外界温度对空气源热泵的影响与改进

岳江浩 杨鑫 杨世龙 翟昊

摘要：空气源热泵可以通过运用较低的能耗，将空气中低品位热能转化提供给高温热源，而空气作为低温热源取之不尽用之不竭[1]，对环境的影响小，是目前非常受欢迎的节能装置。但是在一些冬季温度过低与夏季温度过高的地区，空气源热泵也存在着启动困难与能耗增加的问题。在本文根据空气调节用制冷技术对空气源热泵系统的工作原理与节能性进行介绍，再对极端温度天气空气源热泵系统工作效率下降问题提出一些解决方案。

关键词：空气源热泵;节能环保;供热系数;双级压缩

中图分类号：TU831.6                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0097-02

0  引言

2018年全球能源需求量增加2.3%，为10年来最快增速。在我国建设发展过程中能耗巨大，其中建筑筑物物的总能耗约占全部能耗的34%，且占比逐年增大。而暖通空调能耗占整个建筑能耗的50-60%，减少暖通空调设备的能耗非常重要。随着人们节能环保意识的提高，近年来空气源热泵系统因其较低的能源消耗与更优的建筑环境营造能力，越来越受到人们的青睐，虽然在暖通空调行业所占的份额还不是很大，但相信未来空气源热泵系统会有一个高速的发展。

1  空气源热泵系统介绍

热泵就是以冷凝器或其他部件放出的热量来供热的制冷系统。空气源热泵是热泵的一种，利用高品位能量使热量从低温热能空气流向高温热源的装置。

1.1 空气源热泵节能性介绍

空气源热泵与空调的部件基本相同，都有“四大件”：蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，利用逆卡诺循环的原理，如图1。

在空调的制冷循环中单位工质的吸热量为4、5、6和1所围矩形的面积：

制冷中所消耗的能力即压缩机的耗功量为1、2、3和4所为矩形的面积：

整个制冷循环的制冷系数：

而热泵向高温热源释放的热量为3、5、6和2所围成的面积：

热泵的供热系数μ为：

从式（5）可以看出热泵工作时的供热系数μ比空调的制冷系数要大。此外，还可以看出供热系数始终大于1，所以热泵从能力利用的角度来看，要比直接消耗电能或燃料的锅炉或电热扇更节能。

1.2 空气源热泵原理介绍

空气源热泵实际上是用冷凝器中的低温工质不断吸收空气中的低温热能，由液体变成低压低温气体，在压缩机动力作用下将再带回到压缩机中，压缩成可用的高品位热能，在冷凝器中高温工质与水进行换热，水被加热后被输送到地暖和淋浴装置等处，在高压低温液态工质则被送到膨胀阀中进行降压处理，周而复始的循环。

1.3 空气源热泵的优点

①节能环保，热泵的供热系数恒大于一，所以热泵从能力利用的角度来看，要比直接消耗电能或燃料的锅炉或电热扇更节能[2]。②由于空气源热泵没有冷却水系统，所以无冷却水消耗，也无冷却水系统动力消耗，也就不存在军团病发生的可能。③空气源热泵为冷热源一体装置，无需特定的空间，放置简便。

2  极端温度空气源热泵的改进

2.1 冬季低温情况下空气源热泵的改进

在冬季严寒地区，室外温度过低给热泵的启动带来的困难，因为当环境温度越接近制冷工质甚至低于其蒸发温度时，工质蒸发量会很少。本文采用双级蒸汽压缩循环来解决低温制热问题。现在已经能够实现在严寒地区-30℃的环境下制热，弥补了严寒地区供暖市场的空白点[3]。低温空气源热泵原理图见图2。

相比于普通热泵在-10℃及更低温度下，由于蒸发温度过低，引起蒸发量较少，导致压缩机回气量少，从而影响冷凝放热。低温热泵采用双级压缩，从闪发蒸汽分离器中的蒸汽与蒸发器中的蒸汽混合后进入压缩机当压缩机回气不够时，闪发蒸汽分离器中的蒸汽可以作为补充，这样冷凝器的放热量就会提高，因此在极低的温度下仍能正常制热。该循环属于二次节流中间不完全冷却双级压缩制冷循环。该循环采用中间补气的方式实现了双级压缩，压缩腔体中的工质压力与质量会有所增加，有利于功耗的降低。

