低溫空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用

尹澤鋒 趙巖 劉學(xué)金

摘要：如今，我國以可持續(xù)發(fā)展為核心，全面實施煤改電策略，倡導(dǎo)利用可再生清潔型能源，助力綠色采暖供熱，空氣源熱泵被廣泛應(yīng)用。其作為可再生能源產(chǎn)品之一，結(jié)構(gòu)較為簡單，且具有高效、節(jié)能、無污染的綜合優(yōu)勢，可以在一定程度上替代煤炭。目前，低溫空氣源熱泵在部分情況下難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。為此，本文將對其在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行分析和論述，并結(jié)合現(xiàn)狀提出具體的優(yōu)化策略，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：低溫空氣源熱泵；應(yīng)用

低溫空氣源熱泵是當(dāng)前綠色可持續(xù)發(fā)展背景下的常用產(chǎn)品之一，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，彌補(bǔ)了集中供暖系統(tǒng)管道鋪設(shè)困難或采用區(qū)域供熱鍋爐房成本高等問題。但在嚴(yán)寒地區(qū)，它可能會受外在因素的約束，低溫環(huán)境中，用戶的需熱量不斷增加，但此時的空氣源熱泵的能效會隨溫度降低，導(dǎo)致無法滿足用戶的采暖需求。

一、低溫空氣源熱泵概述

（一）工作原理

低溫空氣源熱泵主要通過蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)等完成一系列循環(huán)，在空氣中收集熱源，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，運(yùn)行中可根據(jù)區(qū)域的實際情況充注適量的工質(zhì)，在-25℃環(huán)境下仍然能正常制熱，并達(dá)到既定要求。相比普通熱泵，低溫空氣源熱泵在寒冷區(qū)域的效果突出，通過增加一條連噴射增焓支路加工氣體，以噴氣增焓壓縮機(jī)為基礎(chǔ)，單臺壓縮機(jī)可實現(xiàn)兩級壓縮，供需不足時可為壓縮機(jī)提供補(bǔ)氣，整體壓縮機(jī)回氣量更少，在極低的溫度下仍能正常制熱。高效過冷卻器主要為增大焓差，通過完成冷媒預(yù)熱達(dá)到合適的中壓，也可以提供給壓縮機(jī)進(jìn)行二次壓縮，保證工作效率。

（二）技術(shù)發(fā)展

當(dāng)前，我國發(fā)展速度不斷加快，不可再生資源的消耗量也在增多，環(huán)保問題日趨加重。為此，針對相關(guān)問題出臺了政策，對嚴(yán)寒地區(qū)的清潔能源取暖進(jìn)行了明確，通過配合可再生清潔型能源技術(shù)與產(chǎn)品，進(jìn)一步節(jié)約能源。低溫空氣熱泵的使用是實現(xiàn)清潔供暖的有效途徑之一，能夠彌補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)受限的區(qū)域，并在一定程度上減少不可再生能源的消耗，可在嚴(yán)寒地區(qū)按照需求完成制熱。低溫空氣源熱泵的優(yōu)勢在于節(jié)能，具有較高的能效，極少量的消耗就可以得到3～4倍于所耗電能的熱能，避免出現(xiàn)能源空消耗的情況。

二、低溫空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的使用分析

本實驗所選地區(qū)是冬季平均氣溫在-23～-28℃之間，某高校實驗樓主體框架為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屬于非節(jié)能型建筑，總面積19047m2，測試房間使用面積共550m2，測試時長共148天。根據(jù)開始試驗與結(jié)束試驗的數(shù)據(jù)得到整個采暖季消耗總電量為28484.8度，下面將以此為例進(jìn)行分析。

（一）水泵耗電分析

本實驗中，熱泵采暖系統(tǒng)工作時使用一臺水泵，全天24h工作，電量消耗在整個能耗中占有不小的比例。供暖前期使用普通工頻水泵，實際運(yùn)行測試中保持滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，溫度達(dá)到工作生活標(biāo)準(zhǔn)時停止運(yùn)行，此時，循環(huán)水泵依舊運(yùn)行，造成循環(huán)水泵耗電量過大。為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)工作中的功耗，發(fā)現(xiàn)問題后及時更換水泵，通過水泵頻率與轉(zhuǎn)速成正比推算低頻運(yùn)行時的實際功率，降頻后比原來節(jié)省近78%的電耗，省電量為2144.9kWh。

