适用于我国农村地区的低温空气源热泵采暖技术

庞卫科，吕连宏，罗宏

中国环境科学研究院，北京 100012



适用于我国农村地区的低温空气源热泵采暖技术

庞卫科，吕连宏，罗宏*

中国环境科学研究院，北京 100012

基于我国农村特点提出采用清洁能源利用技术——低温空气源热泵采暖方式替代农村传统的散煤燃烧取暖方式。低温空气源热泵采用较为成熟可靠的补气增焓技术。研究表明：在蒸发温度为-30 ℃、冷凝温度为45 ℃、补气比为0.6的模拟工况下运行，低温空气源热泵理论制热性能系数(COP)大于2.25，系统能效比(EER)高于1.90。在实际应用过程中，低温空气源热泵机组可解决不同场合下需依靠不同介质(热风或热水)采暖的问题，预计全面推广后，我国农村地区每年可减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘排放分别约3.86亿、0.115亿、0.057亿和1.05亿t，其可作为淘汰农村传统采暖方式的优先选择。

采暖；热泵；补气增焓；制热性能系数

我国农村地区冬季采暖方式主要是通过散煤燃烧后获取热量，这种传统方式虽然简单方便、成本较低，但随着生态环境的恶化，尤其是近年来我国秋冬季重污染天气逐渐增多，其暴露出的问题也越来越多。北方农村特别是京津冀区域散煤燃烧排放的污染物已成为首都大气治理的重要对象之一[1]，实现首都的蓝天计划亟需解决周边农村的散煤燃烧问题。鉴于此，国家特制定了《农村散煤燃烧污染综合治理技术指南(试行)》等相关政策，其中热泵技术是力推的一项替代散煤燃烧的方式，包括空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵等，并重点提到了低温空气源(热风热水)热泵技术。水源和土壤源热泵虽然在节约能源和保护环境方面同样具有优势，理论上某些地方甚至优于低温空气源热泵[2-3]，但结合农村地区采暖特点并考虑其建设条件、成本等，大规模应用尚受到一些制约。

空气源热泵以大气为取热对象，无需锅炉及相应的燃料供应系统、除尘系统和烟气排放系统，安全可靠、无环境污染，基本上实现了本地零排放；且空气源热泵便于在供暖过渡季运行，与一些使用城市集中供暖热源的单位和小区相比，能够提前和延长供暖，特别适用于医院、老年中心、幼儿园等特殊用户[4]。低温空气源热泵技术大大拓宽了空气源热泵的应用地域和范围，使其从原来的长江流域以南逐步北扩至黄河流域的华北地区，甚至东北地区[5]。目前，低温空气源热泵可采用的技术措施主要有变频压缩[6]、复叠或两级压缩[7-8]、二元或三元混合工质[9-10]、低温工况下补气增焓[11-14]等。近年来，研究人员开展了针对空气源热泵在低温环境下采用低温工质制热的研究：如郭丽婷等[15]开展的R404A应用在空气源热泵系统上的低温适应性研究；牛宝联等[16]开展的CO2R170混合物作为复叠制冷系统低温环路循环工质的性能研究；李新禹等[17]开展的复叠制冷系统中低温环路工质R744R290的试验研究等。研究表明，低温工质均可较好地适宜空气源热泵的运行工况，但在其他工质下运行效果不甚理想。当前有关低温工质的研究仍在进一步的开展中，而补气增焓技术因其发展较成熟、可靠性相对较高，有望成为最先大规模市场化应用的替代方案。