2.2 夏季高温情况下的空气源热泵制冷改进

对于一些例如重庆的火炉城市，夏季是十分炎热的，丘陵地貌使得热量无法散失，有时甚至达到40摄氏度以上，对于这种情况，空气源热泵的制冷效果也会受到影响，制冷工质在冷凝器中与外界高温空气换热，由于温度过高，工质的液化效果不好，释放的热量也相当有限。导致空气源热泵制冷效果不好针对极端高温天气，本文着重讲解过冷液体旁通法，因为该种方法与上文提到的蒸汽喷射增焓法有异曲同工之妙，原理大致相同。喷液旁通法的原理是在压缩机排气压力未达到所需保护的限值时，通过旁通支路将部分制冷剂旁通至气液分离器的前面，然后与蒸发器出口过热制冷剂混合，从而降低吸气温度和排气压力，进而提高空气源热泵的工作性能[4]。其工作流程图见图3。

当冷凝器出口压力达到卸荷阀的开启压力时，制冷剂液体被分成主路和旁通流路两支。进而降低了压缩机吸气温度和排气压力。在高温工况下压缩机吸气温度较高，所以制冷工质的比体积较大，制冷剂循环流量较少;当开启喷液旁通后，吸气温度降低，压缩机入口制冷工质的比体积减小，制冷剂循环流量增大。因此，当系统循环流量增大比例大于旁通比例时，系统制冷量增大，否则导致制冷量降低。

2.3 室内废气热量再利用系统

由于建筑的维护结构存在保温性，当开启空气源热泵时，可以利用室内新风系统排出的空气与室外空气混合来降低或升高室外温度，这样在与空气源热泵的冷媒进行换热时可明显提高换热效率，同时也解决了冬天空气源热泵结霜的问题。具体结构见图4。

在冬天温度很低时，可以利用屋内排出的高温度空气与外界空气通过风机混合后再送到蒸发器与冷媒进行换热，这样可以保证空气源热泵的正常启动，同时保证了冷媒的蒸发量，通过室内的高温气体还可以去除结霜。在夏季也可利用室内需要排除的低温空气与外届空气混合后温度降到正常值再与室外换热器交换热量。

3  结语

本文首先根据空气调节相关知识从理论上解释了热泵的节能性，然后针对超高温与极低温的情况下空气源热泵功耗大，启动难的问题，对其热泵系统提出了改进方案，对北方寒冷地区可以采用双级压缩中间补气的方式，来弥补低温情况下工质蒸发量少的问题，对于南方夏天炎热地区可以采用双级压缩中间补充过冷液体的方式，来弥补工质在高温下冷凝量少的问题。第三种方案是一种适用范围更广的方案，利用室内需要排除的空气废热来与外界空气混合后再与室外换热器换热，通过该系统即能够改善室外换热的工作条件减少结霜率，又可以降低压缩机的功耗，是一种节能环保的空气调节系统。

参考文献：

[1]龙惟定，武涌.建筑节能技术[M].中国建筑工业出版社，2009.

[2]石文星，田长青，王宝龙.空气调节用制冷技术[M].中国建筑工业出版社，2016：18.

[3]金洪文.低温空气源热泵在严寒地区的应用研究[J].中国知网，2019.

[4]贾庆磊，熊志洪，晏刚.改善空气源热泵在夏季高温工况下运行性能的试验研究[J].中国知网，2014.

作者简介：岳江浩（2000-），男，河北邢臺人，本科生，研究方向为能源与应用工程;杨鑫（2000-），男，河南三门峡人，本科生，研究方向为能源与应用工程;杨世龙（2000-），男，安徽桐城人，本科生，研究方向为能源与应用工程;翟昊（2000-），男，安徽马鞍山人，本科生，研究方向为能源与应用工程。