（二）供熱過程分析

供熱實驗初期，室外最高溫度達(dá)8.4℃，實驗測試房間內(nèi)平均溫度可達(dá)30.3℃，實驗?zāi)┢谑彝庾畹蜏囟葹?22.4℃，測試房間內(nèi)平均溫度為26.7℃，機(jī)組大部分時間制熱量在5kJ/s以下。因供暖效果不足，配合人為操作調(diào)節(jié)空氣源熱泵供水溫度，使供水溫度升高、制熱量增大，以改善房間溫度。但在此過程中發(fā)現(xiàn)，結(jié)霜及霜層的阻塞效應(yīng)使空氣流道表面粗糙度增加，風(fēng)量不斷減少，影響空氣側(cè)換熱和制熱效果，但室內(nèi)溫度并沒有很快下降，后續(xù)應(yīng)著手消除結(jié)霜帶來的影響，降低外部因素對機(jī)組性能和制熱效果的制約。

（三）供熱效果分析

供熱嚴(yán)寒期，室外最低溫度達(dá)-26.5℃，最高溫度為-5.4℃，系統(tǒng)供回水平均溫度為33.9℃，供回水溫度升高后可達(dá)到室內(nèi)供暖的需求。且隨著室外溫度變化，機(jī)器溫度負(fù)荷減少，觀察后發(fā)現(xiàn)，-20℃左右的大部分時間，機(jī)組皆可正常工作，但若出現(xiàn)驟降的情況，則機(jī)組制熱量衰減會增大，溫度降低，制冷循環(huán)出現(xiàn)異常。經(jīng)過對機(jī)組部件的檢測發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)溫度和壓力是主要影響因素，會導(dǎo)致設(shè)備吸入制冷劑密度變小，在后續(xù)優(yōu)化與調(diào)整中應(yīng)對此加以關(guān)注。

（四）熱量能效分析

上述嚴(yán)寒實驗地區(qū)設(shè)備在運(yùn)行期間相對穩(wěn)定，低溫空氣熱源泵的熱量能效基本保持在平衡狀態(tài)，室內(nèi)平均溫度能滿足18℃的設(shè)計參數(shù)值，但在室外溫度達(dá)到-27℃后，會導(dǎo)致室內(nèi)出現(xiàn)15～17℃之間的波動。嚴(yán)寒時，通過人工控制可以將室內(nèi)溫度升至20℃以上。后續(xù)對本次應(yīng)用進(jìn)行觀察，熱泵供回水溫差較小，0℃以下空氣熱泵會出現(xiàn)結(jié)霜的情況，-15℃時則會頻繁結(jié)霜，此時室內(nèi)溫度會存在一定波動，在-27℃后結(jié)霜則會對熱量能效的轉(zhuǎn)換造成較大影響，導(dǎo)致室內(nèi)溫度無法達(dá)到預(yù)期要求。在后續(xù)優(yōu)化中應(yīng)處理結(jié)霜問題，保證技術(shù)與設(shè)備的應(yīng)用滿足需求，為實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

三、低溫空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的弊病

空氣能熱泵是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是現(xiàn)階段綠色發(fā)展中應(yīng)用的主要設(shè)備之一，通過在室外配置設(shè)備，能按需完成任務(wù)，是可再生清潔能源的應(yīng)用典范。低溫空氣源熱泵的組成較多，每一部分都會對實際應(yīng)用造成影響，為此，需要在實際工作中著重關(guān)注冷壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、換熱器、電控器件等的運(yùn)行情況。但冬季制熱工況下壓縮機(jī)的制熱能效COP值較小，為此，要著手優(yōu)化結(jié)霜的問題，避免能源浪費(fèi)，以提升冬季的采暖效率。

冬季空氣轉(zhuǎn)化會在表冷器表面結(jié)霜，此類霜層的熱阻非常大，導(dǎo)致熱能無法傳遞到內(nèi)部，使室內(nèi)熱量出現(xiàn)損失，采暖供熱運(yùn)行費(fèi)用也隨之提高，消耗的電能費(fèi)用遠(yuǎn)高于常用的水冷卻式空調(diào)。若在此條件下持續(xù)運(yùn)行，則燃煤和天然氣采暖比低溫空氣源熱泵的成本更低，不符合現(xiàn)階段綠色可持續(xù)發(fā)展的需求，為此，后續(xù)應(yīng)對此進(jìn)行優(yōu)化，降低消耗量，以契合現(xiàn)階段清潔能源應(yīng)用的需求。

