空氣源熱泵特點及其在北方地區的應用

楊少宇 陸凱君 杜娟 王姍姍 何梓鵬 戚曉娟

摘 要：隨著社會經濟的發展，能源問題與環境問題成為制約發展的重要因素。空氣源熱泵是一種利用空氣作為低溫熱源，使用少量電能獲取大量熱能的高效節能裝置。空氣源熱泵在居民生活中通常用作采暖或空調。空氣源熱泵在我國南北方都有應用，而本文主要針對北方地區空氣源熱泵的應用進行一些研究。

關鍵詞：熱泵；空氣源；節能；北方地區

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.065

1 空氣源熱泵及其特點

熱泵是一種利用高位能是熱量從低位熱源流向高位熱源的節能裝置。其作用主要是將不能直接使用的低位熱能（如空氣，土壤，水，太陽）等轉換為可以使用的高位熱能，已達到節約煤 石油 天然氣等不可再生能源目的。

空氣源熱泵是以空氣作為低溫熱源的熱泵，空氣的特點是取之不盡，用之不竭，且不受地理條件的限制。空氣源熱泵需要消耗一定的電能，但是其提供給用戶的熱能遠比所消耗的電能要多的多。空氣源熱泵作為高效的節能裝置其擁有很多的優點。當然，也會有一些限制其發展的因素：

優點：

（1）空氣能作為可再生能源，取之不盡，用之不竭。而且空氣的熱量能夠得到迅速的補充。而且空氣源熱泵能把空氣中的熱吸收出來，經過壓縮機壓縮后可以轉化為高溫熱能，使得水加熱到居民可以使用的溫度。通常水溫可達到55-60℃，水溫最高可達到65℃。

（2）空氣源熱泵通過消耗少量的電能，把空氣中的熱能轉換為高位可以使用的熱能。其輸出的能量與輸入電能之比cop一般在3-5之間。而普通的電熱水鍋爐的能效比cop值不大于0.9，燃氣燃油鍋爐的能效比cop只有0.6-0.8，一般的燃煤鍋爐的能效比cop更低，只有0.3-0.7.

（3）空氣源熱泵熱水系統運行安全可靠，其整個系統無傳統的熱水系統中存在的易燃，易爆，觸電，腐蝕，中毒等危險。熱水通過高溫冷媒與水進行交換，使得電與水在物理上分離，是一種完全可靠的熱水系統。

（4）使用壽命長，維護費用低，智能化控制，節約人工管理費

用，設備運行穩定，運行起來安全可靠。

（5）空氣源熱泵使用范圍廣：可用于酒店，學校，醫院等等，可以單獨使用也可集中使用，不同供熱要求可以選擇不同的產品系列和安裝設計。能在惡劣天氣下使用，但是一般適用于最低溫度在 -20℃以上的地區。

（6）其初期投資較高，一般為普通煤氣天然氣的3-5倍，但是由于其使用壽命較長，以及其節能效果，空氣源熱泵一般會在一年半之內通過節能的方式將成本回收。

缺點：

（1）空氣源熱泵在我國南方地區常常會存在結霜問題。我國的夏熱冬冷地區，空氣濕度較大且冬季室外溫度常常低于0℃。當室外換熱器的表面溫度低于周圍空氣的露點點溫度時，換熱器表面就會結霜。霜的形成，使得其傳熱效果變差，供熱能里下降，嚴重時甚至導致機組停止運行。結霜后的熱泵制熱性能系數降低，可靠性降低。

（2）空氣的比熱容較小，要獲得足夠的熱量，則需要較大的空氣量。一般來說，從空氣中每吸收1kw的熱能，所需空氣的流量約為360m?每小時。同時由于風機風量的增大，使得空氣源熱泵裝置的噪聲很大。

（3）空氣源熱泵在我國北方地區，冬季氣溫較低，而氣候干燥。采暖室外計算溫度基本在-5到-15℃嗎，相對濕度基本在45%-65%之間。這些地區空氣源熱泵的結霜問題不太嚴重，但是北方地區的空氣源熱泵的可靠性差。

2 北方地區空氣源熱泵的應用

（1）限制因素。1）建筑物的熱負荷隨著室外溫度的不斷降低而在不斷變大，而空氣源熱泵的制熱量卻隨著室外氣溫的降低而減少。因為當室外溫度降低時，空氣里所含的熱量減少，導致其需要的空氣量增加，也就是說需要更多的空氣才能滿足的要求。也就是說其壓縮比增大，壓縮機的容積效率降低，因此空氣源熱泵在低溫工況下運行時比中溫工況運行的單位質量供熱量也變小。因此，北方地區，空氣源熱泵機組的供熱量將會不足。2）由于室外氣溫低會出現壓縮機排氣溫度過高，使得機組無法正常工作。3）會出現失油問題。具體失油問題的具體原因：一是吸氣管回油困難：二是在低溫工況下，使得大量的潤滑油積存在氣液分離器內二造成壓縮機內卻又；三是潤滑油在低溫條件下會變得粘稠，降低潤滑效果。4）由于蒸發溫度越來越低，制冷劑質量流量也會越來越小，這樣半封閉壓縮機或全封閉式壓縮機的點擊冷卻不足而出現電機過熱，甚至燒毀電機。

（2）解決方法。為了解決上面的問題，出現了雙級耦合熱泵。如圖1所示；用空氣源熱泵冷熱水機組制備10-20℃的低溫水，通過水環路送至室內各個水/空氣熱泵機組中，水/空氣熱泵再從水中汲取熱量，直接加熱室內空氣，達到供暖的目的。為了提高該系統的節能和環保效益，又有單雙級混合式熱泵供暖系統。該系統克服了雙級耦合熱泵系統在整個采暖期內，不關室外溫度多高都按照雙級運行的問題。在室外溫度過低時無法進行單級運行時，再按雙級運行。其主要特點是：

該系統與傳統的供暖模式相比較，與傳統供暖模式相比較，它是一種更加節能的供暖模式，隨著人們的供暖需求的增加，使得建筑物能耗越來越高。污染也越來越嚴重。該種模式供暖使得能耗更加的降低，符合時代發展的需求。

系統通過水循環將倆套單級壓縮熱泵系統結合起來，組成一個新的雙級耦合熱泵系統。可以減少熱量在輸送與轉換過程中的損失，同時還可以省掉用戶的供暖設備。

3 結論

我國北方采暖期很長，北方地區采暖主要靠煤的燃燒來供熱發電，這是造成北方地區空氣污染的主要原因。因此熱泵技術在北方供暖中更具有節能環保意義。但是空氣源熱泵在北方的運用受到室外穩得的限制。在一些冬季溫度可達到-20℃的地區，其壓縮比過大，效率嚴重降低。因此，對于空氣源熱泵系統，在北方地區的應用初步來說，雙級耦合式熱泵是適合北方地區的。