寒冷地區(qū)空氣源熱泵采暖技術(shù)進(jìn)展

衛(wèi)超朋 鄒同華

摘 要：【目的】隨著我國碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的提出，空氣源熱泵采暖技術(shù)受到越來越多的青睞，但想要真正利用好空氣源熱泵系統(tǒng)，就要解決低溫下空氣源熱泵效率低、工作不穩(wěn)定等問題。【方法】本研究通過對比分析，以提高低溫下空氣源熱泵能效為目的，從提高壓縮機(jī)本身的性能、采用與其他熱源相結(jié)合的多源耦合熱泵系統(tǒng)、采用各種新型抑霜除霜方式和一些低溫制冷劑等方面，進(jìn)行全面總結(jié)和分析?！窘Y(jié)果】目前，為提高低溫下空氣源熱泵能效而總結(jié)出的研究方法有很多，但仍有問題需要解決。【結(jié)論】對低溫下空氣源熱泵發(fā)展現(xiàn)狀和存在問題進(jìn)行全面分析，對比分析結(jié)果，對提高寒冷地區(qū)空氣源熱泵能效的深入研究具有參考價值。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；低溫；能效

中圖分類號：TK11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）06-0039-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.007

Research Progress of Air Source Heat Pump Heating Technology

in Cold Regions

WEI Chaopeng? ?ZOU Tonghua

（Tianjin Key Lab of Refrigeration，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

Abstract： [Purposes] With the goal of carbon neutralization and carbon peak in China， air source heat pump heating technology is more and more popular. However， in order to make good use of air source heat pump system， it is necessary to solve the problems of low efficiency and unstable operation of air source heat pump at low temperature. [Methods] Through comparative analysis， in order to improve the energy efficiency of air source heat pump at low temperature， this study comprehensively summarizes and analyzes the date from the aspects of improving the performance of compressor itself， multi-source coupled heat pump system combined with other heat sources and adopting various new anti-frost and defrosting methods and some low-temperature refrigerants. [Findings] At present， there are many research methods to improve the energy efficiency of air source heat pump at low temperature， but there are still problems to be solved. [Conclusions] The development status and existing problems of air source heat pump at low temperature are comprehensively analyzed. The comparative analysis results have reference value for further research on improving the energy efficiency of air source heat pump in cold regions.

Keywords： air source heat pump; low temperature; efficiency

1 空氣源熱泵概述

空氣源熱泵是一種能從空氣中提取低品位熱能，并在電力做功的條件下，將低品位熱能轉(zhuǎn)化成高品位熱能的裝置。采用空氣源熱泵裝置來供暖制冷，既能降低生產(chǎn)成本，又能做到無污染。在該裝置運行過程中，蒸發(fā)器吸收空氣中的能量傳遞給制冷劑，經(jīng)過壓縮機(jī)做功后變成高溫高壓氣體，在冷凝器側(cè)釋放熱量給用戶側(cè)。蔣爽等［1］選擇在室外環(huán)境溫度偏低時對空氣源熱泵機(jī)組系統(tǒng)的運行能耗進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，與其他熱源的一次能耗相比，空氣源熱泵的一次能耗較低。鮑玲玲等［2］對低溫空氣源熱泵系統(tǒng)在不同運行控制策略下的經(jīng)濟(jì)性和供熱特性進(jìn)行分析，對比6種典型供熱方式的節(jié)能性，結(jié)果表明，低溫空氣源熱泵是一種高效的供熱方式。

在需求牽引和政策支持的共同推動下，熱泵技術(shù)在我國的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，而雙碳目標(biāo)的制定更為其注入了強(qiáng)勁的發(fā)展動力，但當(dāng)前產(chǎn)業(yè)技術(shù)及政策仍存在一些掣肘和障礙［3-4］。研究空氣源熱泵時要特別注意結(jié)除霜和供暖問題，以及寒冷地區(qū)空氣源熱泵的供熱性能和COP優(yōu)化。新材料、大數(shù)據(jù)、AI與空氣源熱泵融合成為發(fā)展方向。從經(jīng)濟(jì)角度、環(huán)保角度、政策角度來看，空氣源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展將會越來越受重視。

