空气源热泵供暖技术研究现状*

孙茹男 罗会龙 李志国 刘兆宇 惠宠

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

2018年，全球一次能源消费增长迅速，增长率高达2.9%，是2010年以来的最快增速[1]。我国北方地区冬季大规模采暖不仅过量消耗一次能源，而且带来了雾霾等严重的环境污染问题。在此背景下，国家积极支持和推进“煤改电”工程，以清洁能源替代化石燃料，从而改善空气质量，有效解决我国环境污染问题，提高人民的生活质量。

空气源热泵作为21世纪清洁供暖方式的代表，既可以降低一次能源消费、缓解能源压力，又能消除传统供暖方式带来的不利影响。但现阶段空气源热泵供暖运行时效果还不理想，在运行过程中会出现结霜、性能衰减以及回水温度高等问题，导致其运行性能恶化。

本文主要从提高空气源热泵供暖运行性能研究方面，对空气源热泵供暖技术进行了综述，分析了系统的优缺点以及对供暖性能的影响，并提出了进一步改善空气源热泵供暖性能的措施，为空气源热泵供暖技术的发展提供理论参考。

1 空气源热泵供暖技术研究

空气源热泵兼具制冷和制热两种功效。在冬季作为供暖设备时，通过热泵技术从室外空气中吸收热量，将此热量传递给热媒循环水，使之温度升高。但空气源热泵供暖运行时受气候条件的影响较大，如室外环境温度、湿度的变化会对系统的制热量、COP以及运行安全性造成不同程度的影响。

为提高空气源热泵供暖运行性能，国内外学者对空气源热泵系统的研究类型主要包括：补气增焓空气源热泵系统、双级压缩空气源热泵系统、复叠式空气源热泵系统、带回热循环空气源热泵系统以及空气源热泵除霜系统。

1.1 补气增焓空气源热泵系统

补气增焓系统是将冷凝器出口的高压制冷剂液体分为补气回路和主回路两部分，补气回路的制冷剂经过中冷器(或闪发器)成为低温气体进入压缩机。在外界环境温度较低时，与传统单级压缩系统相比，补气增焓系统的制热量和COP更高。

在热泵制热领域的应用研究方面，冉小鹏等[2]对补气增焓系统的运行特性进行了数值模拟和实验，验证得出：补气能够有效降低压缩机排气温度，提高制热量，在相对补气量最佳时系统制热量可以提高33%，能效提高31%。XU SH X 等[3]研究了以R32作为制冷剂的补气增焓系统的性能，采用补气增焓系统，蒸发温度和冷凝温度均提高了0.8～1 ℃，且相对补气量在12%～16%时系统整体运行效果最好。HEO J等[4]研究了补气增焓系统在低温环境下对变频压缩热泵制热性能的影响，与不带补气增焓系统的热泵相比，在-15 ℃的低温环境下，制冷剂总流量增加了30%～38%，热泵系统的COP和制热能力分别提高了10%和25%。WANG X等[5]通过对比带闪发器和带热交换器的补气增焓系统发现，带热交换器的系统补气压力工作范围更大，与传统热泵系统相比，在环境温度为-17.8 ℃时，补气增焓系统的制热量提高了30%，COP提高了20%。

补气增焓系统可在-25 ℃的条件下正常运行，适用于北方严寒地区。但补气增焓技术不能从根本上解决压缩机压缩比大、排气温度高的问题，且随着蒸发温度升高，补气增焓系统的优势变得不太明显，研究范围局限在低温供热。

1.2 双级压缩空气源热泵系统

双级压缩系统是利用两级压缩间的补气系统来冷却制冷剂，经高级压缩后的排气温度显著降低。中间补气系统分为经济器系统和中间冷却器系统。

近年来，对双级压缩系统的研究主要涉及系统特性、运行参数以及运行优化等方面。武文彬等[6]对比了双级压缩与普通单级压缩系统的制热循环性能，在低温工况下，双级压缩系统的压比更低，制热量更高，即使在-20 ℃的低温条件下系统性能COP仍然保持在1.5左右。BERTSCH S S等[7]研究了一种以R410A为制冷剂的双级压缩系统，结果表明：该系统能够在-30～10 ℃的环境中运行，供水温度高达50 ℃。陈孚江等[8]研究了低温工况下运行参数对双级压缩一次节流中间不完全冷却系统性能的影响发现，蒸发温度对系统COP的影响最大，过冷度对系统COP的影响较小，过热度几乎不影响。此外，LI Y X等[9]理论分析了换热器的热导率分配以及低级压缩与高级压缩的容积比，通过优化配置冷凝器和蒸发器的导热率可以使系统COP达到最大，但还需要进一步进行实验研究。

双级压缩系统具有压缩比小、排气温度低、系统COP高等特点。但双级压缩系统由于采用高级压缩和低级压缩串联的方式，致使压缩机回油不均匀，同时还存在最佳中间压力难以确定和温跨范围受限等问题。

1.3 复叠式空气源热泵系统

早在20世纪30年代，人们就提出了复叠式的概念，并将其应用于制冷系统中。复叠式系统是通过借鉴复叠式制冷技术来解决空气源热泵供暖运行时性能衰减的问题，扩大空气源热泵的应用范围[10]。复叠式系统由低温级和高温级两级制热系统构成，通过低温级制热系统制热来为高温级制热系统运行创造条件。

