適用于我國農(nóng)村地區(qū)的低溫空氣源熱泵采暖技術(shù)

龐衛(wèi)科，呂連宏，羅宏

中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

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適用于我國農(nóng)村地區(qū)的低溫空氣源熱泵采暖技術(shù)

龐衛(wèi)科，呂連宏，羅宏*

中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

基于我國農(nóng)村特點(diǎn)提出采用清潔能源利用技術(shù)——低溫空氣源熱泵采暖方式替代農(nóng)村傳統(tǒng)的散煤燃燒取暖方式。低溫空氣源熱泵采用較為成熟可靠的補(bǔ)氣增焓技術(shù)。研究表明：在蒸發(fā)溫度為-30 ℃、冷凝溫度為45 ℃、補(bǔ)氣比為0.6的模擬工況下運(yùn)行，低溫空氣源熱泵理論制熱性能系數(shù)(COP)大于2.25，系統(tǒng)能效比(EER)高于1.90。在實(shí)際應(yīng)用過程中，低溫空氣源熱泵機(jī)組可解決不同場合下需依靠不同介質(zhì)(熱風(fēng)或熱水)采暖的問題，預(yù)計(jì)全面推廣后，我國農(nóng)村地區(qū)每年可減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵排放分別約3.86億、0.115億、0.057億和1.05億t，其可作為淘汰農(nóng)村傳統(tǒng)采暖方式的優(yōu)先選擇。

采暖；熱泵；補(bǔ)氣增焓；制熱性能系數(shù)

我國農(nóng)村地區(qū)冬季采暖方式主要是通過散煤燃燒后獲取熱量，這種傳統(tǒng)方式雖然簡單方便、成本較低，但隨著生態(tài)環(huán)境的惡化，尤其是近年來我國秋冬季重污染天氣逐漸增多，其暴露出的問題也越來越多。北方農(nóng)村特別是京津冀區(qū)域散煤燃燒排放的污染物已成為首都大氣治理的重要對象之一[1]，實(shí)現(xiàn)首都的藍(lán)天計(jì)劃亟需解決周邊農(nóng)村的散煤燃燒問題。鑒于此，國家特制定了《農(nóng)村散煤燃燒污染綜合治理技術(shù)指南(試行)》等相關(guān)政策，其中熱泵技術(shù)是力推的一項(xiàng)替代散煤燃燒的方式，包括空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵等，并重點(diǎn)提到了低溫空氣源(熱風(fēng)熱水)熱泵技術(shù)。水源和土壤源熱泵雖然在節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境方面同樣具有優(yōu)勢，理論上某些地方甚至優(yōu)于低溫空氣源熱泵[2-3]，但結(jié)合農(nóng)村地區(qū)采暖特點(diǎn)并考慮其建設(shè)條件、成本等，大規(guī)模應(yīng)用尚受到一些制約。

空氣源熱泵以大氣為取熱對象，無需鍋爐及相應(yīng)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和煙氣排放系統(tǒng)，安全可靠、無環(huán)境污染，基本上實(shí)現(xiàn)了本地零排放；且空氣源熱泵便于在供暖過渡季運(yùn)行，與一些使用城市集中供暖熱源的單位和小區(qū)相比，能夠提前和延長供暖，特別適用于醫(yī)院、老年中心、幼兒園等特殊用戶[4]。低溫空氣源熱泵技術(shù)大大拓寬了空氣源熱泵的應(yīng)用地域和范圍，使其從原來的長江流域以南逐步北擴(kuò)至黃河流域的華北地區(qū)，甚至東北地區(qū)[5]。目前，低溫空氣源熱泵可采用的技術(shù)措施主要有變頻壓縮[6]、復(fù)疊或兩級壓縮[7-8]、二元或三元混合工質(zhì)[9-10]、低溫工況下補(bǔ)氣增焓[11-14]等。近年來，研究人員開展了針對空氣源熱泵在低溫環(huán)境下采用低溫工質(zhì)制熱的研究：如郭麗婷等[15]開展的R404A應(yīng)用在空氣源熱泵系統(tǒng)上的低溫適應(yīng)性研究；牛寶聯(lián)等[16]開展的CO2R170混合物作為復(fù)疊制冷系統(tǒng)低溫環(huán)路循環(huán)工質(zhì)的性能研究；李新禹等[17]開展的復(fù)疊制冷系統(tǒng)中低溫環(huán)路工質(zhì)R744R290的試驗(yàn)研究等。研究表明，低溫工質(zhì)均可較好地適宜空氣源熱泵的運(yùn)行工況，但在其他工質(zhì)下運(yùn)行效果不甚理想。當(dāng)前有關(guān)低溫工質(zhì)的研究仍在進(jìn)一步的開展中，而補(bǔ)氣增焓技術(shù)因其發(fā)展較成熟、可靠性相對較高，有望成為最先大規(guī)模市場化應(yīng)用的替代方案。

