空气能热泵在低温工况下应用的可行性分析

尹 园

(黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨 150081)

0 引言

空气能热泵是在少量电能的作用下，将从空气中获取的低品位热量转化为高品位热量的设备。主要由节流装置、蒸发器、冷凝器和压缩机组成，各个单元通过管道连接成为一个封闭系统。当液态制冷剂流经节流装置时，蒸发器对其加热，使其汽化，从而吸收空气中的低品位热量；汽化的制冷剂被压缩机吸收，并将其压缩为高温高压的状态；再通过冷凝器，使制冷剂由气态变为液态，进而转化为高品位热量。液态的制冷剂再经过节流装置降压，进入蒸发器，如此往复循环[1]。

空气能热泵具有节约能源和成本、环境友好、适用范围广、便于操作和安全性高等诸多优势，广泛应用于烘干农产品、药材、烟叶、木材等领域[2-4]。但是在较低温度环境下使用时，一旦蒸发器处于低于0 ℃环境时，表面就会发生结霜现象。霜层不仅会阻碍空气流通，降低制冷剂的换热效率，还会造成传热面积变小，变相增加换热热阻，从而使供热量减少。当霜层累积较厚，会导致电能耗量增高，甚至会影响运转的可靠性，故在低温工况下推广应用仍存在一定限制[5]。

近年来，国内外大量学者致力于研究如何保障空气能热泵在低温工况仍具有良好的运行效率，很多新技术应用于空气能热泵，主要集中于除霜技术和改进空气能热泵系统两方面[6]。

1 除霜技术分析

1.1 热气旁通除霜

热气旁通除霜广泛应用于各种类型的空气能热泵，它是通过在压缩机出口与室外换热器入口之间安置管路，使压缩机排出的高温高压气体进入室外换热器，气体所带的热量便可使霜层融化[7]。采用此方法除霜时，四通换向阀不需转换方向，系统压力不会发生较大波动，因此对机体不会产生冲击，也不造成气流噪音[8]。此外，采用该种方法时，所需能量源于压缩机，不仅不会吸收室内的热量，还可向室内提供一定的热量，室温变化小。大量研究表明，采用热气旁通除霜，在提高了供热能力和COP(制热能效比)的同时，还大大降低了能耗[9]。

1.2 逆循环除霜

逆循环除霜是在四通换向阀的作用下，切换室内和室外换热器的模式，即室内由制热模式变换为制冷模式，室外由制冷模式变换为制热模式，通过室外换热器即可融化所结霜层。霜层融化后，再切换回原来模式。仅通过改变四通换向阀便可完成除霜，简便易行，应用比较广泛。然而，在切换模式的过程中，当室内切换至制冷模式时，室内温度也会相应降低。为解决这一问题，有些研究改进了节流机构，还有研究进行了制冷剂补偿，以上方式使室内温度降低问题是有所改善，并提高了除霜效率[10-11]。

1.3 蓄能除霜

与传统空气能热泵不同的是，蓄能除霜增设了蓄热器，把蓄能技术和除霜技术融合在一起，将热泵产生的余热储存，再应用此部分的热量进行除霜工作。解决了传统除霜方法所需热量只依靠压缩机的问题，保障充足的能量来源，使热泵运行更加稳定。相关研究发现，蓄能除霜在很大程度上节约了能量、提高了效率、增强了系统的稳定性[12]。

1.4 加热除霜

根据能量的来源不同，加热除霜又可分为电加热除霜和太阳能辅助除霜。其原理为：在室外换热器表面安装电热丝，以电能或太阳能作为能量来源，使电热丝发热，进行除霜或达到延缓结霜的效果。采用电加热方式进行除霜的过程中，尽管操作简单，除霜彻底，但是能耗较大。而太阳能既为可再生能源，又为清洁能源，在高效除霜的前提下，降低了能耗。但加热除霜所采用的电加热丝在使用过程中，易出现断裂现象，存在隐患[13-14]。

2 空气能热泵系统分析

2.1 喷气增焓技术

喷气增焓技术是在中间压力作用时，吸气孔吸入一部分来自中间压力的气体，同时，部分制冷剂被压缩，二者混合后再被压缩，从而仅通过单台压缩机便可完成两级压缩，在提高冷凝器中制冷剂流量的同时，使主循环回路的焓差增加，因此，显著提高了压缩机的效率。喷气增焓压缩机可以在-25 ℃的低温下工作，还可以提高热泵系统的制热量和COP，为空气能热泵在严寒地区的应用提供了可能[15]。

2.2 双级压缩技术

双级压缩技术是在高级压缩和低级压缩间增置一个补气系统，此系统可分为经济器系统和中间冷却系统，能使制冷剂冷却，并显著降低经高级压缩后的排气温度。与普通空气能热泵相比，双级压缩空气能热泵在适应高压缩比工况的同时，还能提供更高的热量。有研究表明，双级压缩空气能热泵在室外温度为-25 ℃及室内温度为21 ℃的状态下，大幅度降低排气温度，且性能系数和制热量有所提升[16]。

2.3 制冷剂蒸汽喷射技术

制冷剂蒸汽喷射技术是将压力较高的制冷剂送入主喷射器中发生绝热膨胀，产生高速气流，通过此高速气流不断从蒸发器中抽气，使蒸发器达到一定真空度。流经冷凝器被冷却的制冷剂通过节流装置被减压进入蒸发器，一部分制冷剂被蒸发并吸收剩余制冷剂的热量达到降温的效果。制冷剂经过降温后，通过泵排出，再经过节流装置提供冷量，如此实现循环利用。同时，蒸汽(喷射器和蒸发器)通过扩压管道，压力升高，但仍处于真空状态，流入冷凝器中，与制冷剂混合并凝结。冷凝器残存的不凝气体，在辅助喷射器的作用下被抽离，因此冷凝器仍处于一定的真空状态。水蒸气进入其中并通过传热管冷却为冷凝水，再通过冷水泵注入锅炉，重复使用。为了证明制冷剂蒸汽喷射技术能够改善空气能热泵的低温适应性，有学者先后在-20 ℃和-17.8 ℃下测试样机，研究结果表明，与常规空气能热泵相比，制热量和COP均有所提升[17]。

3 空气能热泵在严寒地区应用的可行性分析

随着科技的发展，能源危机和环境污染问题越来越严重，空气能热泵无需消耗化石能源且无污染，具有广阔的市场前景。但是由于低温适应性差，严重限制了其应用与发展。为了促进空气能热泵在低温工况下的推广，国内外展开了大量的研究。尽管对除霜技术和空气能热泵系统有一定的改善，但是仍存在一定漏洞，包括：热气旁通除霜效率较低；逆循环除霜动力不足；蓄能除霜易出现供热中断的问题且成本较高；电加热除霜能耗过大；喷气增焓技术压缩机压缩比大、排气温度高；双级压缩技术温跨范围有限等。可见，空气能热泵在低温工况下的实际应用条件依然不够充分。后续研究中，可结合结霜原理进行深入的研究，进一步完善除霜方式，优化空气能热泵系统，争取早日实现空气能热泵在低温工况下的稳定运行。

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