关于低温环境下空气源热泵的探讨

能源是人类和社会生存发展的重要资源，但是随着人类社会的不断发展以及人民生活水平的不断提高，能源需求量不断增大，由此导致的能源消耗和环境污染问题也日益严重，节约能源和保护环境已经成为人类不可推卸的责任。

空气源热泵是一种以逆卡诺循环为工作原理，把丰富的空气作为低温热源，通过电能的驱动，将空气中大量的低温热能转变为高温热能的装置。

近些年来，空气源热泵技术以其高效节能、安装方便、环保无污染的特点，有效的解决了在冬季我国北方以燃煤为供暖模式所带来的负面影响，缓解了我国资源紧张的局面，成为热泵技术中应用最为广泛的一种。

但是，在室外温度较低的情况下，空气源热泵系统并不能高效安全的运行，成为了空气源热泵系统在寒冷地区应用的制约因素。

本文对空气源热泵系统进行了简单介绍，指出在寒冷地区空气源热泵系统容易出现的问题，综合国内外专家学者的研究成果，对不同的改善措施进行分析，希望能对空气源热泵技术的发展起到积极作用。

1 空气源热泵系统热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，也是全世界倍受关注的新能源技术。

它不同于人们所熟悉的可以提高位能的机械设备—“ 泵”，热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。

空气源热泵作为热泵技术的一种，有“ 大自然能量的搬运工” 的美誉，利用蒸汽压缩制冷循环工作原理，以无处不在的空气中的能量作为主要动力，通过少量电能驱动压缩机运转，实现能量的转移，满足用户对生活热水、地暖或空调等需求。

空气源热泵系统不需要复杂的配置、昂贵的取水、回灌或者土壤换热系统和专用机房，它能够逐步减少传统采暖方式给大气环境带来的大量污染物排放，保证采暖功效的同时实现节能环保的目的。

空气源热泵系统通常由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀 4 部分构成，通过让工质不断完成蒸发→ 压缩→ 冷凝→节流→ 再蒸发的热力循环过程，从而实现热量的转移.在制热时，液态制冷剂在空气换热器中汽化，吸收空气中的热量，低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩后变为高温高压气体送至水换热器。

由于制冷剂的温度高于水的温度。

制冷剂从气态冷却为液态，液体制冷剂经膨胀阀节流后，在压力作用下进入空气换热器，低压气体制冷剂再次汽化，完成一次循环。

在这个循环中，随着制冷剂状态的变动，实现了热量从空气侧向水侧的转移。

在制冷时，液态制冷剂在水换热器中汽化，使水温降低。

低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩，变为高温高压气体，进入空气换热器，由于制冷剂温度高于空气温度，制冷剂向空气传热，制冷剂经气体冷凝为高压液体，高压液态制冷剂经膨胀阀节流后进入水换热器，低压液体制冷剂再次汽化，完成一个循环。

在这个循环过程中，随着制冷剂状态的变动，实现了热量从水侧向空气侧的转移。

2 空气源热泵北扩的制约因素空气源热泵系统在环境温度相对较高时，运行性能良好，但是室外温度较低的情况下，空气源热泵系统不但无法满足负荷的需求，而且系统自身也无法保证安全稳定的运行，这一直制约着空气源热泵的发展和推广应用。

在较低的室外温度情况下，空气源热泵系统容易出现以下问题：（1）在室外环境温度较低的情况下，当换热器温度低于环境空气的露点温度时，整个换热器上散热片表面会产生凝露水，当环境空气温度低于0℃，凝露水就会凝结成薄霜，蒸发器表面会有结霜，当蒸发器表面的霜层达到一定的厚度时，会增加换热器的传热热阻，导致机组换热能力下降，同时由于霜层的增厚，翅片间通道会被堵塞，导致空气流动阻力变大，空气流量减少，空气侧换热量下降，系统的供热量明显降低。

为此，当换热器表面的霜层增加到一定厚度时必须进行除霜，但若除霜时间过短，也会导致未融化的霜层和水珠进一步冻结成更加难以融化的冰块，使得换热器的换热急剧恶化，影响系统的正常工作。