基于散熱器、低溫輻射地板、風(fēng)機(jī)盤管等末端型式，同時結(jié)合各地區(qū)的實(shí)際情況分別研究分析了補(bǔ)氣增焓低溫空氣源熱泵的系統(tǒng)特性。于濤等[18]實(shí)測了安裝在北京懷柔的1套散熱器耦合低溫空氣源熱泵熱水機(jī)組的采暖系統(tǒng)，運(yùn)行期間室外氣溫最低達(dá)-13 ℃，而供水溫度仍高于35 ℃，且系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)；肖婧等[19]現(xiàn)場實(shí)測了低溫輻射地板采用噴液增焓技術(shù)低溫空氣源熱泵的實(shí)際運(yùn)行性能，并重點(diǎn)考察了機(jī)組在北京地區(qū)室外氣溫-16.5～-6 ℃時的供熱情況，取得較滿意的采暖效果；陳政文等[20]基于焓差試驗(yàn)平臺的模擬環(huán)境實(shí)測了低溫空氣源熱泵采用噴氣增焓措施后的工作性能指標(biāo)，在不使用載熱介質(zhì)的情況下其理論制熱性能系數(shù)(COP)達(dá)到2.03(室外氣溫-15 ℃)；馬榮江等[21]現(xiàn)場測試分析熱風(fēng)直熱式低溫空氣源熱泵在北京地區(qū)農(nóng)宅的實(shí)際運(yùn)行狀況表明，補(bǔ)氣增焓空氣源熱泵非常適合替代農(nóng)村現(xiàn)有的高污染散煤采暖方式，若結(jié)合政府扶持，未來將可以實(shí)現(xiàn)“用戶愿意買、買得起，愿意用、用得起”的良性循環(huán)；韓宗偉等[22]對低溫空氣源熱泵復(fù)合太陽能空調(diào)熱泵系統(tǒng)在烏魯木齊地區(qū)的可行性研究表明，在替代原有的熱網(wǎng)供暖和分體空調(diào)器制冷方案后，節(jié)能率達(dá)12.7%，投資回收期約為5.9 a；孔維利等[23]深入研究了補(bǔ)氣增焓空氣源熱泵采用環(huán)保工質(zhì)R32的性能特性，結(jié)果顯示，該泵在未來低溫空氣源熱泵市場上將占有重要的一席之地。

1 空氣源熱泵補(bǔ)氣增焓技術(shù)

