空氣能熱泵先進(jìn)技術(shù)及其影響因素

徐一哲

（上海外國(guó)語(yǔ)大學(xué)附屬大境中學(xué)，上海 200011）

2022年初，歐洲出現(xiàn)了能源危機(jī)，多個(gè)國(guó)家調(diào)高了天然氣的價(jià)格，居民的生活受到了影響，歐洲政府也史無(wú)前例地加大了能源補(bǔ)貼政策力度。據(jù)相關(guān)研究表明，自帶節(jié)能功能的空氣源熱泵熱水器在歐洲市場(chǎng)一下子打破了長(zhǎng)期行業(yè)發(fā)展的瓶頸，呈現(xiàn)出井噴式的銷售增長(zhǎng)，進(jìn)一步推動(dòng)了空氣源熱泵熱水器快速發(fā)展。某業(yè)內(nèi)人士透露，從2026年開始德國(guó)政府禁止將燃?xì)獾募訜嵩O(shè)備安裝在新建或現(xiàn)有的建筑中，如果家庭購(gòu)買空氣源熱泵設(shè)備，政府將會(huì)補(bǔ)貼35%；如果客戶將現(xiàn)有的燃?xì)饧訜嵩O(shè)備永久的替換成空氣源熱泵熱水器，政府還將額外補(bǔ)貼10%的費(fèi)用?？諝庠礋岜脽崴髂茉跉W洲市場(chǎng)迅速發(fā)展起來(lái)，與政府給的高額補(bǔ)貼幾乎能抵消高昂的安裝成本是密不可分的。另外，當(dāng)前世界氣候變暖危機(jī)引起了人們的擔(dān)憂，在歐洲市場(chǎng)中，作為節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)品——空氣源熱泵熱水器受到人們的大力追捧也不足為奇了。

在我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，雖然目前能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍以傳統(tǒng)能源為主，但也在不斷鼓勵(lì)支持低碳和綠色能源?；诩矣没蛏逃脽崴氖褂脠?chǎng)景特征，產(chǎn)生了不同原理的空氣能熱水器，大大降低了用電量和提高了能效比。燃?xì)鉄崴鞯娜秉c(diǎn)有燃燒氣體不充分造成毒氣排放，能耗高使用年限較低。電熱水器的缺點(diǎn)有容易漏電造成觸電傷人，能耗超高，儲(chǔ)水量不足。太陽(yáng)能熱水器在經(jīng)常下雨陰天及北方冬季時(shí)需要外加電輔助，就相當(dāng)一個(gè)電熱水器安全隱患大，并且太陽(yáng)能熱水器所使用的真空管極易破碎維修麻煩使用年限較低?？諝饽軣岜霉?jié)能省電，其耗電總量為普通電熱水器耗電的25%、燃?xì)鉄崴骱碾姷?3%和太陽(yáng)能熱水器耗電的50%。除此之外，對(duì)比傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)，空氣源熱泵具有更高的安全性，且環(huán)境污染低，天氣因素對(duì)工作情況限制較小等優(yōu)勢(shì)。因此，空氣源熱泵研究熱度逐漸變高，市場(chǎng)占有率在擴(kuò)大。本文主要介紹了空氣源熱泵的基本工作原理，包括五種先進(jìn)空氣源熱泵的技術(shù)及其工作原理。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了各種影響空氣能熱泵的因素，如環(huán)境氣溫,平衡點(diǎn)影響,機(jī)組功率與能效等。為空氣源熱泵的相關(guān)人員的工作提供借鑒，可以幫助到更多的專業(yè)人員在此基礎(chǔ)上推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。

一、空氣能熱泵的工作原理

如圖1所示，空氣源熱泵的組成由蒸發(fā)器、膨脹閥、冷凝器與壓縮機(jī)。當(dāng)空氣能熱泵工作時(shí)，工質(zhì)經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)為高溫高壓氣體，工質(zhì)轉(zhuǎn)移到冷凝器中再給水加熱；失去能量的空氣溫度降低，變成冷空氣從室內(nèi)機(jī)中吹出；在室外機(jī)的風(fēng)扇運(yùn)作下，室外常溫空氣由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入頂部?jī)?nèi)腔，通過(guò)蒸發(fā)器，利用空氣中的熱量加熱低沸點(diǎn)工質(zhì)并使其蒸發(fā)；另外保溫水箱中的熱水可供全家沐浴以及洗衣等多種用途[1,2]。

