空氣源熱泵供暖技術研究現狀*

孫茹男 羅會龍 李志國 劉兆宇 惠寵

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

2018年，全球一次能源消費增長迅速，增長率高達2.9%，是2010年以來的最快增速[1]。我國北方地區冬季大規模采暖不僅過量消耗一次能源，而且帶來了霧霾等嚴重的環境污染問題。在此背景下，國家積極支持和推進“煤改電”工程，以清潔能源替代化石燃料，從而改善空氣質量，有效解決我國環境污染問題，提高人民的生活質量。

空氣源熱泵作為21世紀清潔供暖方式的代表，既可以降低一次能源消費、緩解能源壓力，又能消除傳統供暖方式帶來的不利影響。但現階段空氣源熱泵供暖運行時效果還不理想，在運行過程中會出現結霜、性能衰減以及回水溫度高等問題，導致其運行性能惡化。

本文主要從提高空氣源熱泵供暖運行性能研究方面，對空氣源熱泵供暖技術進行了綜述，分析了系統的優缺點以及對供暖性能的影響，并提出了進一步改善空氣源熱泵供暖性能的措施，為空氣源熱泵供暖技術的發展提供理論參考。

1 空氣源熱泵供暖技術研究

空氣源熱泵兼具制冷和制熱兩種功效。在冬季作為供暖設備時，通過熱泵技術從室外空氣中吸收熱量，將此熱量傳遞給熱媒循環水，使之溫度升高。但空氣源熱泵供暖運行時受氣候條件的影響較大，如室外環境溫度、濕度的變化會對系統的制熱量、COP以及運行安全性造成不同程度的影響。

為提高空氣源熱泵供暖運行性能，國內外學者對空氣源熱泵系統的研究類型主要包括：補氣增焓空氣源熱泵系統、雙級壓縮空氣源熱泵系統、復疊式空氣源熱泵系統、帶回熱循環空氣源熱泵系統以及空氣源熱泵除霜系統。

1.1 補氣增焓空氣源熱泵系統

補氣增焓系統是將冷凝器出口的高壓制冷劑液體分為補氣回路和主回路兩部分，補氣回路的制冷劑經過中冷器(或閃發器)成為低溫氣體進入壓縮機。在外界環境溫度較低時，與傳統單級壓縮系統相比，補氣增焓系統的制熱量和COP更高。

在熱泵制熱領域的應用研究方面，冉小鵬等[2]對補氣增焓系統的運行特性進行了數值模擬和實驗，驗證得出：補氣能夠有效降低壓縮機排氣溫度，提高制熱量，在相對補氣量最佳時系統制熱量可以提高33%，能效提高31%。XU SH X 等[3]研究了以R32作為制冷劑的補氣增焓系統的性能，采用補氣增焓系統，蒸發溫度和冷凝溫度均提高了0.8～1 ℃，且相對補氣量在12%～16%時系統整體運行效果最好。HEO J等[4]研究了補氣增焓系統在低溫環境下對變頻壓縮熱泵制熱性能的影響，與不帶補氣增焓系統的熱泵相比，在-15 ℃的低溫環境下，制冷劑總流量增加了30%～38%，熱泵系統的COP和制熱能力分別提高了10%和25%。WANG X等[5]通過對比帶閃發器和帶熱交換器的補氣增焓系統發現，帶熱交換器的系統補氣壓力工作范圍更大，與傳統熱泵系統相比，在環境溫度為-17.8 ℃時，補氣增焓系統的制熱量提高了30%，COP提高了20%。

補氣增焓系統可在-25 ℃的條件下正常運行，適用于北方嚴寒地區。但補氣增焓技術不能從根本上解決壓縮機壓縮比大、排氣溫度高的問題，且隨著蒸發溫度升高，補氣增焓系統的優勢變得不太明顯，研究范圍局限在低溫供熱。

