南京工程学院能源与动力工程学院 江苏省南京市 211167
摘要：近年来，凭借高效节能的优势和国家节能惠民政策的支持，空气源热泵行业进入发展快车道。但在寒冷地区，空气源热泵的推广由于受到天气等因素的影响却受到了很大的限制。基于此，国内学者提出了不同的解决方案。本文介绍了我国低温空气源热泵的技术发展现状和研究成果，对已有成果加以梳理与归纳，希望通过展开系统化研究，对更好地促进低温空气源热泵技术的发展具有积极的意义。
关键词：空气源热泵；低温工况；发展趋势
0 引言
为了降低建筑能耗和减少环境污染，北方地区开启了大规模的“煤改电”工程（冬季使用清洁能源供热方式替代传统锅炉供热），改革覆盖面广泛，工程项目内容巨大，改革成功与否与百姓生活息息相关。随着“煤改电”项目的开展以及政府节能减排政策的推进，清洁能源备受社会各界瞩目[1-3]。
而空气源热泵，作为一种能够从冷源空气中吸收热量，向热源空气释放热量的循环系统，具有使用灵活、高效节能和清洁环保等特点，这些显著优势受到关注。因而，在北方“煤改电”如火如荼之时，空气源热泵得以挺进北方市场[4]。毋庸置疑，空气源热泵除了高效、节能的显著优势，更适宜北方的气候、地理等特征，因此，进入到北方市场好，推广速度较快，得到较好反响。
但实际上，空气源热泵在迎来市场大机遇的同时，其可行性也一度饱受质疑，有些技术、经济方面的问题还没有得到有效解决，严重制约了空气源热泵的推广。本研究关注到阻碍空气源热泵推广的诸多问题，并且加以总结，其中，产品的耐寒性成了空气源热泵向北方市场发展的一大难题，基于目前技术来看，有效解决耐寒性问题的针对性对策还不够完善。传统的空气源热泵在低温环境下主要存在着以下几点问题[5-8]：系统实际循环输气量减少，容积效率降低；实际制热量降低，供热需求无法满足；换热翅片结霜，换热效率降低等。这些问题严重阻碍了空气源热泵的推广，必须推出有效措施加以解决。
上述问题严重影响和制约了空气源热泵在寒冷地区的应用与发展。因此，就如何改善空气源热泵系统的低温适应性、提高其低温制热量，学者专家们从多角度进行研究，提出了不同的解决方案，他们基于不同视角出发进一步完善和发展了低温空气源热泵，使得空气源在北方市场的推广与应用不再只是“愿景”，本研究对已有理论及已经取得的成功经验进行梳理，做出如下总结。
1 低温空气源热泵技术
低温空气源热泵作为空气源热泵的一种，随着研究的不断向着纵深方向发展，该项技术日益得到完善，凭借其独特的技术改进和技术发明，实现了低温供暖的目标，成功开拓了空气源热泵适用的地域范围，适用范围更加广泛。以下将介绍几种主要的低温空气源热泵技术，具体情况如下。
1.1 喷气增焓准二级热泵系统
以喷气增焓压缩机为基础，采用中间补气增焓技术，将部分中间压力的气体与冷媒混合压缩，以混合压缩为基础，实现在一台压缩机内完成准二级压缩，增加冷凝器中的制冷剂流量，提升循环系统的焓差，从而提高系统效率COP。
图1 带经济器的补气增焓热泵系统原理图