圖1 空氣能熱泵的系統(tǒng)框圖

逆卡諾循環(huán)作為空氣源熱泵的工作原理，如圖2所示。如圖2（a）所示是卡諾循環(huán)過(guò)程，從d到c為等溫膨脹過(guò)程，主要的工作狀態(tài)是工質(zhì)從冷源吸取q2的熱量，并通過(guò)c到b的絕熱壓縮，使其溫度升高，再進(jìn)行b到a的等溫壓縮，向環(huán)境介質(zhì)放出熱量q1，最后進(jìn)行a至d過(guò)程的絕熱膨脹，使其溫度降低并回到初始狀態(tài)d，一個(gè)過(guò)程中可以做Wnet的功。逆卡諾循環(huán)過(guò)程與此相反，如圖2（b）所示。熱泵壓縮機(jī)通過(guò)與最終升高溫度所需熱量相比極少的電能將工質(zhì)壓縮，壓縮后工質(zhì)溫度升高，經(jīng)過(guò)水箱中的冷凝器時(shí)循環(huán)水將蒸汽的熱量帶走，并對(duì)外提供能量，熱交換后的工質(zhì)回到壓縮機(jī)進(jìn)行下一循環(huán)，在這一過(guò)程中，空氣熱量通過(guò)蒸發(fā)器被吸收導(dǎo)入工質(zhì)中，工質(zhì)再導(dǎo)入水中，最后對(duì)外提供高品位的熱量[3,4]。

圖2 空氣能熱泵的工作熱循環(huán)原理

二、先進(jìn)空氣能熱泵技術(shù)

（一）雙級(jí)壓縮技術(shù)

基于雙級(jí)壓縮技術(shù)的空氣能熱泵系統(tǒng)框圖如圖3所示。當(dāng)蒸發(fā)溫度低于-25度，壓縮機(jī)的壓縮比大于8時(shí)，運(yùn)用雙級(jí)壓縮技術(shù)可以提高效率。其工作流程如下：由低壓壓縮機(jī)吸氣并進(jìn)行第一次壓縮，成為二級(jí)壓縮空氣，后在中壓冷卻器將熱量轉(zhuǎn)移至所需加熱的介質(zhì)內(nèi)，成為中壓低溫氣體，再通入高壓壓縮器中進(jìn)行第二次壓縮為高壓高溫氣體，再次傳導(dǎo)熱量致所需介質(zhì)內(nèi)，最后通過(guò)冷凝器轉(zhuǎn)換為常壓低溫空氣排出系統(tǒng)。其在工作過(guò)程中，通過(guò)兩重壓縮機(jī)，提高了壓縮機(jī)效率，避免過(guò)壓縮或欠壓縮[5]。

圖3 雙級(jí)壓縮熱泵示意圖

（二）復(fù)疊循環(huán)技術(shù)

如圖4所示，復(fù)疊循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)冷凝蒸發(fā)器連接兩個(gè)獨(dú)立的熱泵系統(tǒng)。其中高溫循環(huán)的制冷劑沸點(diǎn)較低溫部分更高。低溫工質(zhì)通過(guò)高溫工質(zhì)的蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。這個(gè)技術(shù)的一大特點(diǎn)為冷凝蒸發(fā)器同時(shí)作為高溫循環(huán)的蒸發(fā)器和低溫循環(huán)的冷凝器，可以極大的節(jié)省空間。熱量由低溫循環(huán)的工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)以蒸發(fā)的形式從被冷卻的對(duì)象轉(zhuǎn)移給高溫循環(huán)的工質(zhì)，最后由高溫工質(zhì)傳遞向冷卻介質(zhì)，如水等。因?yàn)槔秒p重制冷系統(tǒng)，因此與雙級(jí)壓縮技術(shù)低壓部分相比，大幅度減少了低溫部分氣缸的容積，使整體體積，重量減少。

圖4 復(fù)疊式壓縮熱泵示意圖

例如，蒸發(fā)溫度為-60℃時(shí)，覆疊式制冷機(jī)與雙級(jí)壓縮制冷機(jī)比較，總的氣缸容積可減少65%，而且可減少能耗10%以上。且系統(tǒng)內(nèi)保持正壓力，空氣不易漏入系統(tǒng)，使運(yùn)行穩(wěn)定而安全[5]。

（三）變頻壓縮技術(shù)

