低溫氣候空氣源熱泵技術(shù)分析

顏丙正

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

現(xiàn)階段，在我國低溫氣候區(qū)域使用空氣源熱泵技術(shù)，比較關(guān)鍵的問題是對空氣壓縮階段進(jìn)行改良，促進(jìn)其良好發(fā)展，對壓縮機(jī)裝置進(jìn)行有效的維持，提升壓縮機(jī)裝置的穩(wěn)定性，不但能夠保證空氣源熱泵在低溫的環(huán)境下長期地運(yùn)行，還能提升其運(yùn)行過程中的安全性。但是，由于空氣源熱泵設(shè)備具有一定的復(fù)雜性，設(shè)備中的冷凝器以及蒸發(fā)器在運(yùn)行的過程中，會對空氣源熱泵產(chǎn)生比較直接的影響，根據(jù)當(dāng)前空氣源熱泵的運(yùn)用狀況來看，對冷凝器以及蒸發(fā)器進(jìn)行單方面的優(yōu)化和改進(jìn)還是無法滿足空氣源熱泵的具體效能，再加上除霜的相關(guān)問題，需要根據(jù)實(shí)際狀況找到解決策略。在此背景下，需要相關(guān)的研究人員對空氣源熱泵技術(shù)方面加大研究，從而使得空氣源熱泵設(shè)備在低溫氣候區(qū)域能夠得到更加有效的使用。

1 低溫氣候空氣源熱泵裝置工作指標(biāo)的影響研究

（1）對蒸發(fā)器設(shè)備的主要影響。蒸發(fā)器設(shè)備是空氣源熱泵系統(tǒng)最重要的組成部分。蒸發(fā)器設(shè)備的工作狀態(tài)對空氣源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)有著最直接的影響。

低溫環(huán)境對蒸發(fā)器設(shè)備的影響和制約可分為以下幾種：①如果在設(shè)計(jì)翅片位置的時(shí)候，設(shè)計(jì)方式不夠科學(xué)的狀況下會導(dǎo)致翅片頻繁的結(jié)霜；②需要設(shè)計(jì)好制冷劑物質(zhì)的流向，排布好風(fēng)扇部件的位置，避免換熱不均衡導(dǎo)致結(jié)霜。

這兩個(gè)層面的主要問題如下。①針對翅片部位的問題，蒸發(fā)器設(shè)備通常用于壓縮整個(gè)系統(tǒng)的體積。設(shè)計(jì)師通常將翅片裝置的間隔設(shè)置得比較小，但這種操作可以有效地增加機(jī)組的熱交換面積，同時(shí)，加劇蒸發(fā)器裝置的結(jié)霜，這可能導(dǎo)致結(jié)冰和積水的產(chǎn)生。但有時(shí)也會對蒸發(fā)器單元的運(yùn)轉(zhuǎn)造成不良影響。②針對制冷劑物質(zhì)的流向方面的設(shè)計(jì)，一般情況下，制冷劑物質(zhì)會和空氣流動(dòng)呈現(xiàn)出反向的結(jié)果，而且不同的流動(dòng)方向所能帶來的性能不同也是非常明顯的。如果在制熱的過程中，制冷劑物質(zhì)將在換熱器裝置的出氣口位置表現(xiàn)出比較明顯的溫差，從而導(dǎo)致翅片部位結(jié)霜更加的嚴(yán)重，同時(shí)還會結(jié)冰，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)工作人員需要全面的考慮，找出結(jié)霜問題的原因，提出除霜的建議。在傳統(tǒng)蒸發(fā)器設(shè)備中，通?；谧畲鬅峤粨Q能力進(jìn)行綜合測量。在許多情況下，可以使用多種供液方案。但是，在低溫環(huán)境下會發(fā)生分液不平均的情況，容易干擾既定程序的平穩(wěn)工作和運(yùn)行。

（2）冷凝器裝置的主要問題研究。當(dāng)空氣源類型熱泵裝置系統(tǒng)工作在符合壓縮機(jī)裝置排氣的溫度條件的時(shí)候，如果環(huán)境溫度變得更高，造成進(jìn)到冷凝器裝置的氣體的實(shí)際溫度大于系統(tǒng)設(shè)定的溫度數(shù)值，由于冷凝器裝置的主要工作原理和總體設(shè)計(jì)理念不同，在一定程度上限制了冷凝器裝置的實(shí)際效果，熱交換工況明顯下降，空氣源熱泵裝置系統(tǒng)的各種功能明顯下降。