1.1 流程原理

采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)的低溫空氣源熱泵工作機(jī)理：通過改進(jìn)其工質(zhì)熱力循環(huán)過程中的壓縮階段，一方面增加了工質(zhì)的質(zhì)量流量，提升供熱端的工質(zhì)熱焓；另一方面補(bǔ)氣措施對壓縮過程中間階段的制冷劑具有冷卻作用，降低其最終壓縮結(jié)束后的排出溫度。具體工作原理見圖1。由圖1可知，熱泵壓縮機(jī)將溫度、壓力處于狀態(tài)4的工質(zhì)排出，送到冷凝器中進(jìn)行熱交換；加熱室內(nèi)空氣或熱載介質(zhì)(如水)后，溫度降低，壓力保持不變，成為過冷狀態(tài)5的液體；然后經(jīng)過節(jié)流降壓不可逆熱力過程，溫度降低、壓力減小，工質(zhì)變?yōu)闅庖簝上嗟臓顟B(tài)6，進(jìn)入室外空氣側(cè)換熱器內(nèi)；由于工質(zhì)自身溫度低于室外環(huán)境溫度，在溫差作用下將從空氣中不斷吸收熱量，最后變?yōu)闋顟B(tài)1的氣態(tài)。工質(zhì)首先以狀態(tài)1被壓縮機(jī)壓縮至狀態(tài)2后，將與補(bǔ)充的其他工質(zhì)以邊混合邊壓縮的過程進(jìn)行到狀態(tài)3，最終兩股完全混合后的工質(zhì)再繼續(xù)壓縮，直到狀態(tài)4。

注：1—2為一般壓縮過程；2—3為補(bǔ)氣壓縮過程；3—4為混合壓縮過程；4—5為冷凝過程；5—6為節(jié)流過程；6—1為蒸發(fā)過程。圖1 補(bǔ)氣增焓技術(shù)流程及其熱力變化過程Fig.1 Process of adding refrigerant for enthalpy increment and its trend of thermal state

1.2 補(bǔ)氣增焓理論計(jì)算

為考察低溫空氣源熱泵的熱力性能和經(jīng)濟(jì)性，需對其補(bǔ)氣增焓壓縮循環(huán)過程進(jìn)行理論計(jì)算和分析。假設(shè)工質(zhì)從狀態(tài)1的焓(h1)變化到狀態(tài)2的焓(h2)為等熵壓縮過程，該階段的壓縮功(w1～2)可由狀態(tài)變化前后的焓差表示為：

w1～2=h2-h1

從h2至狀態(tài)3的焓(h3)視為2個部分工質(zhì)的簡單混合過程，不消耗壓縮功。

同樣，工質(zhì)從h3變化到狀態(tài)4的焓(h4)的壓縮功(w3～4)可表示為：

w3～4=h4-h3

工質(zhì)h3用2個部分混合工質(zhì)的焓表示：

h3=(1-α)h2+αhb

式中：α為補(bǔ)氣量占工質(zhì)循環(huán)量的比例，0<α<1；hb為補(bǔ)入工質(zhì)混合前的熱焓。

整個補(bǔ)氣壓縮過程中消耗的功量(w)為：

w=h4+αh2-h1-αhb

用戶端的供熱量為工質(zhì)從h4變化到狀態(tài)5的焓(h5)的焓差(qk)為：

qk=h4-h5

熱泵從外界空氣中提取的熱量為工質(zhì)從狀態(tài)6的焓(h6)至h1的焓差(qc)為：

qc=h1-h6

考慮實(shí)際壓縮過程中偏離等熵過程和不可逆損失因素(ηi)，以及機(jī)械效率(ηm)的影響等，熱泵的制熱性能系數(shù)(COPh)為：

COPh=ηiηmqkw

考慮驅(qū)動熱泵機(jī)組壓縮機(jī)運(yùn)行的電動機(jī)工作效率(ηmo)，其系統(tǒng)能效比(EER)為：

EER=ηmoCOPh

R22是一種鹵代烴(二氟一氯甲烷)，是目前我國熱泵行業(yè)常用的工質(zhì)，其大規(guī)模應(yīng)用與其良好的熱工特性密切相關(guān)。工質(zhì)的理化性質(zhì)是影響系統(tǒng)低溫工況下制熱性能的重要因素，結(jié)合該行業(yè)已廣泛應(yīng)用R22的現(xiàn)狀特點(diǎn)，在后續(xù)研究開發(fā)新產(chǎn)品、改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的過程中仍多基于R22開展[13-14,24]，這樣既縮短了企業(yè)的研發(fā)周期，也保障了新產(chǎn)品較高的可靠性和穩(wěn)定性，便于市場推廣應(yīng)用。因此根據(jù)上述理論分析，以工質(zhì)R22為例進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。