四、低溫空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用

（一）配合壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)

壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣主要通過設(shè)置補(bǔ)氣孔口，蒸汽經(jīng)補(bǔ)氣口進(jìn)入壓縮機(jī)，通過與補(bǔ)氣路制冷劑混合，增加制冷劑流量。根據(jù)補(bǔ)氣形式的不同合理配置，將其與補(bǔ)氣路制冷劑混合。在此過程中，需注意調(diào)節(jié)補(bǔ)氣壓力和補(bǔ)氣量來改變流量，按需求合理控制COP與進(jìn)水溫度和環(huán)境溫度，提高補(bǔ)氣變化率，擴(kuò)大補(bǔ)氣壓力范圍，契合空氣源熱泵的應(yīng)用。中間補(bǔ)氣壓力對補(bǔ)氣系統(tǒng)的性能可能會造成影響，為了在冷凝器中放熱完成循環(huán)，應(yīng)細(xì)化分析補(bǔ)氣系統(tǒng)和單級熱泵的性能，建立變頻補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)，通過增加制冷劑流量提升系統(tǒng)制熱量和COP。在環(huán)境溫度為-10℃時，系統(tǒng)COP仍然可以滿足應(yīng)用，符合室外要求，解決除霜時舒適度下降的問題。

（二）壓縮機(jī)噴液冷卻技術(shù)

壓縮機(jī)噴液冷卻技術(shù)在當(dāng)前的低溫?zé)嵩幢脙?yōu)化中較為常見，能有效降低排氣溫度，通過改變補(bǔ)氣口位置應(yīng)對高壓比狀態(tài)，降低壓縮機(jī)的容積效率，改造只需增加噴液電磁閥即可完成，最終實現(xiàn)高壓比下排氣溫度的控制。冷凝器出口制冷劑分為兩路，環(huán)境溫度在-20～-25℃的范圍內(nèi)，補(bǔ)氣增焓比噴液冷卻COP的參數(shù)更高，壓縮機(jī)排氣溫度高于設(shè)定值時，可有效降低排氣時的溫度，后續(xù)通過增大補(bǔ)氣孔徑顯著提升系統(tǒng)性能，有效滿足實際需求。

（三）回?zé)嵫h(huán)熱泵

回?zé)嵫h(huán)熱泵是在系統(tǒng)中增設(shè)回?zé)崞?，通過回收部分熱量提高性能，在處理后通過熱蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)，從而使冷度增大、焓值降低。壓縮機(jī)吸氣口有一定的過熱度，增加回?zé)崞骺墒蛊骄蕴岣?%以上?；?zé)崞鲗嚎s系統(tǒng)存在一定的影響，且系統(tǒng)性能的提升更明顯。在實際應(yīng)用中，需要分析回?zé)崞骺諝庠礋岜玫倪\(yùn)行參數(shù)信息，通過實驗發(fā)現(xiàn)熱循環(huán)熱泵在環(huán)境溫度為-26℃、出水溫度為45℃的工況下，系統(tǒng)COP可達(dá)1.92，性能提升約為15.9%，實現(xiàn)內(nèi)部熱量的回收。

（四）雙級壓縮熱泵

雙級壓縮熱泵將壓縮過程分為兩個過程，為了能夠在-30℃及以下溫度環(huán)境中運(yùn)行，需要分析不同參數(shù)對雙級壓縮熱泵性能的影響，優(yōu)化節(jié)流后進(jìn)入中間冷卻器完成循環(huán)過程。雙級壓縮變?nèi)萘肯到y(tǒng)是未來優(yōu)化的主要方向之一，制冷劑吸熱后會被壓縮至中間，提高運(yùn)行效率應(yīng)降低吸氣過熱度，降低高溫級壓縮機(jī)的排氣溫度，增大換熱器面積，可制取65℃及以上溫度的熱水，降低壓縮機(jī)的排氣溫度，低環(huán)溫高水溫工況其更優(yōu)于其他系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際工作中的控制難度較大，后續(xù)應(yīng)對高壓級壓縮機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使其能夠在應(yīng)用中時刻處于最優(yōu)狀態(tài)。