（3）節(jié)流設(shè)備的規(guī)劃設(shè)計(jì)研究。現(xiàn)階段，熱泵在正常運(yùn)行過程中，相關(guān)系統(tǒng)的熱輻射系數(shù)變化范圍相當(dāng)大且有規(guī)律，一般呈二次雙曲狀態(tài)。然而，傳統(tǒng)熱力膨脹閥不能被有效地調(diào)節(jié)和控制。低溫空氣源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)人員根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論，安裝若干數(shù)量的電子膨脹閥。綜上所述，低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)人員在設(shè)備運(yùn)行正常到一定程度時(shí)，相關(guān)工作人員能夠通過雙電子膨脹閥的合理運(yùn)用，來控制好低溫空氣源熱泵，對于低溫氣候區(qū)域的空氣源熱泵來講，工作人員需要在節(jié)流機(jī)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃的過程中，使用電子膨脹閥進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)。

2 低溫氣候空氣源熱泵系統(tǒng)相關(guān)除霜技術(shù)研究

低溫空氣源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)人員在低溫氣候空氣源熱泵內(nèi)部壓縮機(jī)組出口設(shè)置旁路止逆閥，用于高溫氣體旁路除霜。經(jīng)過二次設(shè)計(jì)，確定旁路閥裝置與蒸發(fā)器熱源空氣出口緊密相連。在這種情況下，當(dāng)結(jié)霜量達(dá)到最大安全額定參數(shù)值時(shí)，低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)人員可以打開旁路閥裝置，關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，將蒸發(fā)器的熱源空氣輸出到入口。這種操作就會導(dǎo)致核心運(yùn)行壓縮機(jī)的最大額定安全排氣通過旁通閥進(jìn)入至蒸發(fā)器，從而使得蒸發(fā)器內(nèi)部的溫度得到提升，并達(dá)到理想的相關(guān)，此種方面能夠加快除霜的速度。

電除霜的使用一般由低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)人員設(shè)計(jì)，以增加蒸發(fā)器內(nèi)部除霜線圈的布置。同時(shí)，如果結(jié)霜的量比較大的狀況下，此設(shè)備能夠?qū)θ窟\(yùn)行的機(jī)組進(jìn)行停止，然后相關(guān)工作人員可以開啟電加熱裝置使得蒸發(fā)器溫度得到提升，在最短的時(shí)間內(nèi)完成除霜工作，并達(dá)到比較好的除霜效果。

一般來說，低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)人員所掌握的空氣源熱泵系統(tǒng)可以同時(shí)具有加熱和冷卻雙重功能。在進(jìn)行制冷的過程中，需要在空氣源熱泵中使用四通閥門，其能夠有效地對工作的具體狀態(tài)進(jìn)行切換，基于此，四通閥防霜技術(shù)在現(xiàn)階段得到了廣泛應(yīng)用。低溫空氣源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)人員認(rèn)為，四通閥可以通過改變設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)將蒸發(fā)器轉(zhuǎn)化為冷凝器。這樣一來，蒸發(fā)器的溫度大幅提高，有效除霜效果最大化。根據(jù)上述除霜技術(shù)方案的說明，電除霜是低溫空氣源熱泵系統(tǒng)工程師及技術(shù)人員的最佳技術(shù)方案。此技術(shù)主要和蒸發(fā)器相結(jié)合，不會對外界環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。在此種狀況下，需要根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)，通過試驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)做好除霜工作的設(shè)計(jì)，其中作為有效的選擇是電除霜技術(shù)。

3 低溫氣候空氣源熱泵系統(tǒng)相關(guān)熱聲熱泵技術(shù)研究

熱聲熱泵技術(shù)一種新型的技術(shù)，其主要是利用熱聲效應(yīng)，其運(yùn)行過程中的部件比較少，有著較為可靠的性能，能夠長時(shí)間進(jìn)行使用，同時(shí)還避免了使用污染環(huán)境的制冷劑，具體使用惰性氣體以及混化合物中工質(zhì)，同時(shí)還可以使用燃?xì)庖约疤柲艿惹鍧嵞茉矗环N電驅(qū)動(dòng)低溫空氣源雙作用行波熱聲熱泵系統(tǒng)，原理如圖1 所示。

