低温空气源热泵在严寒地区的应用

尹泽锋 赵岩 刘学金

摘要：如今，我国以可持续发展为核心，全面实施煤改电策略，倡导利用可再生清洁型能源，助力绿色采暖供热，空气源热泵被广泛应用。其作为可再生能源产品之一，结构较为简单，且具有高效、节能、无污染的综合优势，可以在一定程度上替代煤炭。目前，低温空气源热泵在部分情况下难以发挥应有的作用。为此，本文将对其在严寒地区的应用进行分析和论述，并结合现状提出具体的优化策略，以期为相关人员提供参考。

关键词：低温空气源热泵；应用

低温空气源热泵是当前绿色可持续发展背景下的常用产品之一，应用领域十分广泛，弥补了集中供暖系统管道铺设困难或采用区域供热锅炉房成本高等问题。但在严寒地区，它可能会受外在因素的约束，低温环境中，用户的需热量不断增加，但此时的空气源热泵的能效会随温度降低，导致无法满足用户的采暖需求。

一、低温空气源热泵概述

（一）工作原理

低温空气源热泵主要通过蒸发器、冷凝器、压缩机等完成一系列循环，在空气中收集热源，经压缩机压缩成高温高压气体，运行中可根据区域的实际情况充注适量的工质，在-25℃环境下仍然能正常制热，并达到既定要求。相比普通热泵，低温空气源热泵在寒冷区域的效果突出，通过增加一条连喷射增焓支路加工气体，以喷气增焓压缩机为基础，单台压缩机可实现两级压缩，供需不足时可为压缩机提供补气，整体压缩机回气量更少，在极低的温度下仍能正常制热。高效过冷却器主要为增大焓差，通过完成冷媒预热达到合适的中压，也可以提供给压缩机进行二次压缩，保证工作效率。

（二）技术发展

当前，我国发展速度不断加快，不可再生资源的消耗量也在增多，环保问题日趋加重。为此，针对相关问题出台了政策，对严寒地区的清洁能源取暖进行了明确，通过配合可再生清洁型能源技术与产品，进一步节约能源。低温空气热泵的使用是实现清洁供暖的有效途径之一，能够弥补集中供热系统受限的区域，并在一定程度上减少不可再生能源的消耗，可在严寒地区按照需求完成制热。低温空气源热泵的优势在于节能，具有较高的能效，极少量的消耗就可以得到3～4倍于所耗电能的热能，避免出现能源空消耗的情况。

二、低温空气源热泵在严寒地区的使用分析

本实验所选地区是冬季平均气温在-23～-28℃之间，某高校实验楼主体框架为钢筋混凝土结构，属于非节能型建筑，总面积19047m2，测试房间使用面积共550m2，测试时长共148天。根据开始试验与结束试验的数据得到整个采暖季消耗总电量为28484.8度，下面将以此为例进行分析。

（一）水泵耗电分析

本实验中，热泵采暖系统工作时使用一台水泵，全天24h工作，电量消耗在整个能耗中占有不小的比例。供暖前期使用普通工频水泵，实际运行测试中保持满负荷运行状态，温度达到工作生活标准时停止运行，此时，循环水泵依旧运行，造成循环水泵耗电量过大。为了进一步降低系统工作中的功耗，发现问题后及时更换水泵，通过水泵频率与转速成正比推算低频运行时的实际功率，降频后比原来节省近78%的电耗，省电量为2144.9kWh。

（二）供热过程分析

供热实验初期，室外最高温度达8.4℃，实验测试房间内平均温度可达30.3℃，实验末期室外最低温度为-22.4℃，测试房间内平均温度为26.7℃，机组大部分时间制热量在5kJ/s以下。因供暖效果不足，配合人为操作调节空气源热泵供水温度，使供水温度升高、制热量增大，以改善房间温度。但在此过程中发现，结霜及霜层的阻塞效应使空气流道表面粗糙度增加，风量不断减少，影响空气侧换热和制热效果，但室内温度并没有很快下降，后续应着手消除结霜带来的影响，降低外部因素对机组性能和制热效果的制约。

