空氣源熱泵技術(shù)綜述

李亞寧 閆曉彤 王洪利

摘 要：空氣源熱泵，作為一種熱泵技術(shù)，一種采暖所用的機(jī)械設(shè)備，相較于燃煤鍋爐、電鍋爐、蓄熱水箱等，具有更為廣泛，且更為廣闊的發(fā)展前景，被譽(yù)為“大自然能量的搬運(yùn)工”。因其具有低成本、操作便捷、采暖效果顯著、安全性高、干凈衛(wèi)生等多重優(yōu)勢(shì)，因此，在我國(guó)大部分地區(qū)，都有較為廣泛的應(yīng)用。它不僅僅能夠日常的燃煤、電力進(jìn)行供能，更能利用太陽(yáng)能等空氣中可利用的能量，在不同地區(qū)，采用不同形式的空氣源熱泵，能夠最大程度利用當(dāng)?shù)啬芰?，以?shí)現(xiàn)最高的經(jīng)濟(jì)效益。因此，進(jìn)一步研究空氣源熱泵，不斷完善和發(fā)展，不僅僅能解決嚴(yán)寒地區(qū)供暖問題，更能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保雙豐收的奇效。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;供暖;能源;除霜

近十多年以來，我們一致提倡“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)保理念，盡管如今我們也在不斷開發(fā)新興能源，但仍然無法避免造成污染。所以，煤改電工程，煤改氣工程，愈發(fā)受到人們的關(guān)注。本文主要對(duì)空氣源熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的技術(shù)問題，以及需要改進(jìn)的方向進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效、環(huán)保的目的。

1 空氣源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1.1發(fā)展歷程

目前我們采暖的主要措施就是燃煤取暖，通過加熱暖氣片內(nèi)的水體，利用水蒸氣進(jìn)行取暖，或是直接采用地暖供熱。無論是哪種方式，都會(huì)大量地消耗煤炭，帶來較為嚴(yán)重地空氣污染。也正因此，空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用而生。最開始，在2001年，北京地區(qū)率先開啟煤改電工程。在經(jīng)歷不斷嘗試之后，我們采用了如今的空氣源熱泵技術(shù)。繼而，在我國(guó)由北京牽頭，率先進(jìn)行探索和嘗試，不斷深化煤改電工程。2014年，大力推廣直熱式電暖器;2015年，采用蓄能式電暖器;2016年，大力推廣空氣源熱泵且明令禁止使用直熱式電暖器;2017年，綜合前期經(jīng)驗(yàn)，對(duì)直熱式供熱設(shè)備完全禁止，逐步完善蓄能式電暖器，同時(shí)也對(duì)其使用進(jìn)行一定的限制，為空氣源熱泵的發(fā)展開綠燈。

1.2優(yōu)缺點(diǎn)

1.2.1缺點(diǎn)

（1）定頻熱泵機(jī)組由于制熱量不可調(diào)節(jié)，當(dāng)機(jī)組的制熱量大、需求的供熱量小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)頻繁啟停，使得供水溫度變化引起地面溫度的波動(dòng)，降 低了熱舒適性。常規(guī)的地暖系統(tǒng)管間距較大，與地面總接觸面小，傳熱的效率低，因此蓄熱層地表溫升會(huì)比較慢。[1]

（2）盡管空氣源熱泵能夠?qū)崿F(xiàn)冷暖雙供應(yīng)，但是安裝條件相較于常見的地暖、太陽(yáng)能、電熱器等較為復(fù)雜苛刻。因?yàn)榭諝庠礋岜酶鼮楣?jié)能的特點(diǎn)，熱泵資源需要吸收土壤中的太陽(yáng)能，需要采取較為復(fù)雜的安裝方式。它通常會(huì)采用打井，輸管等特殊方式，而這樣的安裝條件，更適合庭院、獨(dú)立別墅等一些人均財(cái)富較高的高檔地區(qū)。因此，它的普及性暫時(shí)還遠(yuǎn)低于燃煤暖氣等常見北方取暖方式。

（3）自身仍然存在較大的技術(shù)問題尚未得到完美解決——結(jié)霜問題。盡管國(guó)內(nèi)已對(duì)該技術(shù)進(jìn)行諸多研究，如高森的全無霜熱泵系統(tǒng)及吸附式除濕法、周國(guó)峰的石墨烯電熱涂層抑霜除霜法、以及各類熱力除霜系統(tǒng)、超聲波除霜系統(tǒng)、電場(chǎng)除霜系統(tǒng)等，無論是哪種方法，都會(huì)或多或少存在一定的局限性。當(dāng)熱泵技術(shù)運(yùn)用在我國(guó)東北地區(qū)、西藏地區(qū)等一些嚴(yán)冬地區(qū)時(shí)，除霜這個(gè)問題更會(huì)被進(jìn)一步放大。結(jié)霜，不僅僅會(huì)產(chǎn)生噪音，影響室內(nèi)溫度，還會(huì)使得機(jī)器運(yùn)行效率降低，能量傳輸消耗增加，甚至在一定程度上會(huì)減少機(jī)器的使用壽命。

1.2.2優(yōu)點(diǎn)

（1）環(huán)保性更高，且更為安全。相較于北方傳統(tǒng)的燃煤式取暖，空氣源熱泵技術(shù)拒絕使用煤炭、秸稈等燃料，也就從根本上拒絕了CO、SO2、SO3等有毒性氣體的產(chǎn)生，從而起到環(huán)保的效果。同時(shí)，太陽(yáng)能、電能等都可以作為空氣源熱泵的能量來源，也使得我們對(duì)能量的要求更低，采用混合式能源供應(yīng)、間歇性能源供應(yīng)也使得我們有更多的選擇性，更加利于不同地區(qū)的推廣。

