空氣源熱泵特點及其在北方地區(qū)的應(yīng)用

楊少宇 陸凱君 杜娟 王姍姍 何梓鵬 戚曉娟

摘 要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題與環(huán)境問題成為制約發(fā)展的重要因素?？諝庠礋岜檬且环N利用空氣作為低溫?zé)嵩?，使用少量電能獲取大量熱能的高效節(jié)能裝置?？諝庠礋岜迷诰用裆钪型ǔＳ米鞑膳蚩照{(diào)?？諝庠礋岜迷谖覈媳狈蕉加袘?yīng)用，而本文主要針對北方地區(qū)空氣源熱泵的應(yīng)用進(jìn)行一些研究。

關(guān)鍵詞：熱泵；空氣源；節(jié)能；北方地區(qū)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.065

1 空氣源熱泵及其特點

熱泵是一種利用高位能是熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置。其作用主要是將不能直接使用的低位熱能（如空氣，土壤，水，太陽）等轉(zhuǎn)換為可以使用的高位熱能，已達(dá)到節(jié)約煤 石油 天然氣等不可再生能源目的。

空氣源熱泵是以空氣作為低溫?zé)嵩吹臒岜?，空氣的特點是取之不盡，用之不竭，且不受地理條件的限制。空氣源熱泵需要消耗一定的電能，但是其提供給用戶的熱能遠(yuǎn)比所消耗的電能要多的多?？諝庠礋岜米鳛楦咝У墓?jié)能裝置其擁有很多的優(yōu)點。當(dāng)然，也會有一些限制其發(fā)展的因素：

優(yōu)點：

（1）空氣能作為可再生能源，取之不盡，用之不竭。而且空氣的熱量能夠得到迅速的補(bǔ)充。而且空氣源熱泵能把空氣中的熱吸收出來，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后可以轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?，使得水加熱到居民可以使用的溫度。通常水溫可達(dá)到55-60℃，水溫最高可達(dá)到65℃。

（2）空氣源熱泵通過消耗少量的電能，把空氣中的熱能轉(zhuǎn)換為高位可以使用的熱能。其輸出的能量與輸入電能之比cop一般在3-5之間。而普通的電熱水鍋爐的能效比cop值不大于0.9，燃?xì)馊加湾仩t的能效比cop只有0.6-0.8，一般的燃煤鍋爐的能效比cop更低，只有0.3-0.7.

（3）空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運行安全可靠，其整個系統(tǒng)無傳統(tǒng)的熱水系統(tǒng)中存在的易燃，易爆，觸電，腐蝕，中毒等危險。熱水通過高溫冷媒與水進(jìn)行交換，使得電與水在物理上分離，是一種完全可靠的熱水系統(tǒng)。

（4）使用壽命長，維護(hù)費用低，智能化控制，節(jié)約人工管理費

用，設(shè)備運行穩(wěn)定，運行起來安全可靠。

（5）空氣源熱泵使用范圍廣：可用于酒店，學(xué)校，醫(yī)院等等，可以單獨使用也可集中使用，不同供熱要求可以選擇不同的產(chǎn)品系列和安裝設(shè)計。能在惡劣天氣下使用，但是一般適用于最低溫度在 -20℃以上的地區(qū)。

（6）其初期投資較高，一般為普通煤氣天然氣的3-5倍，但是由于其使用壽命較長，以及其節(jié)能效果，空氣源熱泵一般會在一年半之內(nèi)通過節(jié)能的方式將成本回收。

缺點：

（1）空氣源熱泵在我國南方地區(qū)常常會存在結(jié)霜問題。我國的夏熱冬冷地區(qū)，空氣濕度較大且冬季室外溫度常常低于0℃。當(dāng)室外換熱器的表面溫度低于周圍空氣的露點點溫度時，換熱器表面就會結(jié)霜。霜的形成，使得其傳熱效果變差，供熱能里下降，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致機(jī)組停止運行。結(jié)霜后的熱泵制熱性能系數(shù)降低，可靠性降低。