（三）供热效果分析

供热严寒期，室外最低温度达-26.5℃，最高温度为-5.4℃，系统供回水平均温度为33.9℃，供回水温度升高后可达到室内供暖的需求。且随着室外温度变化，机器温度负荷减少，观察后发现，-20℃左右的大部分时间，机组皆可正常工作，但若出现骤降的情况，则机组制热量衰减会增大，温度降低，制冷循环出现异常。经过对机组部件的检测发现，蒸发温度和压力是主要影响因素，会导致设备吸入制冷剂密度变小，在后续优化与调整中应对此加以关注。

（四）热量能效分析

上述严寒实验地区设备在运行期间相对稳定，低温空气热源泵的热量能效基本保持在平衡状态，室内平均温度能满足18℃的设计参数值，但在室外温度达到-27℃后，会导致室内出现15～17℃之间的波动。严寒时，通过人工控制可以将室内温度升至20℃以上。后续对本次应用进行观察，热泵供回水温差较小，0℃以下空气热泵会出现结霜的情况，-15℃时则会频繁结霜，此时室内温度会存在一定波动，在-27℃后结霜则会对热量能效的转换造成较大影响，导致室内温度无法达到预期要求。在后续优化中应处理结霜问题，保证技术与设备的应用满足需求，为实现高质量发展奠定坚实的基础。

三、低温空气源热泵在严寒地区的弊病

空气能热泵是科学技术发展的产物，是现阶段绿色发展中应用的主要设备之一，通过在室外配置设备，能按需完成任务，是可再生清洁能源的应用典范。低温空气源热泵的组成较多，每一部分都会对实际应用造成影响，为此，需要在实际工作中着重关注冷压缩机、风机、换热器、电控器件等的运行情况。但冬季制热工况下压缩机的制热能效COP值较小，为此，要着手优化结霜的问题，避免能源浪费，以提升冬季的采暖效率。

冬季空气转化会在表冷器表面结霜，此类霜层的热阻非常大，导致热能无法传递到内部，使室内热量出现损失，采暖供热运行费用也随之提高，消耗的电能费用远高于常用的水冷却式空调。若在此条件下持续运行，则燃煤和天然气采暖比低温空气源热泵的成本更低，不符合现阶段绿色可持续发展的需求，为此，后续应对此进行优化，降低消耗量，以契合现阶段清洁能源应用的需求。

四、低温空气源热泵在严寒地区的应用

（一）配合压缩机中间补气技术

压缩机中间补气主要通过设置补气孔口，蒸汽经补气口进入压缩机，通过与补气路制冷剂混合，增加制冷剂流量。根据补气形式的不同合理配置，将其与补气路制冷剂混合。在此过程中，需注意调节补气压力和补气量来改变流量，按需求合理控制COP与进水温度和环境温度，提高补气变化率，扩大补气压力范围，契合空气源热泵的应用。中间补气压力对补气系统的性能可能会造成影响，为了在冷凝器中放热完成循环，应细化分析补气系统和单级热泵的性能，建立变频补气增焓系统，通过增加制冷剂流量提升系统制热量和COP。在环境温度为-10℃时，系统COP仍然可以满足应用，符合室外要求，解决除霜时舒适度下降的问题。

（二）压缩机喷液冷却技术

压缩机喷液冷却技术在当前的低温热源泵优化中较为常见，能有效降低排气温度，通过改变补气口位置应对高压比状态，降低压缩机的容积效率，改造只需增加喷液电磁阀即可完成，最终实现高压比下排气温度的控制。冷凝器出口制冷剂分为两路，环境温度在-20～-25℃的范围内，补气增焓比喷液冷却COP的参数更高，压缩机排气温度高于设定值时，可有效降低排气时的温度，后续通过增大补气孔径显著提升系统性能，有效满足实际需求。

（三）回热循环热泵

回热循环热泵是在系统中增设回热器，通过回收部分热量提高性能，在处理后通过热蒸汽进入压缩机，从而使冷度增大、焓值降低。压缩机吸气口有一定的过热度，增加回热器可使平均性提高5%以上。回热器对压缩系统存在一定的影响，且系统性能的提升更明显。在实际应用中，需要分析回热器空气源热泵的运行参数信息，通过实验发现热循环热泵在环境温度为-26℃、出水温度为45℃的工况下，系统COP可达1.92，性能提升约为15.9%，实现内部热量的回收。