基于散热器、低温辐射地板、风机盘管等末端型式，同时结合各地区的实际情况分别研究分析了补气增焓低温空气源热泵的系统特性。于涛等[18]实测了安装在北京怀柔的1套散热器耦合低温空气源热泵热水机组的采暖系统，运行期间室外气温最低达-13 ℃，而供水温度仍高于35 ℃，且系统运行平稳；肖婧等[19]现场实测了低温辐射地板采用喷液增焓技术低温空气源热泵的实际运行性能，并重点考察了机组在北京地区室外气温-16.5～-6 ℃时的供热情况，取得较满意的采暖效果；陈政文等[20]基于焓差试验平台的模拟环境实测了低温空气源热泵采用喷气增焓措施后的工作性能指标，在不使用载热介质的情况下其理论制热性能系数(COP)达到2.03(室外气温-15 ℃)；马荣江等[21]现场测试分析热风直热式低温空气源热泵在北京地区农宅的实际运行状况表明，补气增焓空气源热泵非常适合替代农村现有的高污染散煤采暖方式，若结合政府扶持，未来将可以实现“用户愿意买、买得起，愿意用、用得起”的良性循环；韩宗伟等[22]对低温空气源热泵复合太阳能空调热泵系统在乌鲁木齐地区的可行性研究表明，在替代原有的热网供暖和分体空调器制冷方案后，节能率达12.7%，投资回收期约为5.9 a；孔维利等[23]深入研究了补气增焓空气源热泵采用环保工质R32的性能特性，结果显示，该泵在未来低温空气源热泵市场上将占有重要的一席之地。

1 空气源热泵补气增焓技术

1.1 流程原理

采用补气增焓技术的低温空气源热泵工作机理：通过改进其工质热力循环过程中的压缩阶段，一方面增加了工质的质量流量，提升供热端的工质热焓；另一方面补气措施对压缩过程中间阶段的制冷剂具有冷却作用，降低其最终压缩结束后的排出温度。具体工作原理见图1。由图1可知，热泵压缩机将温度、压力处于状态4的工质排出，送到冷凝器中进行热交换；加热室内空气或热载介质(如水)后，温度降低，压力保持不变，成为过冷状态5的液体；然后经过节流降压不可逆热力过程，温度降低、压力减小，工质变为气液两相的状态6，进入室外空气侧换热器内；由于工质自身温度低于室外环境温度，在温差作用下将从空气中不断吸收热量，最后变为状态1的气态。工质首先以状态1被压缩机压缩至状态2后，将与补充的其他工质以边混合边压缩的过程进行到状态3，最终两股完全混合后的工质再继续压缩，直到状态4。

注：1—2为一般压缩过程；2—3为补气压缩过程；3—4为混合压缩过程；4—5为冷凝过程；5—6为节流过程；6—1为蒸发过程。图1 补气增焓技术流程及其热力变化过程Fig.1 Process of adding refrigerant for enthalpy increment and its trend of thermal state

1.2 补气增焓理论计算

为考察低温空气源热泵的热力性能和经济性，需对其补气增焓压缩循环过程进行理论计算和分析。假设工质从状态1的焓(h1)变化到状态2的焓(h2)为等熵压缩过程，该阶段的压缩功(w1～2)可由状态变化前后的焓差表示为：

w1～2=h2-h1

从h2至状态3的焓(h3)视为2个部分工质的简单混合过程，不消耗压缩功。

同样，工质从h3变化到状态4的焓(h4)的压缩功(w3～4)可表示为：

w3～4=h4-h3

工质h3用2个部分混合工质的焓表示：

h3=(1-α)h2+αhb

式中：α为补气量占工质循环量的比例，0<α<1；hb为补入工质混合前的热焓。

整个补气压缩过程中消耗的功量(w)为：

w=h4+αh2-h1-αhb

用户端的供热量为工质从h4变化到状态5的焓(h5)的焓差(qk)为：

qk=h4-h5

热泵从外界空气中提取的热量为工质从状态6的焓(h6)至h1的焓差(qc)为：

qc=h1-h6

考虑实际压缩过程中偏离等熵过程和不可逆损失因素(ηi)，以及机械效率(ηm)的影响等，热泵的制热性能系数(COPh)为：

COPh=ηiηmqkw

考虑驱动热泵机组压缩机运行的电动机工作效率(ηmo)，其系统能效比(EER)为：

EER=ηmoCOPh

R22是一种卤代烃(二氟一氯甲烷)，是目前我国热泵行业常用的工质，其大规模应用与其良好的热工特性密切相关。工质的理化性质是影响系统低温工况下制热性能的重要因素，结合该行业已广泛应用R22的现状特点，在后续研究开发新产品、改进系统设备的过程中仍多基于R22开展[13-14,24]，这样既缩短了企业的研发周期，也保障了新产品较高的可靠性和稳定性，便于市场推广应用。因此根据上述理论分析，以工质R22为例进行模拟计算和分析。