模擬系統(tǒng)運(yùn)行的工況設(shè)定蒸發(fā)溫度為-30 ℃，冷凝溫度為45 ℃，對采用補(bǔ)氣增焓壓縮的低溫空氣源熱泵循環(huán)過程進(jìn)行熱力計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 熱力參數(shù)隨補(bǔ)氣比的變化趨勢Fig.2 Trend of thermal parameters at refrigerant injection ratio

從圖2可以看出，隨著補(bǔ)氣回路的工質(zhì)流量增多，系統(tǒng)的總循環(huán)制熱減少，壓縮機(jī)消耗的功上升，同時機(jī)組的COPh和EER均有所減小。系統(tǒng)工質(zhì)全部位于主路，即補(bǔ)氣量為0時，系統(tǒng)的制熱量必為最大；當(dāng)補(bǔ)氣輔路上的工質(zhì)流量逐漸增多時，系統(tǒng)主路中的工質(zhì)流量越來越少，造成主路工質(zhì)從外界環(huán)境取熱不足，導(dǎo)致總制熱量降低，因此不可盲目地過多增加補(bǔ)氣量；而系統(tǒng)輸入的壓縮功由于中間補(bǔ)氣后工質(zhì)總流量的增加，其功耗也必將上升；最終，系統(tǒng)的COPh和EER均出現(xiàn)下降，且在最差模擬工況下(補(bǔ)氣比為0.6)，其COPh也大于2.25，EER高于1.90。

2 低溫空氣源熱泵可行性實(shí)施方案

根據(jù)低溫空氣源熱泵采用的補(bǔ)氣增焓技術(shù)路線，結(jié)合不同的用戶需求和運(yùn)行條件，可實(shí)施熱風(fēng)型和熱水型2種方案。

2.1 熱風(fēng)型低溫空氣源熱泵采暖方案

熱風(fēng)型低溫空氣源熱泵結(jié)構(gòu)緊湊，體積適中，安裝方便，占用空間小，制熱能力適用于單個臥室或起居室等獨(dú)立房間采暖。目前，熱風(fēng)型低溫空氣源熱泵主要包括過冷器式、閃發(fā)器式、噴射器式3種技術(shù)路線和產(chǎn)品。

帶過冷器的熱風(fēng)型低溫空氣源熱泵的技術(shù)實(shí)施方案中，補(bǔ)氣回路上增設(shè)了1套間壁式換熱器。從冷凝器出來的工質(zhì)中一小部分先行節(jié)流降溫，并冷卻其余的大部分工質(zhì)，其一方面使主路中的大部分液體實(shí)現(xiàn)了過冷，即從熱力狀態(tài)4變化到狀態(tài)5，增加從外界環(huán)境中的取熱量；另一方面為補(bǔ)氣回路中的工質(zhì)提供了合適的熱力狀態(tài)6。匹配的中間補(bǔ)氣壓力、溫度和焓大大改善了工質(zhì)的內(nèi)部壓縮過程(圖3)。

注：1—2為一般壓縮過程；2(6)—2′—3為補(bǔ)氣混合壓縮過程；3—4為冷凝過程；4—5為過冷過程；5—5′(4—4′)為節(jié)流過程；4′—6(5′—1)為蒸發(fā)過程。圖3 帶過冷器的低溫空氣源熱泵系統(tǒng)流程及其熱力變化過程Fig.3 Process of ASHP with a sub-cooler and its trend of thermal state

帶閃發(fā)器的熱風(fēng)型低溫空氣源熱泵系統(tǒng)中，補(bǔ)氣回路上設(shè)計(jì)1個類似儲液裝置的閃發(fā)器。與過冷器相比，閃發(fā)器內(nèi)氣液直接接觸，傳熱和傳質(zhì)更高效，減少了液體流動過程等部分的不可逆損失。閃發(fā)器的結(jié)構(gòu)相對簡單，制造成本低。但其一級節(jié)流裝置需處理全部循環(huán)工質(zhì)，加大了膨脹閥的工作容量；且其節(jié)流特性既要考慮中間補(bǔ)氣壓力，還需與二級節(jié)流裝置耦合工作，以匹配下游的蒸發(fā)溫度需要，增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性(圖4)。