潘宁圭等学者[9]将闪蒸器运用于R22空气源热泵机组进行研究，并且与传统热泵系统进行比对分析，结果现实：较传统R22热泵系统在低温制冷工况下排气温度降低了35.6℃，在GB/T25127.1—2010名义制热工况 (-12℃环境温度、41℃出水温度) 下, R32喷气增焓系统比集中供暖方式节省标准煤30.4%；在实验室模拟的低温工况（-25℃，相对湿度86%）下，10hp喷气增焓涡旋空气源热泵机组的制热性能系数达到1.38，东北地区具有气温寒冷的气候特征，改进后的技术充分考虑到低温这一气候特征，可以满足东北地区的冬季供暖需求；苏梅等学者[10]将直流变速技术与补气增焓技术有机结合，在环境温度为-20℃运行时制热量稳定，机组热冷负荷比由0.6提高到1.2，将效率提高了10%~17%，有效提高低温适应性，技术适用范围更加广泛；马龙等人[11]将喷气增焓技术与水源热泵技术相耦合，在低温工况下，系统各项指标远低于阈值，能够稳定运行，系统在特定温度下，系统能耗大于2.0。此外，俞丽等人得研究表明，在低温空气源热泵技术的基础上，选择单级低温热泵系统，该系统可在室外温度为零下30℃时，冷凝温度为60℃，的状态下，单级低温的热泵系统，仍旧对可以保持稳定的运行状态，较比的其他低温热泵系统，该系统的COP相对较低。但由于其主要是适应低温状态，随着温度升高，系统的制热效果也减少，且运行效率也不断减少。单级低温热泵系统可与变频技术有效结合，选择并联压缩机、蓄热系统。尽管会增加部分成本，但也带来极低的安装成本，使得系统具备较高应用价值。
1.2 双级空气源热泵系统
双级空气源热泵系统，是在单级循环的基础上，将制冷剂进行二次压缩。来自蒸发器的制冷剂进入低压气缸压缩至中间压力，再经过中间冷却后，在高压气缸中压缩至冷凝压力进入冷凝器完成循环。
图2 带中间冷却器的双级热泵系统原理图
双级空气源热泵系统由于采取了两级压缩，降低了各级压缩比，系统性能得到了有效的提升。武文斌等人[12]测，双级系统在低温环境下，能保持较低的压缩比，制热量较同等工况下的单级系统明显较高，COP在-20℃的环境下依然能够保持在1.5左右；龙剑[13]运用了经济器的双级系统在-7℃和-15℃环境温度下，在排气压力表压定为1500kpa时，制热量分别提高了20%和29%，COP也分别提升了12%和22%，且排气的表压力增大之后，性能得到了更大的改善；王伟等人[14]研究的两级节流中间不完全冷却双级压缩循环，在相同低温工况(蒸发温度-30℃，冷凝温度60℃)下，排气温度低于普通单级热泵系统，在最佳中间温度上，其高低压两级的压缩比小于6，并且系统制热系数有了较为明显的提高，其值接近3。超低温空气源热泵工作原理如图3所示：
图3 超低温空气源热泵工作原理
在实际运用中，双级空气源热泵系统也表现出了显著成绩，研究成果如下：张鹏娥等人[15]充分关注到北方天气特点，并且将研究与实验的地域选择为北方农村地区，充分考虑到地域性影响因素，在北方农村选取热泵采暖示范点，确保数据监测的准确性，进行数据检测采集与分析，证实了双级压缩增焓空气源热泵机组对于北方寒冷地区使用的可行性，这一实验取得成功，为后续研究奠定了夯实的基础。使用过程中，系统可以快速制热，迅速升温且更加经济节能，无论是在升温还是节能方面都有了明显的改进；黄娟，李绍斌[16]结合双级压缩增焓与变频技术，提出了变频双级增焓空气源热泵热水器系统，并且展开实践研究。该系统的制热效率和制热量得到了提高，可靠性大幅度增强，COP达到了5.0以上，且在-25℃的环境温度下，能够制取55℃的热水，效果显著。
带经济器的二级压缩热泵系统。 该系统是将经济器加入到系统中，高压级压缩机的吸气处会发生两相制冷剂与低压级压缩机排出高温气态制冷剂相结合的情况。这类方式，在处理压缩机排气温度过高的情况下，可借助经济器的换热功能，使得冷凝器出来的制冷剂得到充分降温，进而达到增强系统COP的效果。具体的带经济器二级压缩热泵系统应用中，需注意控制进入到高压级压缩机制冷剂的具体状态。尽管其效果显著，但是也存在安装费用相对较高的情况，制约其普及水平。如下图4所示为带冷凝器的二级压缩热泵系统。
