热泵技术的研究现状和发展前景

热泵技术的研究现状和发展前景

热泵技术是一种新型的高效节能装置，具有广泛的应用前景。本文对比了空气源热泵，水源热泵，地源热泵的特点和适用场合，总结了热泵技术在现阶段的研究现状和在空调采暖，农业等领域的应用现状，并展望了热泵技术的研究方向。

标签：热泵；热水系统；研究现状；发展动向

随着经济社会的发展，我国建筑能耗（生活能耗，空调采暖等）在总能耗中所占比例不断上升。我国的能源结构以利用矿物燃料为主，矿物燃料的燃烧产生的气体如SO2，NOx进入大气中形成酸雨，CO2等造成温室效应，同时建筑能耗占比增加也给电力的供应带来巨大压力。

热泵通过做功使热量从低温热源转移至高温热源，与制冷原理相同，热泵则是以获取高温热源的热量为目的。热泵作为一种新型的高效节能装置，具有较大的节能潜力。本文通过总结各类热泵技术的研究和应用现状，对比分析了各类热泵的特点和适用场合，并对热泵技术未来的研究方向提出展望。

1、常见的热泵系统

1.1 空气源热泵系统

空气源热泵系统以室外空气为低温热源，利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源。空气作为热泵的低位热源，资源丰富、容易获得，且安装和使用都比较方便。空气源热泵的系统如图1所示。对于冬季寒冷且室外空气潮湿的地区，空气源热泵系统的蒸发器表面容易结霜，使换热器传热效果下降，增加了传热热阻，机组效率明显降低。因此，空气源热泵系统要设置除霜装置，适合于冬季室外环境温度较高的地区使用，如我国的长江以南地区。

图1 空气源热泵系统

1.2 水源热泵系统

水源热泵是利用地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低品位热能资源，使低位能热能向高温位能转移的装置。水源热泵的系统如图2所示。夏季时，将建筑物中热量转移到水源中；冬季时，从恒定温度的水源中提取热量，利用热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。水源热泵能有效克服空气源热泵在冬季室外温度较低的情况下易结霜的不足，而且运行效率高，费用低，实现了能源的可再生利用。地表水源容易获得，但受气温影响较大，在冬季运行时COP较低；浅层水源的温度受气候影响较小，因此在冬季运行时可获得较高的COP。

图2 水源热泵系统

1.3 地源热泵系统

地源热泵利用陆地浅层能源中的能量，通过输入少量的高品位能源实现由低品位热能向高品位热能的转移。地源热泵的系统如图3所示。地源热泵埋管有多种形式，主要有垂直埋管和水平埋管。水平埋管的方式占地面积大，且地表温度受气候变化的影响较大。垂直埋管的方式可获取地下深层土壤的热量，土壤深处的温度相对恒定，受地表气候变化的影响很小。因此，同水平埋管相较，垂直埋管具有更好的换热能力，是地源热泵的主要埋管方式，并得到各个国家的大力支持。地源热泵系统适合于冬季室外温度较低的地区使用，如我国北方地区，可以有效地避免空气源热泵的结霜现象。

图3 地源热泵系统

2、研究和应用现状

2.1 空气源热泵

空气源热泵由于受到低温环境的限制，故国内外学者均对改善系统在低温环境下的适应性作出了大量研究。主要集中在以下几个方面：

2.1.1 提高热泵的性能系数和工作效率

无论是热泵还是制冷机，热效率（COP）是衡量热泵（制冷机）经济性的重要指标。目前国内外研究学者主要研究的方向有补气增焓系统和双极压缩系统。

补气增焓系统不仅可以使压缩机排气温度降低，还能增大冷凝器内的制冷剂流量和机组的制热量，提高系统的制热性能系数。李艳等通过建立数学模型和设计算法，对比分析了热泵机组在有补气增焓和无补气增焓两种情况下的计算结果，得出补气增焓机组相对于无补气增焓机组制热量的增加程度随环境温度的升高而减弱的结论，并指出在环境温度为-15摄氏度和-10摄氏度时热泵机组的制热性能系数增加较为明显。藕俊彦等在对带闪发器的涡旋式压缩机喷气增焓热泵系统的热力学分析的基础上，对R417A和R22两种工质在标准工况、低温工况下的制热量、COP和吸排气压力等参数进行了测定，指出在环境温度较低时，R417A性能更佳，即R417A的低温适应性更好。

