浅议空气源热泵供暖系统

郭娟

（湖南智谋规划工程设计咨询有限责任公司，湖南 株洲 412000）

近年来，北京市为解决冬季燃煤供暖带来的环境污染问题，率先在农村地区开展“煤改清洁能源”的低温空气源热泵供暖改造。据统计，2016年北京市共完成空气源热泵供暖改造15.1万户。

随着人们生活水平的提高，我国长江流域冬季供暖的呼声越来越大，该地区夏季炎热、冬季阴冷，全年高湿，室内环境恶劣。为满足该地区的室内环境的热舒适性要求，国内学者做了大量研究，在能源紧张的大环境下，空气源热泵系统越来越受到人们的关注。美国能源部把空气源热泵列为21世纪最具节能潜力空调技术措施之一，欧盟在2009年将其纳入可再生能源技术范畴，我国业内研究学者也多次建议将其纳入可再生能源范畴。

1 空气源热泵的特点

空气源热泵机组就是利用室外环境中的空气能量，机械做功后，将能量从低位热源向高位热源转移的热泵装置，可利用冷凝热来提供生活热水，从而配置成热回收型机组。我国长江流域夏热冬暖地区具有夏季高温闷热，冬季阴冷潮湿的气候特点，但由于该地区供暖期短，且我国能源紧张，不宜选用集中供暖形式，空气源热泵具有节能、冷热兼供、无需冷却水和锅炉等优点，适用于我国夏热冬冷地区作为中央空调的冷热源。

空气源热泵和水源热泵相比初投资可低30%～50%，在沈阳，空气源热泵的运行费用和集中供暖的运行费用相差不大，但比燃气壁挂炉供暖的运行费用少15%以上，比电采暖少60%以上。它具有一机多用、节能、环境友好的优势。空气源热泵机组在低温高湿的环境中使用时，常出现换热器表面结霜，压缩机频繁启停，供热能力降低，需要定期除霜才能保证系统稳定运行。

2 空气源热泵系统的优化

2.1 冷热源优化

常规空气源热泵机组采用单级压缩循环，在我国华北、西北等寒冷地区使用时制热能力衰减，无法在冬季正常运行。随着产品的研发更新，先后出现了带油冷却的单级压缩系统、准二级压缩系统、二级压缩系统、复叠式系统、多种能源形式的复合系统等。目前，已经研制出适用于寒冷地区的低环境温度空气源热泵机组，可在室外温度不低于-20℃时制取30～50℃的供暖热水。随着技术的进步，国内外学者对低环境温度空气源热泵的改进进行了大量试验研究，使其能适用于寒冷地区供暖。

空气源热泵机组的结霜问题饱受诟病，在室外温度较低的寒冷地区使用时易结霜，结霜严重时会影响机组运行的稳定性。目前，常用的除霜方法主要有：逆循环除霜、热气旁通法除霜、蓄能除霜和工质过冷除霜法。前两种除霜措施均存在能量供给不足、效率不高、系统不稳定的缺点；蓄能除霜可以克服能量补给的不足，但结霜时系统制热量衰减、除霜时不能供热、相变材料的性能稳定性问题都有待改进；工质过冷除霜法可提高理论制热系数，但采用喷射膨胀阀会增加设备成本。

有学者提出无霜空气源热泵，该系统采用加热再生方式，再生效率低，供热能效不高。郭浩增等人提出多热源辅助除霜法，该方法主要是通过储存用电低峰期的制热量和太阳能等多种热源，实现多种热源辅助除霜的目的。余延顺等人提出冷冻再生的溶液除霜型空气源热泵机组，该机组运用盐溶液喷淋的方式除霜，除霜完成后的稀溶液再采用冷冻方式使其再生，从而实现连续供热，溶液再生方式由加热法改进为冷冻法，再生过程能耗降低。

2.2 输配系统优化

空气源热泵系统耗电主要来自空气源热泵机组和循环水泵。杨强等人选用15个北京地区的空气源热泵供暖系统案例进行了性能测试，为期60天。通过典型日的测试分析发现：在定频系统中采用循环水泵与机组联动的控制方式，与在变频系统中循环水泵采用根据供回水温差变转速控制方式，都有降低电耗和EHR，达到运行节能的目的。

2.3 末端优化

空气源热泵系统末端主要有风机盘管、散热器、地板辐射等。

我国南方夏热冬冷地区供暖期短，建筑室内外温差不大，热负荷较小，且负荷波动大，具有间歇、局部和多样化的供暖特点。目前多采用风机盘管做为系统末端，由于气流组织问题，热空气难以送达人员活动区，室内竖向温度梯度大且有吹风感，与地板辐射供暖相比热舒适性差，但夏季采用辐射供冷易结露，所以冬夏难统一。

李沛珂等人设计了一种小温差换热风机盘管作为空气源热泵系统末端，该末端具有厚度薄、低噪、热效率高等特点，采用小温差换热风机盘管的空气源热泵系统可有效降低热泵机组在冬季的冷凝温度，提升系统的性能系数。

我国北方地区多采用散热器、地板辐射盘管等持续供暖时间长，供暖效果更好的末端形式。

潘雷刚等人对北京地区采用不同末端形式的典型案例进行经济性对比发现：新、旧散热器、地板辐射盘管的折算费用年值分别为21.11，24.17，17.00元/m2。

唐海达等人对空气源热泵系统末端为混凝土辐射地板和风机盘管供暖效果和系统性能进行了测试，结果表明：在持续供暖情况下，地板辐射供暖的热舒适性优于风机盘管供暖；在相同室温时，两者的供热量相当，而前者的系统能效比后者高14%；在间歇供暖情况下，风机盘管具有更快速的启动性能，热响应时间短，热舒适性更好。

3 结语

为提高空气源热泵系统的供热能效，主要从以下几个方面着手。

（1）高效的空气源热泵机组、末端设备的研制优化。

（2）统一产品标准，针对不同的系统末端形式，制定相应的空气源热泵产品标准，如采用地板供暖的空气源热泵系统，由于地板供暖的供水温度低，若采用出水温度较高的空气源热泵机组，则不利于系统的节能。

（3）合理的系统配置，空气源热泵系统的末端应根据建筑使用情况和地区气候特点合理选择，当房间以连续供暖为主时，可采用辐射末端；当房间以间歇供暖为主时，可选用辐射供暖和对流供暖的高效末端产品，如小温差换热风机盘管等。

随着空气源热泵机组的能效不断提高，设备除霜技术的成熟，末端产品的不断优化，系统配置设计优化，空气源热泵系统，特别是空气源热泵供暖系统在我国南、北方地区都将有着广泛的应用市场。