低温空气源热泵供热原理及特点

张强

（大连市热电集团有限公司供热公司，辽宁 大连 116000）

低温空气源热泵供热原理及特点

张强

（大连市热电集团有限公司供热公司，辽宁 大连 116000）

空气源热泵是一种节能环保，使用效果良好的热泵类型，也由于它的诸多优势得到了非常广泛的应用。空气源热泵的类型非常多，低温空气源热泵就是其中的一种。尤其在寒冷地区，严冬的供暖离不开低温空气源热泵的技术支持。本文主要对低温空气源热泵供热的原理及其特点进行介绍，并探讨几个热泵系统的问题及解决方法。

空气源；热泵供热；寒冬供暖

1 什么是空气源热泵技术

依靠电能的拖动，迫使热量从低位热源向高位热源流动的装置就是热泵。就像水泵把水从低水头压送到高水头，还有气泵（气体压缩机），把气体从低压区送到高压区，它们和热泵的原理是一样的，都是输送能源的机械。热泵技术作为一项节能环保高效的技术，是因为它能够把不能为人们直接利用的低品位热能通过热泵技术转换为可以让人们直接利用的高位能，比如可以把空气、太阳能、土壤、井水河水以及工业废水等低品位热能，通过热泵技术将它们转化为高位能，直接为人们所利用，并通过利用这些转化来的高位能进行工作作业，来有效的减少煤炭、燃气、电能以及石油这类有限的高位能，以此实现节约环保的目的，并有利于我国高位能资源的可持续利用。矿物资源越来越匮乏，环境污染越来越严重的情况下，合理有效的将低位能转化为高位能的热泵技术也将更广泛的得到应用。

空气源热泵的历史是非常悠久的，压缩式是最早研究发现的。但是早期由于技术能力有限，并且能源价格也不甚理想，热泵的发展受到的很大的限制，以至于从18世纪初叶，也就是1824年卡诺循环的发表就奠定了热泵研究的基础，但却因为技术及能源价格的限制因素，导致热泵的发展史非常的缓慢，但是热泵技术本身的环保及高效优势，使它有很好的发展前景。现在能源价格不断提高，科技水平也是飞速发展，热泵的研究也日益被关注。热泵技术发展至今，主要的方向就是高温高效，也就是说开发高温热泵并且同时最大程度的提高COP（性能系数 Coefficient of Performance）值，在此基础上积极的发展吸收和化学热泵等等。

热泵热水机组的能源利用的是空气+电这样的清洁无污染并且可以再生的原料，使用的气体是绝对环保并且机组产生的气体也是完全无公害的，丝毫不会造成大气污染，并且也有效的减少了温室效应。现在广泛的利用热泵热水机组来制取热水，既大大的减少了电力能源的投入，又使供热效益得到了巨大的提升，在电力资源短缺的情况下，为电力能源的发展提供了有效的帮助。在热泵热水机组的广泛利用下，直接省却了专用锅炉房，把机组放在建筑物的顶层或者室外的平台上，就可以直接工作，这样的设备结构有效的实现了水、电分离，在使用中直接减少了安全隐患，使用户在使用过程中更加的安全。

2 热泵的工作原理是什么

自然界中，水往低处流是一种自然现象，所以，如果没有人为的干扰，水就会一直顺应自然从高处流向低处，同样，自然条件下的热量传递也是由高温传递向低温的。但是由于人为的干扰加上技术的利用，人们用水泵实现了水往高处流，将低处的水提升到高处，由此原理，热泵也同样利用技术将热量传递的顺序变为从低温热量传递到高温热量，所以，热泵就是基于逆卡诺循环原理实现的一种热量提升装置。热泵的作用就是从装置周围的环境中吸取地热、空气、太阳能等能量的热量，并把这些热量传递给温度较高的媒质，以高温媒质为加热对象。

热泵热水装置主要的四大部件是蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀。使环境中的热量不断的转移到水中，主要是通过让工质不停的进行蒸发→压缩→冷凝→节流→再蒸发这样的热力循环过程实现的。

热泵热水机组是一种节能环保并且工作高效的热泵产品，在热泵系统的工作循环中，运用热泵技术的原理，把免费的空气热能能源输送至水里，以实现将冷水加热成热水的目的。热泵热水机组不仅节能环保，且效率极高，它的热效率最高可以达到590%，年平均热效率也能达到360%。

