外界溫度對空氣源熱泵的影響與改進

岳江浩 楊鑫 楊世龍 翟昊

摘要：空氣源熱泵可以通過運用較低的能耗，將空氣中低品位熱能轉化提供給高溫熱源，而空氣作為低溫熱源取之不盡用之不竭[1]，對環境的影響小，是目前非常受歡迎的節能裝置。但是在一些冬季溫度過低與夏季溫度過高的地區，空氣源熱泵也存在著啟動困難與能耗增加的問題。在本文根據空氣調節用制冷技術對空氣源熱泵系統的工作原理與節能性進行介紹，再對極端溫度天氣空氣源熱泵系統工作效率下降問題提出一些解決方案。

關鍵詞：空氣源熱泵;節能環保;供熱系數;雙級壓縮

中圖分類號：TU831.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0097-02

0 ?引言

2018年全球能源需求量增加2.3%，為10年來最快增速。在我國建設發展過程中能耗巨大，其中建筑筑物物的總能耗約占全部能耗的34%，且占比逐年增大。而暖通空調能耗占整個建筑能耗的50-60%，減少暖通空調設備的能耗非常重要。隨著人們節能環保意識的提高，近年來空氣源熱泵系統因其較低的能源消耗與更優的建筑環境營造能力，越來越受到人們的青睞，雖然在暖通空調行業所占的份額還不是很大，但相信未來空氣源熱泵系統會有一個高速的發展。

1 ?空氣源熱泵系統介紹

熱泵就是以冷凝器或其他部件放出的熱量來供熱的制冷系統。空氣源熱泵是熱泵的一種，利用高品位能量使熱量從低溫熱能空氣流向高溫熱源的裝置。

1.1 空氣源熱泵節能性介紹

空氣源熱泵與空調的部件基本相同，都有“四大件”：蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥，利用逆卡諾循環的原理，如圖1。

在空調的制冷循環中單位工質的吸熱量為4、5、6和1所圍矩形的面積：

制冷中所消耗的能力即壓縮機的耗功量為1、2、3和4所為矩形的面積：

整個制冷循環的制冷系數：

而熱泵向高溫熱源釋放的熱量為3、5、6和2所圍成的面積：

熱泵的供熱系數μ為：

從式（5）可以看出熱泵工作時的供熱系數μ比空調的制冷系數要大。此外，還可以看出供熱系數始終大于1，所以熱泵從能力利用的角度來看，要比直接消耗電能或燃料的鍋爐或電熱扇更節能。

1.2 空氣源熱泵原理介紹

空氣源熱泵實際上是用冷凝器中的低溫工質不斷吸收空氣中的低溫熱能，由液體變成低壓低溫氣體，在壓縮機動力作用下將再帶回到壓縮機中，壓縮成可用的高品位熱能，在冷凝器中高溫工質與水進行換熱，水被加熱后被輸送到地暖和淋浴裝置等處，在高壓低溫液態工質則被送到膨脹閥中進行降壓處理，周而復始的循環。

1.3 空氣源熱泵的優點

①節能環保，熱泵的供熱系數恒大于一，所以熱泵從能力利用的角度來看，要比直接消耗電能或燃料的鍋爐或電熱扇更節能[2]。②由于空氣源熱泵沒有冷卻水系統，所以無冷卻水消耗，也無冷卻水系統動力消耗，也就不存在軍團病發生的可能。③空氣源熱泵為冷熱源一體裝置，無需特定的空間，放置簡便。

2 ?極端溫度空氣源熱泵的改進

2.1 冬季低溫情況下空氣源熱泵的改進

在冬季嚴寒地區，室外溫度過低給熱泵的啟動帶來的困難，因為當環境溫度越接近制冷工質甚至低于其蒸發溫度時，工質蒸發量會很少。本文采用雙級蒸汽壓縮循環來解決低溫制熱問題。現在已經能夠實現在嚴寒地區-30℃的環境下制熱，彌補了嚴寒地區供暖市場的空白點[3]。低溫空氣源熱泵原理圖見圖2。

相比于普通熱泵在-10℃及更低溫度下，由于蒸發溫度過低，引起蒸發量較少，導致壓縮機回氣量少，從而影響冷凝放熱。低溫熱泵采用雙級壓縮，從閃發蒸汽分離器中的蒸汽與蒸發器中的蒸汽混合后進入壓縮機當壓縮機回氣不夠時，閃發蒸汽分離器中的蒸汽可以作為補充，這樣冷凝器的放熱量就會提高，因此在極低的溫度下仍能正常制熱。該循環屬于二次節流中間不完全冷卻雙級壓縮制冷循環。該循環采用中間補氣的方式實現了雙級壓縮，壓縮腔體中的工質壓力與質量會有所增加，有利于功耗的降低。