（五）復(fù)疊式熱泵

蒸發(fā)冷凝器是復(fù)疊式熱泵的重要組成部分，能夠?qū)崃總鬟f給高溫級制冷劑完成循環(huán)，系統(tǒng)性能會隨高、低溫級變化。若在短時間內(nèi)存在較大差異，則熱泵性能會逐漸減弱，冷凝溫度為15℃時為最佳。復(fù)疊式熱泵在環(huán)境溫度為-25～25℃范圍內(nèi)可穩(wěn)定制取70℃的熱水，主要通過低溫級冷凝器和蒸發(fā)器相互配合完成，雖然低溫?zé)崃π阅芨鼜?qiáng)，但會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，且單一工質(zhì)復(fù)疊能源消耗高于單級壓縮系統(tǒng)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，如溫度低于-25℃則系統(tǒng)COP會降至1.37，能效偏低，為此，后續(xù)要選擇增設(shè)低溫級和高溫級兩個循環(huán)，有效減少除霜時的能量損失，避免在實際應(yīng)用中出現(xiàn)異常。

（六）耦合式熱泵

耦合式熱泵主要是將低溫空氣熱源泵與其他清潔能源相結(jié)合，通過融合相關(guān)設(shè)備，降低系統(tǒng)的壓縮比和排氣溫度。如將其與太陽能系統(tǒng)結(jié)合，可以為熱源加熱末端回水，保證空氣源熱泵具有較低的出水溫度，在-35℃及以下溫度環(huán)境下仍能穩(wěn)定運(yùn)行。耦合式熱泵是未來發(fā)展的主要方式之一，目前使用較多的是與太陽能系統(tǒng)耦合，系統(tǒng)全年綜合能效為3.47，通過調(diào)節(jié)中間水溫達(dá)到最優(yōu)中間水溫，且始終保持較高的性能系數(shù)，節(jié)能率達(dá)到50%以上，該方式適用于環(huán)境溫度較低的地區(qū)。在低溫條件下，這一方式可實現(xiàn)二者優(yōu)勢互補(bǔ)，雖然技術(shù)與設(shè)備的初始投資較高，但后續(xù)節(jié)能效果顯著，在太陽能充足的嚴(yán)寒地區(qū)具有更廣闊的前景，可有效提升節(jié)能效果。

（七）跨臨界CO2熱泵

跨臨界CO2熱泵是空氣源熱泵發(fā)展的新方向，合理應(yīng)用可有效提升循環(huán)熱力性能，這一方式多用于直熱式熱泵熱水器，當(dāng)水溫度由40℃升高至50℃時，COP沒有明顯變化。但受限于CO2壓縮機(jī)，最優(yōu)排氣壓力與環(huán)境溫度和供回有關(guān)，較高的回水溫度會降低氣體冷卻器內(nèi)的換熱效率，且在低溫環(huán)境下，供回水溫差會隨之增大，排氣壓力也會不斷升高，需要實時調(diào)節(jié)最優(yōu)排氣壓力，后續(xù)配合采用熱氣旁通除霜，通過加大研究使其更加完善。

五、低溫空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的展望

目前，我國低溫空氣源熱泵技術(shù)與設(shè)備正不斷發(fā)展，未來，供暖能耗將隨著技術(shù)的完善不斷降低。針對空氣源熱泵存在的結(jié)霜和化霜問題，可以選用源熱泵液態(tài)換熱技術(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)空氣源熱泵組合，應(yīng)用于中央空調(diào)夏季制冷空調(diào)冷卻水系統(tǒng)中，通過防凍液的液膜或防凍液直接與空氣換熱，也可以采用熱水除霜和超聲波除霜，這一方式在冬季采暖效果比較理想。冷卻塔是清水噴淋裝置，可通過改進(jìn)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，適應(yīng)煤改電的需求，后續(xù)采用憎水性材料減少結(jié)霜，保證其應(yīng)用契合外部環(huán)境。

六、結(jié)束語

在嚴(yán)寒地區(qū)采用中間補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)時，應(yīng)加大關(guān)注外部因素，考慮室外的綜合溫度情況，進(jìn)一步突出技術(shù)與設(shè)備的環(huán)保性能。為此，結(jié)合其他供暖形式，發(fā)揮氣系統(tǒng)的性能，提升供暖系統(tǒng)的能效比，通過多種技術(shù)融合提升其在應(yīng)用中的性能，對技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行更深入的研究，與能源節(jié)約型社會接軌。

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