寒冷地区空气源热泵采暖技术进展

卫超朋 邹同华

摘 要：【目的】随着我国碳中和、碳达峰目标的提出，空气源热泵采暖技术受到越来越多的青睐，但想要真正利用好空气源热泵系统，就要解决低温下空气源热泵效率低、工作不稳定等问题。【方法】本研究通过对比分析，以提高低温下空气源热泵能效为目的，从提高压缩机本身的性能、采用与其他热源相结合的多源耦合热泵系统、采用各种新型抑霜除霜方式和一些低温制冷剂等方面，进行全面总结和分析。【结果】目前，为提高低温下空气源热泵能效而总结出的研究方法有很多，但仍有问题需要解决。【结论】对低温下空气源热泵发展现状和存在问题进行全面分析，对比分析结果，对提高寒冷地区空气源热泵能效的深入研究具有参考价值。

关键词：空气源热泵；低温；能效

中图分类号：TK11                       文献标志码： A              文章编号：1003-5168（2023）06-0039-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.007

Research Progress of Air Source Heat Pump Heating Technology

in Cold Regions

WEI Chaopeng   ZOU Tonghua

（Tianjin Key Lab of Refrigeration，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

Abstract： [Purposes] With the goal of carbon neutralization and carbon peak in China， air source heat pump heating technology is more and more popular. However， in order to make good use of air source heat pump system， it is necessary to solve the problems of low efficiency and unstable operation of air source heat pump at low temperature. [Methods] Through comparative analysis， in order to improve the energy efficiency of air source heat pump at low temperature， this study comprehensively summarizes and analyzes the date from the aspects of improving the performance of compressor itself， multi-source coupled heat pump system combined with other heat sources and adopting various new anti-frost and defrosting methods and some low-temperature refrigerants. [Findings] At present， there are many research methods to improve the energy efficiency of air source heat pump at low temperature， but there are still problems to be solved. [Conclusions] The development status and existing problems of air source heat pump at low temperature are comprehensively analyzed. The comparative analysis results have reference value for further research on improving the energy efficiency of air source heat pump in cold regions.

Keywords： air source heat pump; low temperature; efficiency

1 空氣源热泵概述

空气源热泵是一种能从空气中提取低品位热能，并在电力做功的条件下，将低品位热能转化成高品位热能的装置。采用空气源热泵装置来供暖制冷，既能降低生产成本，又能做到无污染。在该装置运行过程中，蒸发器吸收空气中的能量传递给制冷剂，经过压缩机做功后变成高温高压气体，在冷凝器侧释放热量给用户侧。蒋爽等［1］选择在室外环境温度偏低时对空气源热泵机组系统的运行能耗进行研究，研究结果表明，与其他热源的一次能耗相比，空气源热泵的一次能耗较低。鲍玲玲等［2］对低温空气源热泵系统在不同运行控制策略下的经济性和供热特性进行分析，对比6种典型供热方式的节能性，结果表明，低温空气源热泵是一种高效的供热方式。

在需求牵引和政策支持的共同推动下，热泵技术在我国的应用范围不断扩大，而双碳目标的制定更为其注入了强劲的发展动力，但当前产业技术及政策仍存在一些掣肘和障碍［3-4］。研究空气源热泵时要特别注意结除霜和供暖问题，以及寒冷地区空气源热泵的供热性能和COP优化。新材料、大数据、AI与空气源热泵融合成为发展方向。从经济角度、环保角度、政策角度来看，空气源热泵系统的发展将会越来越受重视。

2 低温空气源热泵系统研究现状

2.1 低温空气源热泵系统的种类

为了提高低温环境下空气源热泵的运行性能和稳定性，科研人员进行了大量研究，在传统热泵系统的基础上进行改进，提出不同形式的低温空气源热泵系统。目前，主要研究的有准二级压缩热泵系统［5］（包括闪蒸器热泵系统、过冷器热泵系统）如图1所示，复叠式压缩热泵系统，如图2所示，以及双级压缩热泵系统，如图3所示。不同热泵系统的对比情况详见表1。

周光辉等［6］通过搭建低压补气型空气源热泵实验平台，经试验证明在低压补气模式下，相对于不补气的模式，补气模式的制热量提升12.6%～33.0%。薛杰等［7］对带闪发器补气系统的准二级压缩空气源热泵的性能进行研究，研究表明，当环境温度高于-3 ℃时，传统的空气源热泵系统制热COP要高于闪发器中间补气系统；当环境温度低于-3 ℃时，传统的空气源热泵系统制热COP要低于闪发器中间补气系统。田长青等［8］将双级压缩和变频技术进行融合，提出一种适用于寒冷地区的双级压缩变频空气源热泵系统。

2.2 低温空气源热泵系统的抑霜除霜方式

低溫空气源热泵面临的较大问题是结霜问题，如何能有效减少结霜，并对已结的霜进行去除，是目前研究的重点。研究人员提出多种抑霜除霜的改进方式，详见表2［9-12］。Choi等［13］在传统热气旁通系统的基础上，将压缩机的排气口和蒸发器的出口连在一起，在不停止供热的前提下可实现高效除霜。刘宗江等［14］提出在空气源热泵机组系统上安装辅助加热装置，使用渗透型空气集热器来吸收太阳辐射热，用于加热空气源热泵机组系统蒸发器侧的空气温度，使空气源的热源温度升高，减少结霜，从而提高空气源热泵系统的制热性能。曹小林等［15］采用电子膨胀阀有利于缩短除霜时间和机组快速恢复供热模式。