注：1—2為一般壓縮過程；2(6)—2′—3為補(bǔ)氣混合壓縮過程；3—4為冷凝過程；4′—5為閃發(fā)過程；5—5′(4—4′)為節(jié)流過程；4′—6(5′—1)為蒸發(fā)過程。圖4 帶閃發(fā)器的低溫空氣源熱泵系統(tǒng)流程及其熱力變化過程Fig.4 Process of ASHP with a flash evaporator and its trend of thermal state

帶噴射器的熱風(fēng)型低溫空氣源熱泵系統(tǒng)是在帶閃發(fā)器式熱泵的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其最大的改進(jìn)在于通過增設(shè)噴射器回收利用了補(bǔ)氣回路中的能量損失，降低了中間節(jié)流過程產(chǎn)生的不可逆損失。與其他2種實(shí)施方案相比，減少了1個膨脹閥，而替代的噴射器無運(yùn)動部件，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性進(jìn)一步提高(圖5)。另外，貯液器與閃發(fā)器相比較，結(jié)構(gòu)零部件又有所減少，降低了方案的產(chǎn)品設(shè)備費(fèi)用。

注：1—2為一般壓縮過程；2(6)—2′—3為補(bǔ)氣混合壓縮過程；3—4′—4為冷卻冷凝過程；4—5為節(jié)流過程；5—6′—1為蒸發(fā)噴射混合過程。圖5 帶噴射器的低溫空氣源熱泵系統(tǒng)流程及其熱力變化過程Fig.5 Process of ASHP with an injector and its trend of thermal state

熱風(fēng)型低溫空氣源熱泵較好地解決了小型供熱采暖場合的需求，同時采用模塊化組合可以滿足部分建筑面積稍大的供暖用戶，該實(shí)施方案特別適用于諸如別墅等單體采暖面積較大、且遠(yuǎn)離集中供暖中心的建筑項(xiàng)目。

2.2 熱水型低溫空氣源熱泵采暖方案

隨著供熱面積的規(guī)模擴(kuò)大，熱水型低溫空氣源熱泵顯出優(yōu)勢，熱水型低溫空氣源熱泵可面向多個用戶或用戶的多個空調(diào)末端提供采暖熱水，實(shí)現(xiàn)類似多聯(lián)機(jī)一拖多的工作模式。與熱風(fēng)型熱泵采用渦旋壓縮機(jī)不同，其一般采用輸氣量較大的螺桿壓縮機(jī)，由于螺桿壓縮機(jī)可兼容濕壓縮，因此增焓措施實(shí)行過程中可補(bǔ)入熱焓值較低的液態(tài)工質(zhì)或氣液兩態(tài)工質(zhì)，進(jìn)而增加壓縮階段的工質(zhì)流量，并提高機(jī)組低溫運(yùn)行工況下的壓縮功和制熱量[25]。但螺桿壓縮機(jī)在機(jī)組夏季制冷時需噴入一定量的低溫工質(zhì)，故需設(shè)計(jì)2個不同的膨脹閥分別用于制冷、制熱；而熱風(fēng)型熱泵在夏季制冷時通常無需啟用中間壓縮過程的補(bǔ)氣增焓措施，因此，熱風(fēng)型低溫空氣源熱泵在夏季制冷時只需關(guān)閉補(bǔ)氣回路，按照常規(guī)普通熱泵簡單切換機(jī)組的運(yùn)行模式即可(圖6)。

注：1—2為一般壓縮過程；2(6)—2′—3為補(bǔ)氣混合壓縮過程；3—4為冷凝過程；4—5為過冷過程；5—5′(4—4′)為節(jié)流過程；5′—1(4′—6)為蒸發(fā)過程。圖6 熱水型低溫空氣源熱泵系統(tǒng)流程及其熱力變化過程Fig.6 Process of ASHP with warm water supply for cold climate and its trend of thermal state