（2）節(jié)能效果更為顯著。盡管目前研究出來的熱泵技術(shù)較為成熟，能源供應(yīng)系統(tǒng)也是五花八門，但是目前占據(jù)主導(dǎo)地位的仍然是運(yùn)用最為廣泛的電能。空氣源熱泵在制熱時(shí)，采用的主要能源還是空氣源中的低溫?zé)嵩?，電能只是作為輔助能源，用來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。也正因此，空氣源熱泵在消耗電能上，與中央空調(diào)、電熱爐相比，耗電量可謂是相當(dāng)?shù)?，也是普通電鍋爐的四分之一。

（3）末端形式更廣?？照{(diào)、地暖、地暖機(jī)、熱水器等，都可以作為它的末端。也正因此，它的選擇形式更為多樣化，生活化會(huì)更加完善，一機(jī)多用效果也會(huì)更加明顯。對(duì)于大型社區(qū)來說，一臺(tái)機(jī)器，多種功能，節(jié)能、節(jié)資、節(jié)源效果也更好。同時(shí)，它的智能化極高，內(nèi)置微電腦的特點(diǎn)，讓它可以輕松實(shí)現(xiàn)智能化控制，傻瓜式操作，在社區(qū)的應(yīng)用也會(huì)更好地滿足老人和兒童的需求。

2 目前研究重點(diǎn)

2.1除霜

在溫度較低、濕度較大的情況下，空氣源熱泵在運(yùn)行時(shí)，在室外換熱器的表面容易產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。霜層對(duì)于空氣源熱泵而言，就如同水垢對(duì)于鍋爐，隨著霜層的不斷加厚，熱泵內(nèi)外的能量交換、空氣流通會(huì)越來越低，機(jī)器的工作性能也會(huì)越來越低。在某種程度上可以說，如何高效除霜將決定空氣源熱泵技術(shù)能否再上一個(gè)臺(tái)階。

對(duì)于除霜問題，最為常見的就是熱力除霜系統(tǒng)，它主要包括逆循環(huán)除霜系統(tǒng)、熱氣旁除霜系統(tǒng)以及蓄能除霜系統(tǒng)。[2]前兩者是我們目前使用最多的方式，就目前來看，這兩者也是除霜效果最好的，但同時(shí)也是所需時(shí)間最長(zhǎng)的。在這兩者的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了第三種嘗試——蓄能除霜系統(tǒng)。因?yàn)樗窃谀嫜h(huán)的基礎(chǔ)之上改造而來的，所以它也更為成熟一些。它不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的效果，使用性能上，效果也更加明顯。

要實(shí)現(xiàn)除霜，一個(gè)方向是做到善后，也就是抑霜。霜層的形成是因?yàn)榭諝庠礋岜孟到y(tǒng)在低溫高濕的環(huán)境下形成的，所以只要適當(dāng)空氣濕度問題，那也就是可以做到抑制霜的效果。在這個(gè)方向上，主要有液體吸附式除濕裝置和固體吸附式除濕裝置兩種。液體的有點(diǎn)就在于可以連續(xù)性地處理大量濕空氣，但也因?yàn)槭且后w的緣故，容易使得除濕液隨空氣而揮發(fā)散失，同時(shí)也具有一定腐蝕性;固體就較好地解決了前者的問題，同時(shí)還兼具節(jié)能、操作簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

2.2供能系統(tǒng)改進(jìn)

在北方的大部分地區(qū)，由于冬季夜晚經(jīng)常出現(xiàn)零下的低溫，這也就為結(jié)霜問題提供了一個(gè)良好的“溫床”，然而白天又處于相對(duì)較為溫暖的環(huán)境。這樣一來，就容易造成白天攝能過量，夜晚間歇性工作，所以單一的空氣源熱泵系統(tǒng)并不能滿足一些嚴(yán)寒地區(qū)。

為解決上述問題，目前已經(jīng)研發(fā)出空氣源熱泵+蓄熱水箱、空氣源熱泵+電鍋爐+蓄熱水箱、空氣源熱泵+水源熱泵等多種混合式供能系統(tǒng)。[3]

3? 結(jié)語

傳統(tǒng)的燃煤取暖、供能方式已經(jīng)在被逐漸淘汰，以空氣源熱泵為核心的新式采暖方式正在崛起。為建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)，我們不得不向著更為節(jié)能、更為先進(jìn)、更為完善的熱泵技術(shù)進(jìn)發(fā)，我們也必要對(duì)空氣源熱泵進(jìn)行技術(shù)革新。它的應(yīng)用，不僅僅能實(shí)現(xiàn)“無污染、零排放”的目標(biāo)，也能解決燃煤鍋爐供暖帶來的大氣污染，氣候變暖等環(huán)境問題，何理推廣應(yīng)用，前景將十分廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]望怡，張小松，夏燚.變頻空氣源熱泵地暖系統(tǒng)蓄熱過程的實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2021，40（02）：21-23+20.

[2]孫茹男，羅會(huì)龍，李志國(guó)，劉兆宇，惠寵.空氣源熱泵供暖技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2021，47（01）：99-102.

[3]韓衛(wèi)珍，劉勇，任文晉.空氣源熱泵成為可靠供暖熱源技術(shù)的探討[J].山西建筑，2021，47（06）：161-163.

[4]高森，趙兆瑞，陳曦.全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)及吸附式除濕方法[J].廣州化學(xué)，2021，46（01）：16-24+44.

（華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山063210）