模拟系统运行的工况设定蒸发温度为-30 ℃，冷凝温度为45 ℃，对采用补气增焓压缩的低温空气源热泵循环过程进行热力计算，结果如图2所示。

图2 热力参数随补气比的变化趋势Fig.2 Trend of thermal parameters at refrigerant injection ratio

从图2可以看出，随着补气回路的工质流量增多，系统的总循环制热减少，压缩机消耗的功上升，同时机组的COPh和EER均有所减小。系统工质全部位于主路，即补气量为0时，系统的制热量必为最大；当补气辅路上的工质流量逐渐增多时，系统主路中的工质流量越来越少，造成主路工质从外界环境取热不足，导致总制热量降低，因此不可盲目地过多增加补气量；而系统输入的压缩功由于中间补气后工质总流量的增加，其功耗也必将上升；最终，系统的COPh和EER均出现下降，且在最差模拟工况下(补气比为0.6)，其COPh也大于2.25，EER高于1.90。

2 低温空气源热泵可行性实施方案

根据低温空气源热泵采用的补气增焓技术路线，结合不同的用户需求和运行条件，可实施热风型和热水型2种方案。

2.1 热风型低温空气源热泵采暖方案

热风型低温空气源热泵结构紧凑，体积适中，安装方便，占用空间小，制热能力适用于单个卧室或起居室等独立房间采暖。目前，热风型低温空气源热泵主要包括过冷器式、闪发器式、喷射器式3种技术路线和产品。

带过冷器的热风型低温空气源热泵的技术实施方案中，补气回路上增设了1套间壁式换热器。从冷凝器出来的工质中一小部分先行节流降温，并冷却其余的大部分工质，其一方面使主路中的大部分液体实现了过冷，即从热力状态4变化到状态5，增加从外界环境中的取热量；另一方面为补气回路中的工质提供了合适的热力状态6。匹配的中间补气压力、温度和焓大大改善了工质的内部压缩过程(图3)。

注：1—2为一般压缩过程；2(6)—2′—3为补气混合压缩过程；3—4为冷凝过程；4—5为过冷过程；5—5′(4—4′)为节流过程；4′—6(5′—1)为蒸发过程。图3 带过冷器的低温空气源热泵系统流程及其热力变化过程Fig.3 Process of ASHP with a sub-cooler and its trend of thermal state

带闪发器的热风型低温空气源热泵系统中，补气回路上设计1个类似储液装置的闪发器。与过冷器相比，闪发器内气液直接接触，传热和传质更高效，减少了液体流动过程等部分的不可逆损失。闪发器的结构相对简单，制造成本低。但其一级节流装置需处理全部循环工质，加大了膨胀阀的工作容量；且其节流特性既要考虑中间补气压力，还需与二级节流装置耦合工作，以匹配下游的蒸发温度需要，增加了系统控制的复杂性(图4)。

注：1—2为一般压缩过程；2(6)—2′—3为补气混合压缩过程；3—4为冷凝过程；4′—5为闪发过程；5—5′(4—4′)为节流过程；4′—6(5′—1)为蒸发过程。图4 带闪发器的低温空气源热泵系统流程及其热力变化过程Fig.4 Process of ASHP with a flash evaporator and its trend of thermal state

带喷射器的热风型低温空气源热泵系统是在带闪发器式热泵的基础上发展而来的，其最大的改进在于通过增设喷射器回收利用了补气回路中的能量损失，降低了中间节流过程产生的不可逆损失。与其他2种实施方案相比，减少了1个膨胀阀，而替代的喷射器无运动部件，系统运行可靠性进一步提高(图5)。另外，贮液器与闪发器相比较，结构零部件又有所减少，降低了方案的产品设备费用。