1.2 雙級壓縮空氣源熱泵系統

雙級壓縮系統是利用兩級壓縮間的補氣系統來冷卻制冷劑，經高級壓縮后的排氣溫度顯著降低。中間補氣系統分為經濟器系統和中間冷卻器系統。

近年來，對雙級壓縮系統的研究主要涉及系統特性、運行參數以及運行優化等方面。武文彬等[6]對比了雙級壓縮與普通單級壓縮系統的制熱循環性能，在低溫工況下，雙級壓縮系統的壓比更低，制熱量更高，即使在-20 ℃的低溫條件下系統性能COP仍然保持在1.5左右。BERTSCH S S等[7]研究了一種以R410A為制冷劑的雙級壓縮系統，結果表明：該系統能夠在-30～10 ℃的環境中運行，供水溫度高達50 ℃。陳孚江等[8]研究了低溫工況下運行參數對雙級壓縮一次節流中間不完全冷卻系統性能的影響發現，蒸發溫度對系統COP的影響最大，過冷度對系統COP的影響較小，過熱度幾乎不影響。此外，LI Y X等[9]理論分析了換熱器的熱導率分配以及低級壓縮與高級壓縮的容積比，通過優化配置冷凝器和蒸發器的導熱率可以使系統COP達到最大，但還需要進一步進行實驗研究。

雙級壓縮系統具有壓縮比小、排氣溫度低、系統COP高等特點。但雙級壓縮系統由于采用高級壓縮和低級壓縮串聯的方式，致使壓縮機回油不均勻，同時還存在最佳中間壓力難以確定和溫跨范圍受限等問題。

1.3 復疊式空氣源熱泵系統

早在20世紀30年代，人們就提出了復疊式的概念，并將其應用于制冷系統中。復疊式系統是通過借鑒復疊式制冷技術來解決空氣源熱泵供暖運行時性能衰減的問題，擴大空氣源熱泵的應用范圍[10]。復疊式系統由低溫級和高溫級兩級制熱系統構成，通過低溫級制熱系統制熱來為高溫級制熱系統運行創造條件。

目前，關于復疊式系統制熱方面所做的研究相對較少。陳劍波等[11]通過對復疊式系統在不同工況下制取高溫熱水的可行性研究發現，在-28 ℃的低溫環境下可制取80 ℃的高溫熱水，且機組運行平穩可靠，節能性較好。KIM D H等[12]研究得出，最佳中間溫度取決于冷凝溫度、蒸發溫度、溫差、高溫循環和低溫循環效率等5個參數。除了對系統特性和最佳中間溫度選擇的研究外，研究者們還在性能改進方面做了研究。楊永安等[13]提出了一種采用R410A單一工質的復疊式系統，該系統具有單級壓縮制熱和復疊式制熱兩種運行模式，可根據不同工況來切換這兩種運行模式，以滿足用戶的供暖需求。

復疊式系統通過采用高、低溫兩種工質，使熱泵系統的溫跨范圍更大，能夠在較低的環境溫度下制取高溫熱水。但中間溫度是影響熱泵系統運行性能的關鍵因素，目前國內對在不同室外工況下如何確定最佳中間溫度沒有明確的標準。另外，由于該系統由兩個單獨循環的制熱系統組成，系統較為復雜，使用成本較高，目前并未真正在實際中得到應用。

1.4 帶回熱循環空氣源熱泵系統

回熱器通過降低冷凝器出口制冷劑的溫度，加強冷凝器中的換熱程度，減少節流損失，避免壓縮機產生液擊現象，進而提高系統整體循環效率。但壓縮機的吸氣過熱度也隨之增加，導致壓縮機吸氣量降低，排氣溫度升高，引發壓縮機運行安全問題。因此，要設置適宜的回熱器面積。

1.5 空氣源熱泵除霜系統

空氣源熱泵供暖運行中的結霜問題不可避免，采取有效的除霜系統是保障空氣源熱泵供暖穩定高效運行的措施之一。根據除霜機理和除霜能量來源不同，開發了熱力除霜系統和非熱力除霜系統。