图4：带经济器二级压缩热泵系统
带经济器的准二级压缩热泵系统，属于早期的低压空气源热泵系统，其在螺杆机组中得到了良好的应用，在具体的运用中，如果温度为零下30℃，其可代替双级压缩系统。但是其在研究中，受限于蒸发温度上升不明显的影响，使其研究局限于低温制热。
1.3 复叠式热泵系统
为了进一步提高系统的制热性能，专家学者设计了复叠式热泵系统。这一系统基于已有技术的基础上做出改进，是一次大胆的尝试。随着其不断发展，可以做出如下分类：复叠式热泵系统可以分为低温级循环和高温级循环，用蒸发冷凝器联系起来。蒸发冷凝器既作为低温级循环的冷凝器，又作为高温级循环的蒸发器。因而在不计热损失的情况下，上一种制冷剂在冷凝过程中的焓降等于下一种制冷剂在蒸发过程中的焓升，有助于下一种制冷剂达到更高的蒸发温度。
图5 复叠式热泵系统原理图
由于单级复叠热泵系统基本可以达到生活要求的制热性能，目前，复叠式热泵系统主要聚焦在实验的测试、最佳实验参数的选取，以探究更可靠的工作区域、挖掘更优的性能系数，相关专家与学者在这一方面展开实践与研究，推动研究的进步。陈剑波等人[17]就空气源热泵热水机组压缩比过高的问题，将着眼点重点落在研究复叠式空气源热泵处于不同环境温度下制取高温热水时的运行特性。测试结果充分表明，复叠式空气源热泵系统不会出现压缩比过高的问题，同时系统在超低温下仍可以有效运行。简而言之，在超低温度环境下，系统能够有效运行，没有出现压缩比过高的情况。周亮亮等[18]人设计了复叠式空气源热泵热水系统样机，以R410A和R134a作为低、高温级制冷剂，并使用等压缩比法对中间冷凝压力控制，通过实验测得，样机在额定工况下制取80℃的热水，系统COP达到了1.82；在极端工况下，制取85℃的热水，系统COP也达到了1.37，但已不具备节能的优势了。吴治将等人[19]设计了复叠式高温热泵的实验测试平台，通过调节低温热源进水的温度和流量，发现随着低温侧热源进水的温度升高和流量的增加，系统制热量和COP均呈上升趋势。
而在热泵系统方面，余延顺等人[20]则从现有基础出发，进一步设计构建了一种单-双级混合复叠空气源热泵机组试验样机，并通过实验确定室外温度为0℃时，为单双级切换的控制条件，即室外温度大于0℃时，采用单级模式运行系统COP较高，反之，室外温度小于0℃时，应切换为双级制热模式。
1.4 太阳能-空气源热泵系统
太阳能-空气源热泵作为一种新型的热泵系统，近几年来受到普遍欢迎，这种新型热泵系统运行机制即把热泵技术和太阳能热利用技术结合起来，具有显著的优势:太阳能作为一种绿色的可再生能源，供应强大，节能效应显著；太阳能集热器成为热泵的蒸发器，解决了翅片结霜的问题，这是技术方面的一大提升；太阳能作为辅助热源，有助于解决供热不足的问题等。基于上述几个显著优点，太阳能太阳能-空气源热泵得到广泛应用。
图5 非嵌套式太阳能-空气源热泵系统原理图
然而，太阳能系统本身受制于天气影响和高昂的初投资，在有些特定天气下，无法有效完成系统运行，人们在较高经济投入的前提下，往往会举步不前。因而在当下，太阳能和空气能如何有机结合，取长补短，成为太阳能-空气源热泵系统主要的研究方向，如何有效解决这一问题，成为专家与科研人员研究的方向，合理而有效的解决这一问题，能够在很大程度上推广太阳能系统的运用。