双极压缩循环系统使用两台压缩机，对工质进行两次压缩，可以有效地克服压缩机排气温度过高，压比过大的问题。王伟等进行了针对R134a的双极压缩理论循环计算，拟定蒸发温度为243K，冷凝温度为333K，计算得出结论为：以R134a为工质，采用两级节流中间不完全冷却双级压缩的方式时，压缩机的排气温度和压比均低于使用单级压缩的循环系统，并且有更高的COP，但该结论仅是理论计算得出的结果，未进行相关的实验验证。盛健等将理论和实验相结合，分析了高低压级流量比对双极压缩热泵的影响。但作者同时提出该实验过程中依靠手动调节阀来调节中间压力，很难达到预定的中间压力值。

2.1.2 空气源热泵的除霜

在室外环境较低且空气湿度较大的情况下，空气源热泵的蒸发器易结霜，使换热效果急剧下降。因此提高蒸发器除霜技术以及延缓结霜技术是提高空气源热泵性能系数的主要要途径。郭宪民等以R410A为工质，建立了结霜工况下R410A 热泵机组的非稳态数学模型，并进行了数值模拟。计算结果表明：霜刚开始形成时，对系统性能并没有产生负面影响，反而增大了空气对流换热系数。霜的沉积在结霜周期的80%的时间内对系统的影响不是很大。唐瑾晨等搭建了空气源热泵防融霜新系统试验台，并建立了防融霜热泵系统的主要部件的热力学与传热仿真模型，对空气源热泵防融系统热力学与传热特性进行实验与仿真研究，计算得到各参数随蒸发干度的变化情况，同时证明前置式防融霜辅热提高制冷剂温度后使系统性能系数得到了较大的提升。董建锴等通过构建空气源热泵延缓结霜及除霜試验台，对比分析了A、B、C三台热泵机组在人工模拟的环境小室中的工作性能，同时在热泵系统中引入相变蓄能装置，该装置可以在空气源热泵供热时间内有效地完成相变材料的蓄热，在除霜时，相变蓄热器储蓄的热量又可以有效地放出。2.2 水源热泵

目前国内外学者对水源热泵的研究主要是针对地下水水源热泵、地热水水源热泵以及其他类型的水源热泵。王芳等通过对比分析宁波市某一实际工程中分别采用地下水水源热泵和溴化锂吸收式制冷系统的经济性，得出结论：同采用溴化锂吸收式制冷系统相较，地下水水源热泵系统单位面积初投资、制冷总运行费用以及供暖总运行费用都有不同程度的减少。在地热水水源热泵的研究方面，尹航等对地热水水源热泵应用于校园建筑中的工况进行了分析，根据实际校园建筑的冷、热负荷特点，拟用冷热源，并考虑了冷热负荷修正的影响因素，对经济性和环保性进行分析，表明水源热泵系统具有运行稳定，自动化程度高，制热性能好等优势，但同时提出夏季需要用43.5摄氏度的水进行回灌，造成了能源浪费的缺陷。其他类型的水源热泵如太阳能开式环路水源热泵空调系统等，目前对此已有初步的研究，但缺乏具体的实验验证。

2.3 地源热泵

現阶段国内外学者针对地源热泵系统的研究主要集中在地源热泵空调系统新型工质的替代和地源热泵与其他能源的联合应用方面。

2.3.1 地源热泵空调系统新型工质的替代

热泵系统的工质是否环保，具有较低的ODP和GWP，是热泵制冷空调行业一直最为关注的问题。R744被认为是地源热泵空调系统最具潜力的替代工质之一。范晓伟等总结分析了近年来国内外对此进行的研究和取得的重要成果，并介绍了R744热泵样机各重要部件的研究现状。黄华军等运用AHP的分析方法，得出结论为：目前实际地源热泵系统中，最为理想的替代工质是HFCs，R134a、R410A以及R407C可以作为近期的替代工质。