3 超低温空气源热泵有什么特点

空气源热泵主要是通过利用热泵设备里的吸热介质即冷媒，从自然环境或者空气中直接采集热能，在运用压缩机进行压缩之后来使冷媒的温度得以提高，同时，通过热交换器冷媒放出热量来使冷水温度提高，加热后释放出冷气，以此技术制取的热水可以通过水循环系统直接服务于人们，可以直接作为热水供应，也可以输送至用户进行采暖。

超低温空气源热泵，主要是它的运行环境温度更低，但是效率和稳定性却更高，这与普通的空气源热泵类型就有很大的区别。由于我国北方冬天温度更低，所以超低温空气源热泵在北方的市场是非常广阔的，并且如今已经发展为大部分地区煤改电的指定用品了，在实际使用中更是得到了广泛的应用。近年来世界上许多专家学者都做了大量的调查研究工作，以提高空气源热泵在低温环境中的适用性，主要研究针对在环境温度低至-20℃甚至低至-25℃的情况下还可以正常工作实现制热。

机组运行还是以逆卡诺循环原理为基本的原理依据：液态的工质先在蒸发器里通过吸收空气中的热量之后汽化，汽化潜热就是我们所要回收的热量，在经过压缩机压缩之后，形成高温高压气体，随即进入冷凝器内液化，通过液体把吸收到的热量输送给需要加热的冷水中，液态的工质经过膨胀阀降压膨胀之后又重新回到膨胀阀内，吸收热量蒸发从而实现一个完整的循环过程，如此循环往复，通过不停的吸收低温能源的热量来传送给需要加热的冷水中，加热冷水达到理想的温度。超低温热泵与普通热泵相比，超低温热泵多了一条联通压缩机的喷射增焓支路，普通热泵在-10℃以及更低温的环境下，会由于蒸发温度低导致蒸发量下降，从而使压缩机回气量比较少，冷凝放热的效果会大大降低，但是使用超低温热泵后，由于增加过联通压缩机的喷射增焓支路，它能在压缩机回气不足的情况下直接给压缩机进行补气，使冷凝器的放热量得以提升，所以超低温热泵在-25℃的环境下也能正常工作实现制热。在超低温热泵广泛的应用中也可以看出，当环境温度低至-20℃时它的综合COP还高达2．0左右，温度低至-25℃的时候也能正常运作，由此看来，机组最低运行环境温度-25℃的时候是可以正常运作制热的。

4 空气源热泵在低温环境下能效如何

空气源热泵主要是通过吸收环境空气中的热量并经过压缩机做功产热的节能设备，它的效率跟周围环境的温度高低有着直接的关系，如图1所示。

图1

通过空气源热泵的广泛应用及使用效果来看，它在低至-25℃乃至-50℃的环境条件下都是可以正常运行制热的。热泵的类型有很多，现在比较常见的有超低温空气热源泵、高温热泵、常规热泵以及泳池热泵等等。我们在日常使用中，只要根据不同地区不同环境的不同温度来选择合适类型的热泵，都能保证在该温度范围内热泵都可以正常运行，实现制热的目的。

空气源热泵能效指的是热泵系统可以达到的制热量和输出功率的比值，当工况不变的情况下，比值跟热泵系统的效率是成正比的，也就是比值越大，效率越高，也就越节约能源。所以在比较制热系统COP值之前，一定要确保各热泵系统的工况是没有差异的，这样得出的比值才更准确。衡量机组的节能程度以及用户需求的满足度的决定性标准就是能效的高低。专家们也针对此做了一系列的实验，并得到以下数据如表1。

从上面图表中的数据能直观的看出，能效的高低不仅和环境温度有关，还和机组的进出水温度有关。当环境温度比较高的时候，能效和制热效果也是比较好的，而随着环境温度的下降，能效和制热效果也是越来越差的；同时，当进水温度比较高的时候，能效也是比较高的，随着进水温度的下降，能效也同时呈现下降趋势。由此，我们可以利用这样的特性，在实际应用中根据实际情况合理的进行调整，使它的能效得到最大程度的实现。

5 结语

从本文可以看出，低温空气源热泵供热方式与传统的燃煤锅炉集中供热以及直接电暖供热方式相比拥有巨大的优势，不仅能源消耗低，二氧化碳的排放量也非常小，如此节能环保的技术应加大利用，并进行多方面的研究和创新。

表1 空气源热泵低温环境的能效测试表

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TU831

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