2.3 熱泵采暖節(jié)能環(huán)保性

在分析熱泵節(jié)能的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國城鎮(zhèn)化人口率、人口總數(shù)、人均能源消耗量、熱泵的節(jié)能率等，可對其環(huán)保效益(如大氣污染物減排量)進(jìn)行計(jì)算，即：

Z=NφIaX

式中：Z為污染物減排量，t；N為我國人口總數(shù)，人；φ為我國城鎮(zhèn)化率人口比例；I為人均能源消耗，kg人(以標(biāo)煤計(jì))；a為熱泵的節(jié)煤率；X為單位能耗所產(chǎn)生的污染物，t。

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，2012年我國農(nóng)村地區(qū)人均生活用能約為246 kg(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))[27]，其中約90%用于冬季采暖[28]；我國城鎮(zhèn)化人口水平已達(dá)50%，所以我國農(nóng)村每年的能源消耗量約為1.722億t(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))。按每節(jié)約1 t(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))能源減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵排放為2.49、0.074、0.037和0.68 t計(jì)算，則農(nóng)村地區(qū)采用熱泵采暖方式后，每年可減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵排放約3.86億、0.115億、0.057億和1.05億t。

3 結(jié)論

(2)目前低溫空氣源熱泵采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)發(fā)展路線比較成熟可靠，可成為淘汰農(nóng)村傳統(tǒng)采暖方式或升級換代的優(yōu)先選擇，且能根據(jù)不同的用戶需求提供相應(yīng)的產(chǎn)品和實(shí)施方案(供給熱水或熱風(fēng))。

(3)采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)的低溫空氣源熱泵在蒸發(fā)溫度為-30 ℃(環(huán)境溫度為-20 ℃)的運(yùn)行工況下，其理論制熱性能系數(shù)(COPh)大于2.25，且系統(tǒng)能效比(EER)高于1.90。未來技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化完善后，其性能指標(biāo)還有提高的可能性。

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Heating by air-source heat pump for cold climate in Chinese rural regions

PANG Weike, Lü Lianhong, LUO Hong

Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Based on Chinese rural features, a heating way adopting an air-source heat pump (ASHP) for low cold climate that is a novel and pollution-free technique of energy utilization is proposed. The technique is feasible to replace the traditional heating way of dispersed coal combustion. The air-source heat pump is with a stable and reliable design of adding refrigerant for enthalpy increment. The results showed that under the simulated conditions of the evaporation temperature of -30 ℃, condensing temperature of 45 ℃, and ejecting refrigerant ratio of 0.6, its coefficient of performance (COP) is more than 2.25 and the energy efficiency ratio (EER) is more than 1.90 in theory. During its application in practice, the air-source heat pump could heat by warm air or water to meet with different needs. It is projected that about 386 million tons of carbon dioxide, 11.5 million tons of sulfur dioxide, 5.7 million tons of nitrogen oxide and 105 million tons of powder and dust could be decreased annually if the heat pumps are popularized in Chinese countryside. It can serve as an optimal scheme to phase out the traditional heating way in the countryside.

heating; heat pump; add refrigerant for enthalpy increment; heating COP

2016-08-18

中國工程院重大咨詢項(xiàng)目(2016-ZD-13-01)

龐衛(wèi)科(1983—)，男，博士，主要從事能源環(huán)境技術(shù)方面的工作，pangwk@craes.org.cn

*通信作者：羅宏(1964—)，男，研究員，博士，主要從事能源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)等研究工作，luohong@craes.org.cn

X382

1674-991X(2017)03-0382-06

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.053

龐衛(wèi)科，呂連宏，羅宏.適用于我國農(nóng)村地區(qū)的低溫空氣源熱泵采暖技術(shù)[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(3):382-387.

PANG W K, Lü L H, LUO H.Heating by air-source heat pump for cold climate in Chinese rural regions[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):382-387.