圖1 雙作用行波熱聲熱泵原理圖

當(dāng)熱源溫度為-20℃，熱合流溫度為50℃時(shí)，熱泵的加熱系數(shù)達(dá)到3。與大約64%的系數(shù)相比，泵熱量能達(dá)到1600W，壓力比僅為1.19。這個(gè)系統(tǒng)具有很高的加熱性能和經(jīng)濟(jì)性。與傳統(tǒng)熱泵相比，在低溫氣候區(qū)域中使用熱聲熱泵技術(shù)具有更強(qiáng)的優(yōu)勢，其在醫(yī)療冷藏、快速冷凍以及微型裝置方面有著比較廣闊的使用前景，但是現(xiàn)階段熱聲熱泵技術(shù)還沒有達(dá)到推廣使用的階段，當(dāng)前熱聲熱泵技術(shù)還在試驗(yàn)階段，如果要投入民用，還需要對其工藝進(jìn)行改進(jìn)，并降低制造的整體成本。

4 低溫氣候空氣源熱泵系統(tǒng)相關(guān)組合采暖技術(shù)研究

（1）空氣源熱泵+地板輻射?？諝庠礋岜玫淖罴压ぷ鳡顟B(tài)是提供50℃以下的熱水。傳統(tǒng)的空氣源熱泵之所以不用于建筑供暖，是因?yàn)楣┡崞餍枰?0 ～80℃的熱水溫度。地暖一直被公認(rèn)為最舒適的采暖方式，所需熱水溫度≤60℃。通過選擇和使用高效輻射線圈，適當(dāng)縮短線圈間隔，使熱媒水溫度(＜50℃)、給水溫度(＜5℃)與敷設(shè)在線圈管下方的鋁箔復(fù)合層的熱反射相結(jié)合，達(dá)到高通過形成壓阻燃擠壓保溫板，可以減少熱損失，進(jìn)一步降低水溫。進(jìn)水溫35℃、回水溫度31℃、空氣基準(zhǔn)溫度20℃的試驗(yàn)，熱量釋放可達(dá)到100W/m2以上的非常有效的終端。通過這種方式，空氣源熱泵可以為地板輻射提供所需的低溫?zé)崴?，提供舒適、清潔、節(jié)能和環(huán)保。

（2）空氣源熱泵+小溫差風(fēng)機(jī)盤管。傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管多為頂棚式，設(shè)計(jì)以夏季降溫為主。冬天取暖時(shí)，舒適性較差。為了保證供暖效果，暖氣送風(fēng)溫度高，浪費(fèi)大?？稍O(shè)計(jì)與可動(dòng)區(qū)域在功能上固定的小溫差熱交換端系統(tǒng)，以便隨著熱空氣的上升而降低供氣溫度。它具有風(fēng)量大、溫差小、熱交換效率高等優(yōu)點(diǎn)，降低了對水溫的要求。只用30℃以上的熱水就可以加熱，溫度均勻。與市面上的其他采暖終端相比，小溫差熱交換終端雖然沒有地暖那么舒適，但也具有啟動(dòng)時(shí)間比地暖短、響應(yīng)快、節(jié)能、配置更靈活等優(yōu)點(diǎn)。

（3）空氣源熱泵+太陽能?？諝庠礋岜门c太陽能是理想的組合方案。白天可以利用陽光補(bǔ)充熱水。在夜間或雨天沒有太陽的情況下，啟動(dòng)空氣源熱泵供暖，將太陽能低溫?zé)崴訜岬焦┧蟆Ｌ柲芰隳芎呐c空氣源熱泵低能耗的有效結(jié)合。選擇高效集熱器，智能判斷溫度變化，采取系統(tǒng)循環(huán)保溫、房間和時(shí)間控制、太陽能和空氣源熱泵智能切換等措施后，太陽能加熱供暖系統(tǒng)節(jié)電率可達(dá)40%以上，非常節(jié)能。另外，兩者都在相對穩(wěn)定的條件下運(yùn)行，可以確保全年全天候運(yùn)行。我國是太陽能資源豐富的大國，2/3 以上的地區(qū)擁有良好的太陽能資源。大部分地區(qū)年平均發(fā)電量超過4kWh/m2，具備了利用太陽能的自然條件。