目前，关于复叠式系统制热方面所做的研究相对较少。陈剑波等[11]通过对复叠式系统在不同工况下制取高温热水的可行性研究发现，在-28 ℃的低温环境下可制取80 ℃的高温热水，且机组运行平稳可靠，节能性较好。KIM D H等[12]研究得出，最佳中间温度取决于冷凝温度、蒸发温度、温差、高温循环和低温循环效率等5个参数。除了对系统特性和最佳中间温度选择的研究外，研究者们还在性能改进方面做了研究。杨永安等[13]提出了一种采用R410A单一工质的复叠式系统，该系统具有单级压缩制热和复叠式制热两种运行模式，可根据不同工况来切换这两种运行模式，以满足用户的供暖需求。

复叠式系统通过采用高、低温两种工质，使热泵系统的温跨范围更大，能够在较低的环境温度下制取高温热水。但中间温度是影响热泵系统运行性能的关键因素，目前国内对在不同室外工况下如何确定最佳中间温度没有明确的标准。另外，由于该系统由两个单独循环的制热系统组成，系统较为复杂，使用成本较高，目前并未真正在实际中得到应用。

1.4 带回热循环空气源热泵系统

回热器通过降低冷凝器出口制冷剂的温度，加强冷凝器中的换热程度，减少节流损失，避免压缩机产生液击现象，进而提高系统整体循环效率。但压缩机的吸气过热度也随之增加，导致压缩机吸气量降低，排气温度升高，引发压缩机运行安全问题。因此，要设置适宜的回热器面积。

1.5 空气源热泵除霜系统

空气源热泵供暖运行中的结霜问题不可避免，采取有效的除霜系统是保障空气源热泵供暖稳定高效运行的措施之一。根据除霜机理和除霜能量来源不同，开发了热力除霜系统和非热力除霜系统。

1.5.1 热力除霜系统

热力除霜系统是最常见的除霜系统，主要包括逆循环除霜系统、热气旁通除霜系统以及蓄能除霜系统。逆循环除霜和热气旁通除霜是目前应用最广泛的两种除霜方法，DONG J K等[19]通过对逆循环除霜过程中能量来源及能耗的研究发现，该系统除霜的能量来源主要是室内空气的热能、室内换热器盘管余热和压缩机做功，但由于室内空气热能占比最高为71.8%，所以除霜时室内热舒适性会下降。CHOI H J等[20]提出了一种双热气旁通除霜系统，能够在持续高效供热的同时缩短除霜时间，以改善传统热气旁通除霜系统的性能。蓄能除霜系统是在逆循环除霜的基础上提出来的，张杰等[21]通过对比逆循环除霜和热气旁通除霜，无论从除霜时间还是能耗分析，蓄能除霜的性能都大大优于逆循环除霜和热气旁通除霜，节能效果达到31.3%。

逆循环除霜和热气旁通除霜系统操作简单、成本较低、适用范围广、除霜效果良好，但受除霜能量来源的限制，除霜时间较长；蓄能除霜系统虽然解决了除霜能量来源不足的问题，但仍存在除霜时室内供热中断的问题。

1.5.2 非热力除霜系统

非热力除霜是利用外加力场来除霜，主要包括外加电场和超声波。WANG CH CH 等[22]和TUDOR V 等[23]研究了直流电场和交流电场对冷表面结霜的影响发现，在电场存在的情况下，形成的霜层结构薄弱，更易脱落，而且与直流电场对比，交流电场作用下结霜度降低高达46%，减少冷表面结霜的效果更好。谭海辉等[24]通过超声除霜试验对比发现，超声除霜效率比逆循环除霜效率至少高7倍，且除霜能耗低，但并不能完全去除室外换热器表面的结霜。

无论是外加电场还是超声波都能从根本上抑制结霜，但外加电场会带来一定的危险性和能耗问题，超声波除霜受区域的限制不能完全去除翅片上的基层冰，不利于空气源热泵供暖运行。

2 结论

近年来，空气源热泵供暖技术迅猛发展，应用区域逐年增加，对空气源热泵供暖运行性能提出了更高的要求。补气增焓和双级压缩系统的应用，可有效改善其供暖运行性能衰减问题；复叠式系统通过扩大温跨范围，使得空气源热泵在较低室外工况下供暖运行效果得以更好地保证，但是成本较高；在系统中增设回热器，可更有效地提高系统循环效率；除霜系统能更有效地解决结霜问题，热力除霜系统操作简单、适用性较好，但除霜时间长；非热力除霜系统除霜效率有大幅优化，但仍在实验研究阶段。

随着人们生活水平的提高，人们将越来越注重人居环境，对空气源热泵供暖技术的要求会更高。为提高空气源热泵供暖运行性能，可从系统优化、改进除霜方法、采用新工质等多方面来实现。

(1)空气源热泵可通过优化常规热泵系统达到更好的供暖运行效果，如多热源辅助热泵系统、双级压缩与变频技术结合、复叠式技术等。通过深入研究热泵系统理论机理，优化设计空气源热泵系统，开发新型空气源热泵系统等措施，以期使空气源热泵供暖运行时制热功率、COP等得到更大的提升。

(2)除霜方法是解决空气源热泵结霜问题的主要手段，通过深入研究结霜机理、提出新的除霜方法、优化除霜控制等措施来改善空气源热泵供暖运行性能。

(3)不同的制冷剂工质决定了热泵循环的制热性和节能性，在空气源热泵供暖过程中，通过研究制冷剂工质的热物性、选择合适的工质，研发绿色高效的新型工质，促进空气源热泵供暖技术的发展。