變頻壓縮技術(shù)通過(guò)核心變頻器，使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并對(duì)輸出能量多少與速率進(jìn)行改變。變頻器改變壓縮機(jī)的功率，從而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，起到了更加貼合用戶側(cè)需求的作用，優(yōu)點(diǎn)有室溫更為恒定、更加省電，使其舒適度大大提高。運(yùn)用該技術(shù)的空調(diào)，熱水器等，可根據(jù)房間內(nèi)的溫度，濕度等條件自動(dòng)選擇制熱、制冷和除濕等不同的運(yùn)轉(zhuǎn)方式以貼合室內(nèi)環(huán)境，使得壓縮機(jī)不至于頻繁啟動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)電流也很小。空調(diào)的壓縮機(jī)一直保持在平穩(wěn)的運(yùn)行環(huán)境中，空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，減少了運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，空調(diào)產(chǎn)生的噪音也隨之降低，從整體上多方面的提高了舒適度。

（四）變頻渦輪技術(shù)

在空氣源熱泵中使用變頻渦輪技術(shù)可以提高效率，增高能效比。渦輪可以大幅度提高壓縮機(jī)輸出功率，可以提高20%，使升溫階段速度更快，耗能最多的啟動(dòng)階段時(shí)間更短，最多可以減少40%。效率也因此更高，可以節(jié)省電能達(dá)30%。

變頻渦輪技術(shù)通過(guò)增壓渦輪的位置可分為低壓增壓和高壓增壓。低壓增壓中，渦輪處于蒸發(fā)器和冷凝器之間，蒸發(fā)出的增壓空氣進(jìn)入壓縮機(jī)，如圖5（a）所示。高壓增壓中，渦輪位于壓縮機(jī)器和冷凝器之間，空氣以壓縮機(jī)，渦輪的順序進(jìn)行壓縮，最后進(jìn)入冷凝器，如圖5(b)所示[5]。

圖5 渦輪增壓熱泵示意圖

（五）壓縮機(jī)噴液法

壓縮機(jī)噴液法是將工作腔內(nèi)噴液與變頻技術(shù)向融合，各取長(zhǎng)處，成功的適應(yīng)了寒冷的氣候，如圖6所示。壓縮機(jī)為渦旋式變頻壓縮機(jī)，且將噴液孔置于旋盤合適位置。當(dāng)進(jìn)入內(nèi)腔的空氣溫度過(guò)低時(shí)，冷凝器出口的部分高壓液體經(jīng)噴液回路重新進(jìn)入壓縮機(jī)工作腔，通過(guò)本身較低的溫度來(lái)降低壓縮機(jī)排氣溫度，同時(shí)縮短做功時(shí)間，提高效率，最終提高系統(tǒng)的制熱量。

圖6 壓縮機(jī)噴液熱泵示意圖

該系統(tǒng)可在低溫環(huán)境中正常使用，但若在過(guò)低溫度時(shí)使用，則必須提高頻率，但因蒸發(fā)溫度隨之降低導(dǎo)致吸氣比容增大，容積制冷量下降，同時(shí)制熱量的提高程度較頻率來(lái)說(shuō)更低，導(dǎo)致了空氣源熱泵熱水器的制熱量與消耗功率之比在超低溫有較為頹勢(shì)的表現(xiàn)。故這類系統(tǒng)在環(huán)境溫度很低的條件下尚不能滿足制熱量和節(jié)能要求[6]。

三、熱水器的效率的決定因素

熱泵技術(shù)是一種提高能量品位的技術(shù)，它因?yàn)椴皇悄芰哭D(zhuǎn)換的過(guò)程，因此不受能量轉(zhuǎn)換效率極限的影響，而是以逆卡諾循環(huán)效率為參考基準(zhǔn)。其傳遞熱量的能力與投入熱泵的電能之比稱為制熱性能系數(shù)又稱能效比。表1總結(jié)并對(duì)比了各種空氣源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)。