2.2 夏季高溫情況下的空氣源熱泵制冷改進

對于一些例如重慶的火爐城市，夏季是十分炎熱的，丘陵地貌使得熱量無法散失，有時甚至達到40攝氏度以上，對于這種情況，空氣源熱泵的制冷效果也會受到影響，制冷工質在冷凝器中與外界高溫空氣換熱，由于溫度過高，工質的液化效果不好，釋放的熱量也相當有限。導致空氣源熱泵制冷效果不好針對極端高溫天氣，本文著重講解過冷液體旁通法，因為該種方法與上文提到的蒸汽噴射增焓法有異曲同工之妙，原理大致相同。噴液旁通法的原理是在壓縮機排氣壓力未達到所需保護的限值時，通過旁通支路將部分制冷劑旁通至氣液分離器的前面，然后與蒸發器出口過熱制冷劑混合，從而降低吸氣溫度和排氣壓力，進而提高空氣源熱泵的工作性能[4]。其工作流程圖見圖3。

當冷凝器出口壓力達到卸荷閥的開啟壓力時，制冷劑液體被分成主路和旁通流路兩支。進而降低了壓縮機吸氣溫度和排氣壓力。在高溫工況下壓縮機吸氣溫度較高，所以制冷工質的比體積較大，制冷劑循環流量較少;當開啟噴液旁通后，吸氣溫度降低，壓縮機入口制冷工質的比體積減小，制冷劑循環流量增大。因此，當系統循環流量增大比例大于旁通比例時，系統制冷量增大，否則導致制冷量降低。

2.3 室內廢氣熱量再利用系統

由于建筑的維護結構存在保溫性，當開啟空氣源熱泵時，可以利用室內新風系統排出的空氣與室外空氣混合來降低或升高室外溫度，這樣在與空氣源熱泵的冷媒進行換熱時可明顯提高換熱效率，同時也解決了冬天空氣源熱泵結霜的問題。具體結構見圖4。

在冬天溫度很低時，可以利用屋內排出的高溫度空氣與外界空氣通過風機混合后再送到蒸發器與冷媒進行換熱，這樣可以保證空氣源熱泵的正常啟動，同時保證了冷媒的蒸發量，通過室內的高溫氣體還可以去除結霜。在夏季也可利用室內需要排除的低溫空氣與外屆空氣混合后溫度降到正常值再與室外換熱器交換熱量。

3 ?結語

本文首先根據空氣調節相關知識從理論上解釋了熱泵的節能性，然后針對超高溫與極低溫的情況下空氣源熱泵功耗大，啟動難的問題，對其熱泵系統提出了改進方案，對北方寒冷地區可以采用雙級壓縮中間補氣的方式，來彌補低溫情況下工質蒸發量少的問題，對于南方夏天炎熱地區可以采用雙級壓縮中間補充過冷液體的方式，來彌補工質在高溫下冷凝量少的問題。第三種方案是一種適用范圍更廣的方案，利用室內需要排除的空氣廢熱來與外界空氣混合后再與室外換熱器換熱，通過該系統即能夠改善室外換熱的工作條件減少結霜率，又可以降低壓縮機的功耗，是一種節能環保的空氣調節系統。

參考文獻：

[1]龍惟定，武涌.建筑節能技術[M].中國建筑工業出版社，2009.

[2]石文星，田長青，王寶龍.空氣調節用制冷技術[M].中國建筑工業出版社，2016：18.

[3]金洪文.低溫空氣源熱泵在嚴寒地區的應用研究[J].中國知網，2019.

[4]賈慶磊，熊志洪，晏剛.改善空氣源熱泵在夏季高溫工況下運行性能的試驗研究[J].中國知網，2014.

作者簡介：岳江浩（2000-），男，河北邢臺人，本科生，研究方向為能源與應用工程;楊鑫（2000-），男，河南三門峽人，本科生，研究方向為能源與應用工程;楊世龍（2000-），男，安徽桐城人，本科生，研究方向為能源與應用工程;翟昊（2000-），男，安徽馬鞍山人，本科生，研究方向為能源與應用工程。