國(guó)制冷技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

我國(guó)很多高校對(duì)蓄熱型熱泵做了大量的研究工作，將蓄熱技術(shù)充分應(yīng)用于提供能源利用效率和環(huán)保方面，以解決熱能供給的相關(guān)矛盾。有效利用蓄熱型熱泵技術(shù)的利用，能夠提高熱泵系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，將相變材料與熱泵技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提高低溫環(huán)境下空氣源熱泵系統(tǒng)的性能。

在今后的實(shí)踐中，將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適合低溫環(huán)境下的空氣源熱泵系統(tǒng)，利用現(xiàn)代科技的發(fā)展，完善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。學(xué)者在與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合之后，對(duì)系統(tǒng)不斷優(yōu)化，進(jìn)而使系統(tǒng)的制熱效率和穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)。

空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境中運(yùn)行，蒸發(fā)器表面的面霜導(dǎo)致制熱能力不斷下降，進(jìn)而阻礙了空氣源熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此除霜是提高空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境中性能的有效途徑。電熱除霜由于操作簡(jiǎn)單、除霜完全，被廣泛使用，但是耗電量大，并不能應(yīng)用于大型的裝置中。逆循環(huán)除霜簡(jiǎn)單易行、除霜效果十分好，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性極差、得不到有效的控制。眾多學(xué)者在比較分析之后認(rèn)為，相變蓄能系統(tǒng)能夠縮短除霜時(shí)間、能耗較少、系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，因此在解決除霜技術(shù)這一方面這一技術(shù)能夠更好的應(yīng)用于實(shí)踐中。

3 結(jié)論

縱觀國(guó)內(nèi)外研究，人們對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)有了較深的認(rèn)識(shí)，尤其隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，致使空氣源熱泵系統(tǒng)受到更多的關(guān)注。但是在實(shí)際的推廣應(yīng)用中，低溫環(huán)境影響了空氣源熱泵系統(tǒng)的性能。因此，眾多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者分析了低溫環(huán)境下空氣源熱泵系統(tǒng)存在的弊端，并提出了相關(guān)的改善措施，并作出了積極的展望。為了解決世界環(huán)境問(wèn)題，對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)將作出進(jìn)一步的研究，并致力于提高其運(yùn)行性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，為創(chuàng)新型國(guó)家探索新的發(fā)展道路。

參考文獻(xiàn)：

[1]王灃浩，王志華，鄭煜鑫，郝吉波.低溫環(huán)境下空氣源熱泵的研究現(xiàn)狀及展望[J].制冷學(xué)報(bào)，2013（05）：47-54.

[2]黎天標(biāo).直凝式空氣源熱泵地暖系統(tǒng)研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2016.

作者簡(jiǎn)介：吳衛(wèi)平（1959-），男，山東青島人，碩士研究生，主要從事企業(yè)管理和超低溫空氣源熱泵恒溫系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)工作。endprint