2 低溫空氣源熱泵系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的種類

為了提高低溫環(huán)境下空氣源熱泵的運行性能和穩(wěn)定性，科研人員進(jìn)行了大量研究，在傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出不同形式的低溫空氣源熱泵系統(tǒng)。目前，主要研究的有準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)［5］（包括閃蒸器熱泵系統(tǒng)、過冷器熱泵系統(tǒng)）如圖1所示，復(fù)疊式壓縮熱泵系統(tǒng)，如圖2所示，以及雙級壓縮熱泵系統(tǒng)，如圖3所示。不同熱泵系統(tǒng)的對比情況詳見表1。

周光輝等［6］通過搭建低壓補氣型空氣源熱泵實驗平臺，經(jīng)試驗證明在低壓補氣模式下，相對于不補氣的模式，補氣模式的制熱量提升12.6%～33.0%。薛杰等［7］對帶閃發(fā)器補氣系統(tǒng)的準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵的性能進(jìn)行研究，研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度高于-3 ℃時，傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)制熱COP要高于閃發(fā)器中間補氣系統(tǒng)；當(dāng)環(huán)境溫度低于-3 ℃時，傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)制熱COP要低于閃發(fā)器中間補氣系統(tǒng)。田長青等［8］將雙級壓縮和變頻技術(shù)進(jìn)行融合，提出一種適用于寒冷地區(qū)的雙級壓縮變頻空氣源熱泵系統(tǒng)。

2.2 低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的抑霜除霜方式

低溫空氣源熱泵面臨的較大問題是結(jié)霜問題，如何能有效減少結(jié)霜，并對已結(jié)的霜進(jìn)行去除，是目前研究的重點。研究人員提出多種抑霜除霜的改進(jìn)方式，詳見表2［9-12］。Choi等［13］在傳統(tǒng)熱氣旁通系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將壓縮機(jī)的排氣口和蒸發(fā)器的出口連在一起，在不停止供熱的前提下可實現(xiàn)高效除霜。劉宗江等［14］提出在空氣源熱泵機(jī)組系統(tǒng)上安裝輔助加熱裝置，使用滲透型空氣集熱器來吸收太陽輻射熱，用于加熱空氣源熱泵機(jī)組系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)的空氣溫度，使空氣源的熱源溫度升高，減少結(jié)霜，從而提高空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱性能。曹小林等［15］采用電子膨脹閥有利于縮短除霜時間和機(jī)組快速恢復(fù)供熱模式。

通過改進(jìn)熱泵系統(tǒng)的組成和抑霜除霜方式，在一定程度上對有效解決空氣源熱泵低溫下的適應(yīng)性問題提供切實可行的思路，但目前這些方法還存在一定的局限性，在經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性、操作性等方面還有著很大的拓展空間。對空氣源熱泵系統(tǒng)構(gòu)想新的設(shè)計或?qū)ζ浣M成部件細(xì)節(jié)之處進(jìn)行改進(jìn)，都有可能使整個空氣源熱泵系統(tǒng)的性能得到提升。

3 適合低溫空氣源熱泵的制冷劑研究

目前，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)常用的制冷劑有R22、R410A、R407C、R134a，其性質(zhì)詳見表3。這些制冷劑的GWP較高，從未來低碳發(fā)展來看，還要找到這些制冷劑的替代品。彭斌等［16］使用混合制冷劑R290/R1234ze來代替R22制冷劑，理論證明是可行的，較其他制冷劑更具發(fā)展?jié)摿?。霍二光等?7］對使用R1234ze與R152a混合制冷劑來代替R22制冷劑的可行性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)用R1234ze和R152a組成混合制冷劑NCUR01來替代R22制冷劑在技術(shù)上是完全可行的。在一定程度上對低溫下空氣源熱泵制冷工質(zhì)的選取也要從安全、能效等方面進(jìn)行考慮，從而提升低溫下空氣源熱泵的性能。張耘等［18］在對低溫?zé)岜孟到y(tǒng)性能研究中采用R290來替代R22，研究表明，在低溫?zé)岜孟到y(tǒng)中使用R290來替代R22，具有效率高、安全性好，且改動成本低的特點，具有較好的應(yīng)用前景。