1.5.1 熱力除霜系統

熱力除霜系統是最常見的除霜系統，主要包括逆循環除霜系統、熱氣旁通除霜系統以及蓄能除霜系統。逆循環除霜和熱氣旁通除霜是目前應用最廣泛的兩種除霜方法，DONG J K等[19]通過對逆循環除霜過程中能量來源及能耗的研究發現，該系統除霜的能量來源主要是室內空氣的熱能、室內換熱器盤管余熱和壓縮機做功，但由于室內空氣熱能占比最高為71.8%，所以除霜時室內熱舒適性會下降。CHOI H J等[20]提出了一種雙熱氣旁通除霜系統，能夠在持續高效供熱的同時縮短除霜時間，以改善傳統熱氣旁通除霜系統的性能。蓄能除霜系統是在逆循環除霜的基礎上提出來的，張杰等[21]通過對比逆循環除霜和熱氣旁通除霜，無論從除霜時間還是能耗分析，蓄能除霜的性能都大大優于逆循環除霜和熱氣旁通除霜，節能效果達到31.3%。

逆循環除霜和熱氣旁通除霜系統操作簡單、成本較低、適用范圍廣、除霜效果良好，但受除霜能量來源的限制，除霜時間較長；蓄能除霜系統雖然解決了除霜能量來源不足的問題，但仍存在除霜時室內供熱中斷的問題。

1.5.2 非熱力除霜系統

非熱力除霜是利用外加力場來除霜，主要包括外加電場和超聲波。WANG CH CH 等[22]和TUDOR V 等[23]研究了直流電場和交流電場對冷表面結霜的影響發現，在電場存在的情況下，形成的霜層結構薄弱，更易脫落，而且與直流電場對比，交流電場作用下結霜度降低高達46%，減少冷表面結霜的效果更好。譚海輝等[24]通過超聲除霜試驗對比發現，超聲除霜效率比逆循環除霜效率至少高7倍，且除霜能耗低，但并不能完全去除室外換熱器表面的結霜。

無論是外加電場還是超聲波都能從根本上抑制結霜，但外加電場會帶來一定的危險性和能耗問題，超聲波除霜受區域的限制不能完全去除翅片上的基層冰，不利于空氣源熱泵供暖運行。

2 結論

近年來，空氣源熱泵供暖技術迅猛發展，應用區域逐年增加，對空氣源熱泵供暖運行性能提出了更高的要求。補氣增焓和雙級壓縮系統的應用，可有效改善其供暖運行性能衰減問題；復疊式系統通過擴大溫跨范圍，使得空氣源熱泵在較低室外工況下供暖運行效果得以更好地保證，但是成本較高；在系統中增設回熱器，可更有效地提高系統循環效率；除霜系統能更有效地解決結霜問題，熱力除霜系統操作簡單、適用性較好，但除霜時間長；非熱力除霜系統除霜效率有大幅優化，但仍在實驗研究階段。

隨著人們生活水平的提高，人們將越來越注重人居環境，對空氣源熱泵供暖技術的要求會更高。為提高空氣源熱泵供暖運行性能，可從系統優化、改進除霜方法、采用新工質等多方面來實現。

(1)空氣源熱泵可通過優化常規熱泵系統達到更好的供暖運行效果，如多熱源輔助熱泵系統、雙級壓縮與變頻技術結合、復疊式技術等。通過深入研究熱泵系統理論機理，優化設計空氣源熱泵系統，開發新型空氣源熱泵系統等措施，以期使空氣源熱泵供暖運行時制熱功率、COP等得到更大的提升。

(2)除霜方法是解決空氣源熱泵結霜問題的主要手段，通過深入研究結霜機理、提出新的除霜方法、優化除霜控制等措施來改善空氣源熱泵供暖運行性能。

(3)不同的制冷劑工質決定了熱泵循環的制熱性和節能性，在空氣源熱泵供暖過程中，通過研究制冷劑工質的熱物性、選擇合適的工質，研發綠色高效的新型工質，促進空氣源熱泵供暖技術的發展。