注：1—2为一般压缩过程；2(6)—2′—3为补气混合压缩过程；3—4′—4为冷却冷凝过程；4—5为节流过程；5—6′—1为蒸发喷射混合过程。图5 带喷射器的低温空气源热泵系统流程及其热力变化过程Fig.5 Process of ASHP with an injector and its trend of thermal state

热风型低温空气源热泵较好地解决了小型供热采暖场合的需求，同时采用模块化组合可以满足部分建筑面积稍大的供暖用户，该实施方案特别适用于诸如别墅等单体采暖面积较大、且远离集中供暖中心的建筑项目。

2.2 热水型低温空气源热泵采暖方案

随着供热面积的规模扩大，热水型低温空气源热泵显出优势，热水型低温空气源热泵可面向多个用户或用户的多个空调末端提供采暖热水，实现类似多联机一拖多的工作模式。与热风型热泵采用涡旋压缩机不同，其一般采用输气量较大的螺杆压缩机，由于螺杆压缩机可兼容湿压缩，因此增焓措施实行过程中可补入热焓值较低的液态工质或气液两态工质，进而增加压缩阶段的工质流量，并提高机组低温运行工况下的压缩功和制热量[25]。但螺杆压缩机在机组夏季制冷时需喷入一定量的低温工质，故需设计2个不同的膨胀阀分别用于制冷、制热；而热风型热泵在夏季制冷时通常无需启用中间压缩过程的补气增焓措施，因此，热风型低温空气源热泵在夏季制冷时只需关闭补气回路，按照常规普通热泵简单切换机组的运行模式即可(图6)。

注：1—2为一般压缩过程；2(6)—2′—3为补气混合压缩过程；3—4为冷凝过程；4—5为过冷过程；5—5′(4—4′)为节流过程；5′—1(4′—6)为蒸发过程。图6 热水型低温空气源热泵系统流程及其热力变化过程Fig.6 Process of ASHP with warm water supply for cold climate and its trend of thermal state

2.3 热泵采暖节能环保性

在分析热泵节能的基础上，根据我国城镇化人口率、人口总数、人均能源消耗量、热泵的节能率等，可对其环保效益(如大气污染物减排量)进行计算，即：

Z=NφIaX

式中：Z为污染物减排量，t；N为我国人口总数，人；φ为我国城镇化率人口比例；I为人均能源消耗，kg人(以标煤计)；a为热泵的节煤率；X为单位能耗所产生的污染物，t。

据统计资料显示，2012年我国农村地区人均生活用能约为246 kg(以标准煤计)[27]，其中约90%用于冬季采暖[28]；我国城镇化人口水平已达50%，所以我国农村每年的能源消耗量约为1.722亿t(以标准煤计)。按每节约1 t(以标准煤计)能源减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘排放为2.49、0.074、0.037和0.68 t计算，则农村地区采用热泵采暖方式后，每年可减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘排放约3.86亿、0.115亿、0.057亿和1.05亿t。

3 结论

(2)目前低温空气源热泵采用补气增焓技术发展路线比较成熟可靠，可成为淘汰农村传统采暖方式或升级换代的优先选择，且能根据不同的用户需求提供相应的产品和实施方案(供给热水或热风)。

(3)采用补气增焓技术的低温空气源热泵在蒸发温度为-30 ℃(环境温度为-20 ℃)的运行工况下，其理论制热性能系数(COPh)大于2.25，且系统能效比(EER)高于1.90。未来技术进一步优化完善后，其性能指标还有提高的可能性。

[1] 钟连红,刘晓,李志凯,等.北京居民生活用煤大气污染控制思路与对策[J].环境保护,2015,43(34):77-78. ZHONG L H,LIU X,LI Z K,et al.The thoughts and control countermeasures of air pollution caused by coal products consuming from Beijing residents[J].Environmental Protection,2015,43(34):77-78.

[2] ZHENG W D,ZHANG H,YOU S J,et al.Numerical and experimental investigation of a helical coil heat exchanger for seawater-source heat pump in cold region[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2016,96(5):1-10.