从气候因素角度来看，基于太阳能受天气影响较大的问题主要如下：魏林滨等人[21]设计了一种新型阳台壁挂式太阳能-空气源复合热泵系统。该系统且实现了该系统结构简单,安装方便,且易实现建筑与设备一体化。通过实验测试，在-10℃至40℃的全年中，系统热水供应稳定，且有效利用太阳能，起到了节能的作用，太阳能系统热水控制较为便捷，充分利用太阳能的作用，节能与便捷的优势凸显。冉思源等人[22]则提出了一种新型间联式太阳能-空气源热泵。该系统在日照充足时，直接利用太阳能制热；在夜间等无太阳能时，采用风冷换热器制热，并通过载冷剂将热量提供给热泵蒸发器，提高蒸发温度；在太阳辐射较弱时，利用太阳能集热器和风冷换热器联合制热，提高蒸发温度。从这一系统的运行机制来看，无论是白天还是黑夜，都能够提供必要的能源，保障完成制热。其以北京为例进行模拟测试，测试结果表明，该系统用于冬季采暖时，与太阳能集热器+电加热系统比较，系统的一次能源效率为1.13；与太阳能集热器+电加热系统比较，系统的节能率达到58%，很显然，该系统同样在保障能源供给的前提下，保留了节能的效果。温度变化如图6所示：
图6 温度变化图
从经济因素角度来看，基于太阳能设备初投资较高的问题，相关专家与研究人员也展开大量研究，研究结果如下：刘鹏[23]基于空气源热泵的特点，设计了一种真空管太阳能空气集热器复合空气源热泵的采暖系统，该系统充分考虑到节约的目的，展开实验，并且通过实际测量，结合经济环保性分析表明:与单一的空气源热泵系统比较，这种太阳能-空气源热泵采暖系统的净回收期为四年，且具有良好的节能性，在很大程度上解决了初期投入高的问题，经济方面具有显著优势。韩宗伟等研究人员[24]同样关注到初投资较高的问题，并且结合实践情况，展开深入调查与实验，基于实践的接触上，提出了一种太阳能复合低温空气源热泵的供暖系统，并以乌鲁木齐市某住宅建筑为研究对象，展开模拟测试，测试结果显示该系统在寒冷环境下应用的可行性与可操作性，具有比较明显的效果。由测试结果得，该系统有较好的节能性，且能有效地降低运行费用，系统的投资回收期约为5.9 a，在很大程度上解决了设备初投资较高的问题，并且效果显著。
科研研究人员关注到气候因素与经济因素方面的制约性，并且展开实验与研究，通过对已有成果的梳理与总结，可以清晰的看出，这些研究实验运用前沿的科技手段，取得一定的成效，为太阳能设备的大面积推广奠定了夯实的基础。
1.5空气源热泵除霜技术
低温空气源热泵在具体的运用中，会受到霜的影响，造成一些问题的产生，而且，除霜过程本身也会的带来一些影响，包括因融霜降低热泵的COP、除霜过程中，热泵的供热中断，影响室内的整体舒适度、甚至由于增加辅助加热元件，还会造成系统的成本增加，甚至会造成设备可靠受到影响。尽管除霜过程存在问题影响明显。但，随着低温空气源热泵系统研究的不断深入，除霜技术也得到长足的改善，使得除霜技术性能得到提升，满足空气热源泵除霜的需求。
1.6 其他系统
1.6.1 CO2空气源热泵系统
CO2作为一种天然的制冷剂，在热泵系统中一直占有举足轻重的地位，其ODP=0，GWP=1，且其跨临界循环的放热过程可以和变温热泵相匹配，更接近于劳伦兹循环，有较高的利用价值与实用价值，在低温空气源热泵领域具有巨大潜力，如何挖掘这一巨大潜力是研究关注的侧重点。王文君等人[25]设计的制热量为4.5KW的CO2空气源热泵热水器，并且在将低温因素纳入到实验中，实验研究结果表明：在过冷工况下，仍能实现65℃的出水温度，在低温环境下运行稳定，系统保持在稳定状态下；袁磊，余南阳[26]对CO2热泵采暖系统的现场测试时，在室外温度为-20℃时，系统的COP可以达到2.25，证实了CO2空气源热泵系统在低温环境下的工作可行性与可操作性；寇宏侨等人采用三通调节阀调节混水比例，适当提高气体冷却器的进水温度，也实现了在-20℃环境下，获得60℃的热源，热源供给情况良好。
