高適應性空氣源熱泵技術研究及應用（2020年度《家電科技》優秀創新團隊項目）

項目負責人：馬國遠

項目聯系人：周峰 zhoufeng@bjut.edu.cn

項目組成員：馬國遠、周峰、許樹學、李富平、孫晗、姜明健、晏祥慧等

單位：北京工業大學

項目背景及研究意義

空氣源熱泵是從室外環境空氣中獲取熱量并提升品位后用于供熱，以及從室內環境中取熱并排放至室外環境空氣從而實現室內制冷的裝置或系統。由于其適用性強、結構緊湊、調控方便、能源效率高等優點，得到了廣泛使用。由于環境空氣溫度變化范圍大，空氣源熱泵性能在偏離設計工況時性能衰減嚴重。因此，發展能兼顧制冷和制熱性能的高適應性空氣源熱泵對于我國建筑節能至關重要。在此背景下，自1990年代末開始，項目完成單位在該領域開展了大量研究工作。

項目介紹

我國北方地區建筑冬季有較長時間的采暖需求，同時，近年來我國長江流域等地區的采暖需求也逐漸旺盛。研究表明：空氣源熱泵是適宜上述地區非集中采暖用戶的經濟、環保的熱源形式。另外，隨著氣候變化加劇，全國各地夏季空調需求也不斷增加，預計未來夏季空調的需求將進一步快速增長。因此，高適應性空氣源熱泵在制熱工況下需要重點解決低環境溫度下的性能衰減問題，而夏季則需要提升其溫和環境下的能效水平。

針對北方寒冷地區熱泵供暖效率低的問題，項目提出了擁有自主知識產權的“帶噴射器和貯液過冷器的熱泵（制冷）系統”的復合循環新流程，在詳細研究該熱泵系統循環機理和性能特性的基礎上，歸納出其設計理論和方法；以此為指導研發出家用熱泵空調器和商用低溫空氣源熱泵機組，形成批量生產。該熱泵系統在極端工況下按照復合循環工作，提高工作性能和運行穩定性，在普通工況下按照單機循環工作，保持傳統熱泵的特點。與普通系統相比，能夠很好地適應氣溫大范圍變化，保證在寒冷地區高效、穩定地全年運行，解決了空氣源熱泵在寒冷氣候區制熱性能差、無法長期穩定運行的關鍵問題。設備實物圖如圖1所示。

項目優勢

（1）首次提出采用強化補氣壓縮機、貯液過冷器、噴射器構成的新流程，建立了其通用特性方程，探明了其動態特性和匹配特性，確定出補氣壓力和噴射器結構參數的適宜范圍，研制出的原型機可在低蒸發溫度下長期安全運行，具備優良的低溫制熱性能。

（2）該技術用于家用熱泵，研制出在54℃至-30℃環境溫度中穩定可靠運行的熱泵空調器，且形成批量生產。經國家權威機構檢測，該空調器額定工況制冷能效比為4.87，-15℃環境溫度的制熱能效比為2.18。

（3）該技術用于商用熱泵，研制出能在-20℃環境溫度中穩定運行的低溫空氣源熱泵機組，并進行了工程應用，在-15℃氣溫下制熱能效比達2.15。

（4）該技術解決了環保替代工質R32熱泵低溫工況下排氣溫度超限的問題，使其能夠長期穩定運行，且制熱量高出常規熱泵系統4%～6%，制熱能效比高出3%。

圖1 設備實物圖

項目成果

項目累計發表論文40余篇，其中SCI檢索論文20余篇；授權專利20余項，其中發明專利10余項。2014年，教育部科技發展技術中心組織了對“適合首都圈氣候特點的帶噴射器和貯液過冷器的熱泵（制冷）系統”的科技成果鑒定會，鑒定意見為：該成果綜合技術水平處于國際領先。研究成果通過北京工業大學與珠海格力集團合作的項目于2014年獲得北京市科技獎（技術發明類）三等獎；與清華同方人環公司聯合申報的項目于2015年獲得中國制冷學會科學技術獎（技術發明類）一等獎。新型轉子補氣壓縮機已在全球第二大轉子壓縮機生產企業量產，并在強熱型熱泵空調器中批量應用。