（2）当室外环境温度较低时，系统的蒸发温度降低，在冷凝温度不变的情况下，压缩比增大，随着压缩机压缩比的不断增大，压缩机的排气温度迅速升高，超过压缩机正常的工作范围，致使压缩机频繁启停，使机组无法正常运行或运行可靠性降低，长期运行必然会严重损坏压缩机。

同时压缩机排气温度过高，使润滑油的粘度急剧下降，影响压缩机的润滑效果。

（3）随着室外环境温度的降低，制冷剂吸气比容增大，使得机组吸气量随着室外温度的降低而迅速下降，机组的制热量也就相应按比例下降，不能满足室内最大采暖热负荷。

同时，随着室外环境温度的降低，制冷剂质量流量下降，导致供热量急剧减少。

3 空气源热泵的改善措施针对空气源热泵系统在低温环境下出现的问题，国内外专家学者提出不同的改进措施，主要包括以下方面：3.1 除霜技术空气源热泵系统在在室外环境温度较低的情况下运行，蒸发器表面容易结霜这一现象，不仅影响了机组的制热能力，也会严重缩短机组的使用寿命。

面对这一难题，国内外专家学者提出不同的改进方案，主要包括：电热除霜、逆循环除霜、热气旁通和蓄热除霜等几种方式。

电加热除霜是最简单的一种除霜方式，它的思路是在蒸发器上安装适当功率的电阻，当蒸发器上积霜严重时，开启电气开关，电热丝通电发热融霜。

电加热除霜技术具有系统简单、除霜完全、实现控制简单的优点，在小型装置上广泛采用，但缺点是耗电量大，不宜在大型装置上采用。

逆循环除霜技术是利用热泵双向制冷制热的原理，通过四通换向阀，改变制冷剂的流向，让机组由制热运行状态转为制冷运行状态，这样热泵从室内吸热排到室外换热器中进行融霜。

逆循环除霜技术不需要附加任何设备，只需要在需要除霜时开启四通换向阀即可。

但是此种除霜方式，会影响到空气源热泵热水器的供水，即在除霜期间，无法为用户提供有效水温的热水，导致室内温度下降。

同时，四通阀频繁换向会影响其可靠性及寿命。

另外，热泵系统除霜的准确性差，需要除霜与实际除霜不合拍，误除霜现象严重。

热气旁通除霜技术是通过旁通回路，将压缩机的高温排气直接引入室外换热器进行除霜。

有人通过研究分析，表明旁通管的流量占总流量的20% 时系统的性能最好，与一般系统相比，热气旁通方式系统的平均COP 和制热量分别增加8.5%和5.7%。

但是，热气旁通除霜的能量主要来自压缩机的输入功，而且制冷剂流过分液器和分液毛细管的能量损失较大，除霜时间较长。

蓄热除霜以相变材料作为蓄热材料，在空气源热泵系统正常制热时蓄热，除霜时相变蓄热器作为主要低温热源。

有人通过设计搭建空气源热泵蓄能除霜试验台，对实验数据进行分析，表明在除霜时，相变蓄能除霜系统的压缩机吸气压力比传统除霜系统提高了约0.3MPa，有效提高了除霜速度。

有人针对空气源热泵除霜问题，分别对逆循环除霜系统、热气旁通除霜系统和相变蓄能除霜系统进行对比实验，实验结果表明，相变蓄能系统除霜时的压缩机排气温度比另外两种系统高，使得冷凝温度升高，更有利于缩短除霜时间，且室内温度相对稳定，系统能耗也随之减少。

3.2 复叠式系统空气源复叠式热泵系统，是指用水循环管路将两套单级热泵耦合起来，组成一套适合于寒冷地区应用的双级热泵供暖系统。

两个单级热泵系统采用不同的制冷剂，根据各级压缩机运行压比及工况条件进行选择。

复叠式系统能够有效解决压缩比过大、排气温度过高、系统COP 值低等问题。

即使是在极低的环境温度下，复叠式系统仍有较高的性能系数。

有人设计和研制了单双级复叠式空气源热泵机组试验样机，在不同室外低温环境工况下，对系统进行了低温适应性实验研究。

研究结果表明：在室外环境温度低于0℃时，采用双级复叠式热泵制热模式，其运行的制热能效比和运行的可靠性均明显高于单级热泵供暖系统，大大提高了空气源热泵的低温适应能力。