通过改进热泵系统的组成和抑霜除霜方式，在一定程度上对有效解决空气源热泵低温下的适应性问题提供切实可行的思路，但目前这些方法还存在一定的局限性，在经济性、安全性、舒适性、操作性等方面还有着很大的拓展空间。对空气源热泵系统构想新的设计或对其组成部件细节之处进行改进，都有可能使整个空气源热泵系统的性能得到提升。

3 适合低温空气源热泵的制冷剂研究

目前，空气源热泵热水器系统常用的制冷剂有R22、R410A、R407C、R134a，其性质详见表3。这些制冷剂的GWP较高，从未来低碳发展来看，还要找到这些制冷剂的替代品。彭斌等［16］使用混合制冷剂R290/R1234ze来代替R22制冷剂，理论证明是可行的，较其他制冷剂更具发展潜力。霍二光等［17］对使用R1234ze与R152a混合制冷剂来代替R22制冷剂的可行性进行研究，发现用R1234ze和R152a组成混合制冷剂NCUR01来替代R22制冷剂在技术上是完全可行的。在一定程度上对低温下空气源热泵制冷工质的选取也要从安全、能效等方面进行考虑，从而提升低温下空气源热泵的性能。张耘等［18］在对低温热泵系统性能研究中采用R290来替代R22，研究表明，在低温热泵系统中使用R290来替代R22，具有效率高、安全性好，且改动成本低的特点，具有较好的应用前景。

4 低温空气源热泵与其他能源相结合

为了进一步提高低温环境中空气源热泵的性能，还可采用空气源热泵与其他能源相结合的方法。目前，较常见的是空气源热泵与太阳能的结合。20世纪50年代初，Jordan等［19］首次提出太阳能与热泵相结合的供暖系统，并提出将其用于对用户进行供暖，能有效降低运行过程中的电量花费，提高集热器和系统的供暖性能，这是较早提出太阳能与热泵相结合的运营方式，开启了太阳能与热泵结合的新模式。之后又发展出太阳能与空气源热泵串联系统、太阳能热泵并联系统、直接膨胀式太阳能热泵系统、多热源式太阳能热泵系统。这四种系统如图4至图7所示。这些热泵系统是目前最常用的四种形式。这四种形式的太阳能与热泵相结合的利用方式为后来其他类型的太阳能与热泵相结合的方式提供基础，在此基础上对理论进行深入的研究，以及实际工程应用方面的研究，使太阳能与空气源热泵相结合的效能越来越高。

以太阳能与空气源热泵相结合的四种形式为基础，Long等［20］提出一种可实现太阳能与空气源热泵并联供暖模式和串联供暖模式自动切换的混合供暖系统。Aktas等［21］提出一种新型的太阳能辅助热泵系统，将太阳能的余量储存在热能储存单元中，从而保证其在阴天环境中也能持续有效地运行。Ma等［22］提出使用太阳能/空气辅助热泵，能有效解决单独空气源热泵在冬季供暖出现的结霜问题。Liang等［23］通过建立空气源热泵与太阳能的耦合供暖系统，对热负荷为10 kW的建筑进行采暖，并建立数学模型，探究太阳能集热器对该系统的影响，研究结果表明，太阳能与空气源热泵耦合供暖系统的制热性能系数COP随集热器面积的增加而增强。李珍［24］通过对太阳能与空气源热泵不同耦合方式的运行特性进行研究，发现太阳能与蒸发器的并联模式在低环温和低辐射条件下更具优势，太阳能与冷凝器的并联模式在高环温和强辐射条件下更具优势，而太阳能中温增焓模式在中等环境温度和中等辐射强度下更具优势。

太阳能与空气源热泵相结合的形式应用广泛，科研人员通过改进储能方式、系统材料、尺度、控制策略、不同优化匹配材料进行试验，总结出太阳能与空气源热泵相结合在不同情况下的能效。通过对不同地区、不同气候条件下太阳能与热泵系统的各种耦合方式进行模拟，不断优化太阳能空气源热泵系统相结合的形式。

5 结语

空气源热泵系统已广泛应用于北方采暖领域。随着低碳环保的理念深入人心，以及我国碳中和、碳达峰目标的提出，空气源热泵采暖技术一定会受到越来越多的青睐，但想要真正利用好空气源热泵系统，必须要解决低温下空气源热泵遇到的效率低和工作不稳定等问题。本研究从空气源热泵系统、抑霜除霜、制冷剂、热泵与太阳能相结合等方面，介绍空气源热泵的相关研究现状，通过分析这些研究成果，在一定程度上为解决寒冷地区低温下空气源热泵遇到的问题提供思路，但对严寒地区低温下空气源热泵的研究和应用还有待于进一步探索，以期解决我国北方严寒地区冬季极端天气下的采暖问题。

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