（2）空氣的比熱容較小，要獲得足夠的熱量，則需要較大的空氣量。一般來說，從空氣中每吸收1kw的熱能，所需空氣的流量約為360m?每小時。同時由于風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大，使得空氣源熱泵裝置的噪聲很大。

（3）空氣源熱泵在我國北方地區(qū)，冬季氣溫較低，而氣候干燥。采暖室外計算溫度基本在-5到-15℃嗎，相對濕度基本在45%-65%之間。這些地區(qū)空氣源熱泵的結(jié)霜問題不太嚴(yán)重，但是北方地區(qū)的空氣源熱泵的可靠性差。

2 北方地區(qū)空氣源熱泵的應(yīng)用

（1）限制因素。1）建筑物的熱負(fù)荷隨著室外溫度的不斷降低而在不斷變大，而空氣源熱泵的制熱量卻隨著室外氣溫的降低而減少。因為當(dāng)室外溫度降低時，空氣里所含的熱量減少，導(dǎo)致其需要的空氣量增加，也就是說需要更多的空氣才能滿足的要求。也就是說其壓縮比增大，壓縮機(jī)的容積效率降低，因此空氣源熱泵在低溫工況下運行時比中溫工況運行的單位質(zhì)量供熱量也變小。因此，北方地區(qū)，空氣源熱泵機(jī)組的供熱量將會不足。2）由于室外氣溫低會出現(xiàn)壓縮機(jī)排氣溫度過高，使得機(jī)組無法正常工作。3）會出現(xiàn)失油問題。具體失油問題的具體原因：一是吸氣管回油困難：二是在低溫工況下，使得大量的潤滑油積存在氣液分離器內(nèi)二造成壓縮機(jī)內(nèi)卻又；三是潤滑油在低溫條件下會變得粘稠，降低潤滑效果。4）由于蒸發(fā)溫度越來越低，制冷劑質(zhì)量流量也會越來越小，這樣半封閉壓縮機(jī)或全封閉式壓縮機(jī)的點擊冷卻不足而出現(xiàn)電機(jī)過熱，甚至燒毀電機(jī)。

（2）解決方法。為了解決上面的問題，出現(xiàn)了雙級耦合熱泵。如圖1所示；用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組制備10-20℃的低溫水，通過水環(huán)路送至室內(nèi)各個水/空氣熱泵機(jī)組中，水/空氣熱泵再從水中汲取熱量，直接加熱室內(nèi)空氣，達(dá)到供暖的目的。為了提高該系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保效益，又有單雙級混合式熱泵供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了雙級耦合熱泵系統(tǒng)在整個采暖期內(nèi)，不關(guān)室外溫度多高都按照雙級運行的問題。在室外溫度過低時無法進(jìn)行單級運行時，再按雙級運行。其主要特點是：

該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的供暖模式相比較，與傳統(tǒng)供暖模式相比較，它是一種更加節(jié)能的供暖模式，隨著人們的供暖需求的增加，使得建筑物能耗越來越高。污染也越來越嚴(yán)重。該種模式供暖使得能耗更加的降低，符合時代發(fā)展的需求。

系統(tǒng)通過水循環(huán)將倆套單級壓縮熱泵系統(tǒng)結(jié)合起來，組成一個新的雙級耦合熱泵系統(tǒng)。可以減少熱量在輸送與轉(zhuǎn)換過程中的損失，同時還可以省掉用戶的供暖設(shè)備。

3 結(jié)論

我國北方采暖期很長，北方地區(qū)采暖主要靠煤的燃燒來供熱發(fā)電，這是造成北方地區(qū)空氣污染的主要原因。因此熱泵技術(shù)在北方供暖中更具有節(jié)能環(huán)保意義。但是空氣源熱泵在北方的運用受到室外穩(wěn)得的限制。在一些冬季溫度可達(dá)到-20℃的地區(qū)，其壓縮比過大，效率嚴(yán)重降低。因此，對于空氣源熱泵系統(tǒng)，在北方地區(qū)的應(yīng)用初步來說，雙級耦合式熱泵是適合北方地區(qū)的。