有人针对空气源热泵供暖系统在低温环境下机组难以启动、室内供暖效果差且能量损失大等问题，将相变蓄能装置引入到热泵系统中，提出了空气源复叠式热泵系统。

通过分析低温环境下系统的工作特性，得出空气源复叠式热泵系统适合我国目前同时需要供热和供冷的建筑小区，无论初投资、运行费用还是节能环保都优于目前所应用的传统热泵系统，同时有利于提高人居生活质量，满足室内的舒适度要求。

空气源复叠式热泵系统具有节能环保、一机多用、自动化程度高的特点。

3.3 双级压缩系统双级压缩热泵系统通过中间压力补气方式来提高系统低温下的性能。

系统低压级压缩机先把来自蒸发器的低温低压制冷剂蒸气压缩到一定中间压力，此时中间压力制冷剂与一级节流制冷剂混合进入系统高压级压缩机，最终被压缩至冷凝压力。

双级压缩热泵系统有效地解决了压缩比过大、排气温度过高、系统COP 值低等问题。

将双级压缩和变频技术有机结合，提出一种适用于寒冷地区双级压缩变频空气源热泵系统。

通过对系统性能进行理论分析和试验研究，表明在冷凝温度50℃和蒸发温度-25℃工况下，系统制热性能系数高于2.0，高压级压缩机排气温度低于120℃，制热量可以满足用户要求；实验验证系统运行稳定可靠，可以在-18℃以上的室外低温环境中不用辅助热源即可满足寒冷地区冬季供暖需要。

将两级节流中间不完全冷却双级压缩循环应用于空气源热泵热水器以适应低温工况，选用R134a作为工质，在蒸发温度-30℃，冷凝温度60℃的低温工况下运行。

试验计算结果表明，该系统排气温度及各压缩机压缩比均优于普通单级循环系统，性能系数较高，系统具备一定的低温适应性。

3.4 辅助加热器系统通过采用辅助加热器来提高机组的蒸发温度，解决由于蒸发温度过低和外压缩比过大而造成的系统制冷剂循环量不足以及欠压缩问题，从而改善机组的运行环境。

总结了日本学者Katsuji Yamagami 提出的利用燃油、燃气燃烧器辅助加热的方法解决低温工况下制热性能差问题的系统。

但是这一系统型式较为复杂，需要增设燃油系统，也存在一定的安全隐患，同时系统冬季运行燃烧器投运时，系统获取的是有代价的热源，且燃料释放的热量不能充分利用，阻碍了该系统的发展前景。

有人通过搭建太阳能辅助空气源热泵试验台，对空气源热泵系统和太阳辅助空气源热泵系统的制冷剂进出口温度、室内温度等参数进行了测试，分析得出太阳能辅助热泵系统与单一空气源热泵系统相比，能够使室内温度提升4℃，COP 提升1.3。

3.5 新型工质的替代由于R22 具有对臭氧层的破坏作用及温室效应，以及现在环境的极度恶劣和能源的高度紧缺，使全世界空调和热泵行业面临严峻的考验，寻找新型环保制冷剂替代传统的制冷剂已经成为暖通学者的研究重点之一。

有人提出用一种新的混合工质R417a 作为热泵系统R22 的替代制冷剂，并对新混合工质R417a 进行了理论制冷循环分析和灌注式替代R22 的循环性能对比试验研究。

实验结果表明混合工质R417a 的制热量稍低于R22，但性能系数COP、压缩机排气温度和功耗等循环性能指标均优于R22，因此可以作为R22 的替代制冷剂。

设计并搭建了一套带喷射器的跨临界CO2热泵热水器系统实验平台，分析了制热系数、制热量等参数的变化趋势。