（四）双级压缩热泵

双级压缩热泵将压缩过程分为两个过程，为了能够在-30℃及以下温度环境中运行，需要分析不同参数对双级压缩热泵性能的影响，优化节流后进入中间冷却器完成循环过程。双级压缩变容量系统是未来优化的主要方向之一，制冷剂吸热后会被压缩至中间，提高运行效率应降低吸气过热度，降低高温级压缩机的排气温度，增大换热器面积，可制取65℃及以上温度的热水，降低压缩机的排气温度，低环温高水温工况其更优于其他系统，但该系统的结构复杂，实际工作中的控制难度较大，后续应对高压级压缩机进行相应的调整，使其能够在应用中时刻处于最优状态。

（五）复叠式热泵

蒸发冷凝器是复叠式热泵的重要组成部分，能够将热量传递给高温级制冷剂完成循环，系统性能会随高、低温级变化。若在短时间内存在较大差异，则热泵性能会逐渐减弱，冷凝温度为15℃时为最佳。复叠式热泵在环境温度为-25～25℃范围内可稳定制取70℃的热水，主要通过低温级冷凝器和蒸发器相互配合完成，虽然低温热力性能更强，但会增加系统的复杂程度，且单一工质复叠能源消耗高于单级压缩系统。调查发现，如温度低于-25℃则系统COP会降至1.37，能效偏低，为此，后续要选择增设低温级和高温级两个循环，有效减少除霜时的能量损失，避免在实际应用中出现异常。

（六）耦合式热泵

耦合式热泵主要是将低温空气热源泵与其他清洁能源相结合，通过融合相关设备，降低系统的压缩比和排气温度。如将其与太阳能系统结合，可以为热源加热末端回水，保证空气源热泵具有较低的出水温度，在-35℃及以下温度环境下仍能稳定运行。耦合式热泵是未来发展的主要方式之一，目前使用较多的是与太阳能系统耦合，系统全年综合能效为3.47，通过调节中间水温达到最优中间水温，且始终保持较高的性能系数，节能率达到50%以上，该方式适用于环境温度较低的地区。在低温条件下，这一方式可实现二者优势互补，虽然技术与设备的初始投资较高，但后续节能效果显著，在太阳能充足的严寒地区具有更广阔的前景，可有效提升节能效果。

（七）跨临界CO2热泵

跨临界CO2热泵是空气源热泵发展的新方向，合理应用可有效提升循环热力性能，这一方式多用于直热式热泵热水器，当水温度由40℃升高至50℃时，COP没有明显变化。但受限于CO2压缩机，最优排气压力与环境温度和供回有关，较高的回水温度会降低气体冷却器内的换热效率，且在低温环境下，供回水温差会随之增大，排气压力也会不断升高，需要实时调节最优排气压力，后续配合采用热气旁通除霜，通过加大研究使其更加完善。

五、低温空气源热泵在严寒地区的展望

目前，我国低温空气源热泵技术与设备正不断发展，未来，供暖能耗将随着技术的完善不断降低。针对空气源热泵存在的结霜和化霜问题，可以选用源热泵液态换热技术，与现有技术空气源热泵组合，应用于中央空调夏季制冷空调冷却水系统中，通过防冻液的液膜或防冻液直接与空气换热，也可以采用热水除霜和超声波除霜，这一方式在冬季采暖效果比较理想。冷却塔是清水喷淋装置，可通过改进蒸发器结构，适应煤改电的需求，后续采用憎水性材料减少结霜，保证其应用契合外部环境。

六、结束语

在严寒地区采用中间补气热泵系统时，应加大关注外部因素，考虑室外的综合温度情况，进一步突出技术与设备的环保性能。为此，结合其他供暖形式，发挥气系统的性能，提升供暖系统的能效比，通过多种技术融合提升其在应用中的性能，对技术与设备进行更深入的研究，与能源节约型社会接轨。

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