1.6.2 地道风的空气源热泵系统
利用地道温度常年恒定的特点，高亚南等研究人员[27]关注到地道风的重要作用，并且以此为基础，提出了地道风的空气源热泵——一种选用地道风作为低温热源的空气源热泵，系统在运行过程中，充分利用低温热源的作用，保障空气源热泵处于正常状态下运行。该系统在冬季时，考虑到温度因素，室外空气流经地道被加热，温度升高，湿度降低，故而COP值增大，结霜问题也得以避免。在此基础上，其通过模拟分析得出，在济南地区，充分考虑到室外温度的具体情况，室外温度为-8℃时，系统COP仍为3.0，且机组运行稳定，系统在正常状态下运行。
1.6.3相变储热式热源泵系统
蓄热技术是提升能源利用效率，减少环境污染的重要技术类型，甚至能够改善热能供给与需求的矛盾。目前，国内对相变材料的研究逐渐深入，可实现相变材料与热源泵系统相地结合，构建蓄热型热源泵。主因相变材料的具有较好的储能效果，如下图7所示为反应水与相变材料热焓变化量、温度之间的关系图，具体温度范围的20~55℃。
图7：相变材料性能图
由此可见，相变材料具有良好储能效果，远远高于对比材料。综合研究表明，相变储热式热源系统，具有较高的发展前景，可保持局部空间温度恒温状态，环保节能效果显著。
2结语
空气源热泵作为一种绿色环保，性能优良的装置，备受社会各界瞩目，运用前沿的科学技术，不断完善当前系统的不足，展开实践与研究，不仅能够填补理论方面的空白，更具有深远的现实意义与价值。但是在低温条件下，系统的可靠性与制热性能受到了明显的影响，制约了空气源热泵的推广，所以，将温度因素纳入到考虑范围势在必行，只有充分解决这一问题，才能够使空气源热泵发挥应有的功效。本文通过从喷气增焓准二级、双级、复叠式、太阳能和其他系统等多方面分析总结，对相关实验过程及取得的经验进行梳理与归纳，阐明各种系统的优势与特点，并指出其在低温环境下运行的可行性。随着经济的不断发展，人们整体素养的提升，越来越多人加入到节能减排的队伍中，因此节能是研究低温空气热泵必须要考虑的一项重要内容，相信随着人们节能的意识不断增强和专家学者们对低温空气源热泵系统的继续研究，低温空气源热泵的应用前景将愈发广阔。
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作者简介;李志浩（1997-7），男，江苏省无锡市人，民族：汉 学历：本科在读。研究方向：建筑环境与能源应用工程。
作者简介：
邵雪平（1996-1），男，浙江省杭州市人，民族：汉 学历：本科在读。研究方向：制冷与空调工程。
刘薇（1997-3），女，江苏省扬州市人，民族：汉 学历：本科在读。研究方向：制冷与空调工程。
南京工程学院大学生科技创新基金项目（项目编号：TB20170303）
论文作者:李志浩,邵雪平,刘薇
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/2/26
标签：系统论文; 空气论文; 源热泵论文; 低温论文; 热泵论文; 太阳能论文; 温度论文; 《基层建设》2017年第33期论文;