表1 各種空氣源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)及對(duì)比

（一）環(huán)境氣溫

空氣能熱泵運(yùn)用少量的能量從空氣中汲取低品質(zhì)的能量，因此空氣溫度對(duì)能效比有極大的影響。表現(xiàn)在：在室外溫度較低時(shí)，如嚴(yán)寒地區(qū)，空氣源熱泵在運(yùn)行時(shí)會(huì)顯示出局限性，壓縮機(jī)會(huì)在熱泵蒸發(fā)溫度降低，冷凝溫度不變時(shí)，導(dǎo)致壓縮比增加，引起排氣溫度升高。當(dāng)排氣溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)使壓縮機(jī)使用壽命減短，且在使用過(guò)程中溫度有不受控制的風(fēng)險(xiǎn)；由于空氣流動(dòng)阻力隨著蒸發(fā)器表面結(jié)霜覆蓋量的增加而增加，因此機(jī)組制熱量減少，使性能下降。過(guò)熱度是環(huán)境溫度改變時(shí)產(chǎn)熱量變化的基準(zhǔn)，過(guò)熱度以零度為界限越靠近零度產(chǎn)熱量越大。環(huán)境中整體溫度過(guò)低的話，會(huì)導(dǎo)致空氣源熱泵的壓比增大、排氣溫度升高，這時(shí)系統(tǒng)的壓縮機(jī)加大功率，可以使排氣溫度明顯降低。

（二）機(jī)組功率與能效

研究表明，在供暖季，隨環(huán)境溫度升高建筑平均負(fù)荷降低，輸入的功率和機(jī)組的制熱量受負(fù)荷大小的直接影響，壓縮機(jī)吸氣壓力與環(huán)境溫度升高正相關(guān)，壓縮機(jī)吸氣壓力升高后環(huán)境溫度也隨之升高，如果機(jī)組輸入功率減小，最終需求不變，就需要在冷凝壓力不變，機(jī)組出水溫度不變的情況下，令壓縮機(jī)壓比減小。高壓級(jí)壓縮機(jī)的壓縮比隨著出水溫度的升高而增高，比壓縮功增加，因而機(jī)組總壓縮功上升。當(dāng)環(huán)境溫度相同時(shí)，隨著機(jī)組出水溫度的升高，機(jī)組功率上升、能效也隨之下降。因此，嚴(yán)寒地區(qū)使用空氣源熱泵供暖時(shí)，在滿足建筑采暖需求的前提下，應(yīng)盡可能降低機(jī)組出水溫度，以使機(jī)組能效最大化[7]。

（三）平衡點(diǎn)影響

空氣源熱泵的供熱能力及性能隨著室外溫度增高而增高，且用戶側(cè)熱負(fù)荷隨著室外溫度升高而降低?？諝庠礋岜霉崮芰徒ㄖ嶝?fù)荷需求隨室外溫度變化趨勢(shì)相反，則平衡點(diǎn)溫度為二者相等的對(duì)應(yīng)室外溫度。若以進(jìn)行選型，且在保障最不利工況下熱泵機(jī)組能提供足夠的熱量的情況下，性能系數(shù)會(huì)下降，這是由于空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行絕大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷工況。若為使空氣源熱泵保持在較高負(fù)荷率運(yùn)行，選擇高平衡點(diǎn)溫度，會(huì)使空氣源熱泵容量選型過(guò)小，輔助熱源承擔(dān)供暖比例增加，無(wú)法充分發(fā)揮空氣源熱泵節(jié)能高效的作用。因此，供暖平衡點(diǎn)是空氣源熱泵系統(tǒng)機(jī)組容量選擇和輔助熱源配置比例確定的重要依據(jù)，對(duì)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響[8]。

（四）壓縮機(jī)效率

熱泵過(guò)程效率總體上呈下降趨勢(shì)，且為呈曲線變化，在初始時(shí)因系統(tǒng)啟動(dòng)需要消耗更多能量去加熱整體溫度，并逐步提高冷凝溫度，導(dǎo)致效率較低。隨著水箱水溫的逐步升高，冷凝溫度上升，換熱器的換熱環(huán)境得到改善，過(guò)程效率得到提升，后達(dá)到最大。隨著水箱溫度繼續(xù)升高，能效比隨著溫差降低而降低。因此水溫在一定數(shù)值時(shí)整機(jī)效率等于平均效率，在此溫度點(diǎn)之前，整機(jī)效率高于平均效率，在此溫度點(diǎn)之后，整機(jī)效率低于平均效率[9]。

四、結(jié)論

隨著新能源產(chǎn)能占比的提高，本文介紹了各種先進(jìn)的空氣源熱泵技術(shù)的工作原理，分析了環(huán)境氣溫,平衡點(diǎn)影響,機(jī)組功率與能效因素對(duì)空氣源熱泵效率的影響。為了更好地提升空氣源熱泵的效率，未來(lái)或可以通過(guò)人工智能等先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)地分析相關(guān)的平衡點(diǎn)因素，進(jìn)而提升提高空氣源熱泵的工作效率。