[3] EMMI G,ZARRELLA A,de CARLI M,et al.An analysis of solar assisted ground source heat pumps in cold climates[J].Energy Conversion and Management,2015,106(12):660-675.

[4] 李德英.供热工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2004:200-202.

[5] 马国远,邵双全.寒冷地区空调用热泵的研究[J].太阳能学报,2002,23(1):17-21. MA G Y,SHAO S Q.Research on heat pump cycle for air conditioning in cold regions[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2002,23(1):17-21.

[6] YAN G,JIA Q L,BAI T.Experimental investigation on vapor injection heat pump with a newly designed twin rotary variable speed compressor for cold regions[J].International Journal of Refrigeration,2016,62(2):232-241.

[7] LI Y X,YU J L.Theoretical analysis on optimal configurations of heat exchanger and compressor in a two-stage compression air source heat pump system[J].Applied Thermal Engineering,2016,96(3):682-689.

[8] JIANG S,WANG S G,JIN X,et al.Optimum compressor cylinder volume ratio for two-stage compression air source heat pump systems[J].International Journal of Refrigeration,2016,67(7):77-89.

[9] JIN L,CAO F,YANG D F,et al.Performance investigation of an R404A air-source heat pump with an internal heat exchanger for residential heating in Northern China[J].International Journal of Refrigeration,2016,67(7):239-248.

[10] HAKKAKI-FARD A,AIDOUN Z,OUZZANE M.Improving cold climate air-source heat pump performance with refrigerant mixtures[J].Applied Thermal Engineering,2015,78(5):695-703.

[11] QIN F,XUE Q F,TIAN C Q,et al.Experimental investigation on heating performance of heat pump for electric vehicles at -20 ℃ ambient temperature[J].Energy Conversion and Management,2015,102(9):39-49.

[12] REDON A,NAVARRO-PERIS E,PITARCH M,et al.Analysis and optimization of subcritical two-stage vapor injection heat pump systems[J].Applied Energy,2014,124(7):231-240.

[13] 陈骏骥,杨昌仪,蔡佰明.低温强热型空气源热泵热水器试验研究[J].流体机械,2010,38(1):72-75. CHEN J J,YANG C Y,CAI B M.Experiment of low temperature heat-flash type air source heat pump water heater[J].Fluid Machinery,2010,38(1):72-75.

[14] 孟登居,黄虎,陆春林,等.提高空气源热泵热水器低温环境性能理论分析[J].中国建设信息供热制冷,2007(8):26-29. MENG D J,HUANG H,LU C L,et al.Theory analysis on improving performance of air source heat pump water heater at lowtemperature[J].China Construction Heating & Refrigeration,2007(8):26-29.

[15] 郭丽婷,蔡觉先.R404A在低温空气源热泵中替代传统工质的性能研究[J].节能,2016(6):62-65.

[16] 牛宝联,张于峰.CO2R170混合物作为复叠式制冷系统低温环路制冷剂的性能[J].化工学报,2007,58(3):555-561. NIU B L,ZHANG Y F.Performance of binary mixture of CO2R170 as low temperature circuit refrigerant in cascade refrigeration system[J].Journal of Chemical Industry and Engineering,2007,58(3):555-561.

[17] 李新禹,牛宝联,徐杰.复叠式制冷系统低温环路制冷剂R744(CO2)R290的实验研究[J].天津工业大学学报,2009,28(2):67-70. LI X Y,NIU B L,XU J.Experimental study on R744R290 in low-temperature circuit of cascade refrigeration system[J].Journal of Tianjin Polytechnic University,2009,28(2):67-70.

[18] 于涛,乔春珍,赵玉清.空气源热泵+散热器低温采暖在北京农村地区应用的综合性分析[J].节能,2014(12):51-55.

[19] 肖婧,王伟,郭庆慈,等.空气源热泵在北京低温环境下运行性能的现场实测研究[J].建筑科学,2010,26(10):242-245.

[20] 陈政文,胡文举,倪龙,等.闪发式低温空气源热泵的试验研究[J].低温建筑技术,2012(1):105-106.