5 低溫氣候空氣源熱泵系統(tǒng)相關(guān)強(qiáng)化制熱技術(shù)研究

（1）變頻壓縮機(jī)+噴氣增焓技術(shù)：為改善低溫加熱循環(huán)流量低的問題，一般采用變頻壓縮機(jī)來增加循環(huán)流量，其改善效果有限。冷凝器后的冷媒液抽出孔隙的一部分后，進(jìn)入熱交換器和熱交換器或閃光器，直接回到壓縮機(jī)的空氣噴流中，與從空氣噴流吸入的一定程度的壓縮氣體混合，壓縮到高壓力后排出。這增加了排氣量，解決了低溫室外熱交換器蒸發(fā)效果惡化的問題，這就相當(dāng)于變相循環(huán)氣量不足的問題。研究表明，噴射系統(tǒng)與普通系統(tǒng)相比，可提高制冷和供暖能力15%～30%，特別是高溫制冷和低溫供暖能力，可提高系統(tǒng)能效8% ～18%。目前，變頻噴水泵可在-30℃下實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行，在-15℃下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)供熱，出水溫度可達(dá)65℃，使得我國大部分空氣源熱泵來自北方高寒地區(qū)擴(kuò)張，南方為-5℃。這個(gè)方案的系統(tǒng)成本不高，但是增加了熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)。更換鍋爐時(shí)，采暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)無須變更，改造升級方便。其可靠性和節(jié)能效果已經(jīng)在歐洲和我國北方的一些案例中得到了驗(yàn)證，在我國具有良好的推廣前景。

（2）雙級耦合熱泵技術(shù)：針對低溫除霜波動(dòng)和加熱不良的情況，可采用兩級耦合技術(shù)。一級空氣源熱泵的冷熱水機(jī)組作為二級熱泵的低溫?zé)嵩?，首先制?0～20℃熱水儲存，然后二級水源熱泵冷熱水機(jī)組應(yīng)向用戶提供50℃以上熱水或直接收集水源/空氣熱泵機(jī)組加熱空氣。這樣，機(jī)組二次系統(tǒng)以各自合理的壓力比運(yùn)行，保證了采暖效果，提高了可靠性，室內(nèi)舒適度不受室外低溫和霜凍的影響。另外，兩級耦合單元的配置可根據(jù)需要設(shè)定為室外低溫開雙級，室外高溫開單級，以發(fā)揮節(jié)能效果。與注入技術(shù)相比，能源效率低，但可以獲得更高更穩(wěn)定的出水溫度。另外，初期投資也比變頻噴射系統(tǒng)大，供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，供暖改造可能不太經(jīng)濟(jì)，適合電力豐富的新項(xiàng)目。

（3）二氧化碳熱泵技術(shù)。在熱泵系統(tǒng)中，二氧化碳是最具潛力的天然工作介質(zhì)。環(huán)境無害ODP=0,GWP=1，價(jià)格便宜，無毒，不易燃燒，單位體積冷凍量高，跨臨界系統(tǒng)冷卻過程中溫度滑動(dòng)，能更好地適應(yīng)溫度變化熱源，臨界循環(huán)反復(fù)壓力低，COP 好。它可以提供85℃以上的熱水，對于空調(diào)和暖氣具有非常明顯的優(yōu)勢?？梢赃B接北方中央暖氣散熱器。同時(shí)，由于工作壓力高，很難實(shí)現(xiàn)大功率、高熱發(fā)電機(jī)組。二氧化碳熱泵在日本成功商業(yè)化，并銷往海外。今后幾年，二氧化碳熱泵將成為業(yè)界的焦點(diǎn)。

6 結(jié)語

總的來講，現(xiàn)階段使用空氣源熱泵符合當(dāng)前供暖節(jié)能的目標(biāo)，同時(shí)在安裝過程中比較方便，在冬季供暖的同時(shí)，還能夠在夏季通過四通換向閥來進(jìn)行制冷，有著一機(jī)兩用的功能，使得設(shè)備的使用效率更高。雖然當(dāng)前空氣源熱泵設(shè)備主要使用在北方供暖，但是，在實(shí)際使用過程中，存在結(jié)霜、壓縮機(jī)壓比以及供熱量不足等問題，這些問題不但會影響空氣源熱泵的運(yùn)行，還會影響用戶的供熱體驗(yàn)。將太陽能和空氣源熱泵相結(jié)合的方式能夠有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。其中壓縮機(jī)當(dāng)中進(jìn)行補(bǔ)氣增焓能夠有效地降低壓比，在實(shí)際補(bǔ)氣增焓過程中做好補(bǔ)氣量的合理控制，并提升壓縮機(jī)的加工精度是當(dāng)前研究過程中的關(guān)鍵。此外，除霜作為空氣源熱泵的關(guān)鍵問題以及話題，其結(jié)霜機(jī)理和除霜技術(shù)是研究的關(guān)鍵點(diǎn)。而在空氣源熱泵中合理地使用無霜熱泵系統(tǒng)能夠有效地解決結(jié)霜和除霜的問題，同時(shí)還能夠提升系統(tǒng)的整體性能，而超低溫環(huán)境使用熱聲熱泵技術(shù)在我國研究的還比較少，但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國在熱聲熱泵技術(shù)使用方面也將有著更加廣闊的前景。