4 低溫空氣源熱泵與其他能源相結(jié)合

為了進(jìn)一步提高低溫環(huán)境中空氣源熱泵的性能，還可采用空氣源熱泵與其他能源相結(jié)合的方法。目前，較常見的是空氣源熱泵與太陽能的結(jié)合。20世紀(jì)50年代初，Jordan等［19］首次提出太陽能與熱泵相結(jié)合的供暖系統(tǒng)，并提出將其用于對用戶進(jìn)行供暖，能有效降低運行過程中的電量花費，提高集熱器和系統(tǒng)的供暖性能，這是較早提出太陽能與熱泵相結(jié)合的運營方式，開啟了太陽能與熱泵結(jié)合的新模式。之后又發(fā)展出太陽能與空氣源熱泵串聯(lián)系統(tǒng)、太陽能熱泵并聯(lián)系統(tǒng)、直接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)、多熱源式太陽能熱泵系統(tǒng)。這四種系統(tǒng)如圖4至圖7所示。這些熱泵系統(tǒng)是目前最常用的四種形式。這四種形式的太陽能與熱泵相結(jié)合的利用方式為后來其他類型的太陽能與熱泵相結(jié)合的方式提供基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上對理論進(jìn)行深入的研究，以及實際工程應(yīng)用方面的研究，使太陽能與空氣源熱泵相結(jié)合的效能越來越高。

以太陽能與空氣源熱泵相結(jié)合的四種形式為基礎(chǔ)，Long等［20］提出一種可實現(xiàn)太陽能與空氣源熱泵并聯(lián)供暖模式和串聯(lián)供暖模式自動切換的混合供暖系統(tǒng)。Aktas等［21］提出一種新型的太陽能輔助熱泵系統(tǒng)，將太陽能的余量儲存在熱能儲存單元中，從而保證其在陰天環(huán)境中也能持續(xù)有效地運行。Ma等［22］提出使用太陽能/空氣輔助熱泵，能有效解決單獨空氣源熱泵在冬季供暖出現(xiàn)的結(jié)霜問題。Liang等［23］通過建立空氣源熱泵與太陽能的耦合供暖系統(tǒng)，對熱負(fù)荷為10 kW的建筑進(jìn)行采暖，并建立數(shù)學(xué)模型，探究太陽能集熱器對該系統(tǒng)的影響，研究結(jié)果表明，太陽能與空氣源熱泵耦合供暖系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)COP隨集熱器面積的增加而增強(qiáng)。李珍［24］通過對太陽能與空氣源熱泵不同耦合方式的運行特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)太陽能與蒸發(fā)器的并聯(lián)模式在低環(huán)溫和低輻射條件下更具優(yōu)勢，太陽能與冷凝器的并聯(lián)模式在高環(huán)溫和強(qiáng)輻射條件下更具優(yōu)勢，而太陽能中溫增焓模式在中等環(huán)境溫度和中等輻射強(qiáng)度下更具優(yōu)勢。

太陽能與空氣源熱泵相結(jié)合的形式應(yīng)用廣泛，科研人員通過改進(jìn)儲能方式、系統(tǒng)材料、尺度、控制策略、不同優(yōu)化匹配材料進(jìn)行試驗，總結(jié)出太陽能與空氣源熱泵相結(jié)合在不同情況下的能效。通過對不同地區(qū)、不同氣候條件下太陽能與熱泵系統(tǒng)的各種耦合方式進(jìn)行模擬，不斷優(yōu)化太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的形式。

5 結(jié)語

空氣源熱泵系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于北方采暖領(lǐng)域。隨著低碳環(huán)保的理念深入人心，以及我國碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的提出，空氣源熱泵采暖技術(shù)一定會受到越來越多的青睞，但想要真正利用好空氣源熱泵系統(tǒng)，必須要解決低溫下空氣源熱泵遇到的效率低和工作不穩(wěn)定等問題。本研究從空氣源熱泵系統(tǒng)、抑霜除霜、制冷劑、熱泵與太陽能相結(jié)合等方面，介紹空氣源熱泵的相關(guān)研究現(xiàn)狀，通過分析這些研究成果，在一定程度上為解決寒冷地區(qū)低溫下空氣源熱泵遇到的問題提供思路，但對嚴(yán)寒地區(qū)低溫下空氣源熱泵的研究和應(yīng)用還有待于進(jìn)一步探索，以期解決我國北方嚴(yán)寒地區(qū)冬季極端天氣下的采暖問題。

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