[21] 马荣江,张了,付宇,等.热风型低环境温度空气源热泵:一种适用于北京地区农宅的清洁高效采暖技术[J].建设科技,2016(14):76-81.

[22] 韩宗伟,李先庭,石文星.适用于寒冷地区的太阳能与低温空气源热泵复合空调系统[J].暖通空调,2011,41(1):104-108. HAN Z W,LI X T,SHI W X.Low temperature air-source heat pump system combined with solar energy for cold areas[J].Heating,Ventilating & Air Conditioning,2011,41(1):104-108.

[23] 孔维利,屠冰,李旻阳.R32空气源热泵机组性能试验研究[J].制冷与空调,2013,13(1):48-51. KONG W L,TU B,LI M Y.Performance experimental study of R32 air heat pump unit[J].Refrigeration and Air-conditioning,2013,13(1):48-51.

[24] 邓争鸣,金宁,郑嘉耀.低温工况下空气源热泵热水器中R22与R417性能对比[J].制冷与空调,2010,24(1):64-66. DENG Z M,JIN N,ZHENG J Y.Comparison of performance between R22 and R417A in the air source heat pump water heater under the low temperature environment[J].Refrigeration and Air-conditioning,2010,24(1):64-66.

[25] RAMARAJ S,BRAUN J E,GROLL E A,et al.Performance analysis of liquid flooded compression with regeneration for cold climate heat pumps[J].International Journal of Refrigeration,2016,68(8):50-58.

[26] 王东升,刘明锐,白向飞,等.京津冀地区民用燃煤使用现状分析[J].煤质技术,2016(3):47-49. WANG D S,LIU M R,BAI X F,et al.The situation of civil coal in the Beijing-Tianjin-Hebei Region[J].Coal Quality Technology,2016(3):47-49.

[27] 国家统计局.中国统计年鉴:2013[M].北京:中国统计出版社,2013.

[28] 柴发合,薛志钢,支国瑞,等.农村居民散煤燃烧污染综合治理对策[J].环境保护,2016,44(6):15-19. CHAI F H,XUE Z G,ZHI G R,et al.Complex control meatures of rural coal combustion pollution[J].Environmental Protection,2016,44(6):15-19.○

Heating by air-source heat pump for cold climate in Chinese rural regions

PANG Weike, LÜ Lianhong, LUO Hong

Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Based on Chinese rural features, a heating way adopting an air-source heat pump (ASHP) for low cold climate that is a novel and pollution-free technique of energy utilization is proposed. The technique is feasible to replace the traditional heating way of dispersed coal combustion. The air-source heat pump is with a stable and reliable design of adding refrigerant for enthalpy increment. The results showed that under the simulated conditions of the evaporation temperature of -30 ℃, condensing temperature of 45 ℃, and ejecting refrigerant ratio of 0.6, its coefficient of performance (COP) is more than 2.25 and the energy efficiency ratio (EER) is more than 1.90 in theory. During its application in practice, the air-source heat pump could heat by warm air or water to meet with different needs. It is projected that about 386 million tons of carbon dioxide, 11.5 million tons of sulfur dioxide, 5.7 million tons of nitrogen oxide and 105 million tons of powder and dust could be decreased annually if the heat pumps are popularized in Chinese countryside. It can serve as an optimal scheme to phase out the traditional heating way in the countryside.

heating; heat pump; add refrigerant for enthalpy increment; heating COP

2016-08-18

中国工程院重大咨询项目(2016-ZD-13-01)

庞卫科(1983—)，男，博士，主要从事能源环境技术方面的工作，pangwk@craes.org.cn

*通信作者：罗宏(1964—)，男，研究员，博士，主要从事能源与环境经济等研究工作，luohong@craes.org.cn

X382

1674-991X(2017)03-0382-06

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.053

庞卫科，吕连宏，罗宏.适用于我国农村地区的低温空气源热泵采暖技术[J].环境工程技术学报,2017,7(3):382-387.

PANG W K, LÜ L H, LUO H.Heating by air-source heat pump for cold climate in Chinese rural regions[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):382-387.