關(guān)于低溫環(huán)境下空氣源熱泵的探討
能源是人類和社會(huì)生存發(fā)展的重要資源，但是隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，能源需求量不斷增大，由此導(dǎo)致的能源消耗和環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為人類不可推卸的責(zé)任。
空氣源熱泵是一種以逆卡諾循環(huán)為工作原理，把豐富的空氣作為低溫?zé)嵩�，通過電能的驅(qū)動(dòng)，將空氣中大量的低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)變?yōu)楦邷責(zé)崮艿难b置。近些年來，空氣源熱泵技術(shù)以其高效節(jié)能、安裝方便、環(huán)保無污染的特點(diǎn)，有效的解決了在冬季我國北方以燃煤為供暖模式所帶來的負(fù)面影響，緩解了我國資源緊張的局面，成為熱泵技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一種。但是，在室外溫度較低的情況下，空氣源熱泵系統(tǒng)并不能高效安全的運(yùn)行，成為了空氣源熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)應(yīng)用的制約因素。
本文對空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了簡單介紹，指出在寒冷地區(qū)空氣源熱泵系統(tǒng)容易出現(xiàn)的問題，綜合國內(nèi)外專家學(xué)者的研究成果，對不同的改善措施進(jìn)行分析，希望能對空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展起到積極作用。
1 空氣源熱泵系統(tǒng)
熱泵是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置，也是全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)。它不同于人們所熟悉的可以提高位能的機(jī)械設(shè)備—“ 泵”，熱泵通常是先從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經(jīng)過電力做功，然后再向人們提供可被利用的高品位熱能�？諝庠礋岜�[2]作為熱泵技術(shù)的一種，有“ 大自然能量的搬運(yùn)工” 的美譽(yù)，利用蒸汽壓縮制冷循環(huán)工作原理，以無處不在的空氣中的能量作為主要?jiǎng)恿Γㄟ^少量電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，滿足用戶對生活熱水、地暖或空調(diào)等需求�？諝庠礋岜孟到y(tǒng)不需要復(fù)雜的配置、昂貴的取水、回灌或者土壤換熱系統(tǒng)和專用機(jī)房，它能夠逐步減少傳統(tǒng)采暖方式給大氣環(huán)境帶來的大量污染物排放，保證采暖功效的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的[3]。
空氣源熱泵系統(tǒng)通常由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥4 部分構(gòu)成，通過讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā)→ 壓縮→ 冷凝→節(jié)流→ 再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移.
在制熱時(shí)，液態(tài)制冷劑在空氣換熱器中汽化，吸收空氣中的熱量，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏簹怏w送至水換熱器。由于制冷劑的溫度高于水的溫度。制冷劑從氣態(tài)冷卻為液態(tài)，液體制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流后，在壓力作用下進(jìn)入空氣換熱器，低壓氣體制冷劑再次汽化，完成一次循環(huán)。在這個(gè)循環(huán)中，隨著制冷劑狀態(tài)的變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了熱量從空氣側(cè)向水側(cè)的轉(zhuǎn)移。在制冷時(shí)，液態(tài)制冷劑在水換熱器中汽化，使水溫降低。低溫低壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，進(jìn)入空氣換熱器，由于制冷劑溫度高于空氣溫度，制冷劑向空氣傳熱，制冷劑經(jīng)氣體冷凝為高壓液體，高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入水換熱器，低壓液體制冷劑再次汽化，完成一個(gè)循環(huán)。在這個(gè)循環(huán)過程中，隨著制冷劑狀態(tài)的變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了熱量從水側(cè)向空氣側(cè)的轉(zhuǎn)移。
2 空氣源熱泵北擴(kuò)的制約因素
空氣源熱泵系統(tǒng)在環(huán)境溫度相對較高時(shí)，運(yùn)行性能良好，但是室外溫度較低的情況下，空氣源熱泵系統(tǒng)不但無法滿足負(fù)荷的需求，而且系統(tǒng)自身也無法保證安全穩(wěn)定的運(yùn)行，這一直制約著空氣源熱泵的發(fā)展和推廣應(yīng)用。在較低的室外溫度情況下，空氣源熱泵系統(tǒng)容易出現(xiàn)以下問題[4-7]：
（1）在室外環(huán)境溫度較低的情況下，當(dāng)換熱器溫度低于環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，整個(gè)換熱器上散熱片表面會(huì)產(chǎn)生凝露水，當(dāng)環(huán)境空氣溫度低于0℃，凝露水就會(huì)凝結(jié)成薄霜，蒸發(fā)器表面會(huì)有結(jié)霜，當(dāng)蒸發(fā)器表面的霜層達(dá)到一定的厚度時(shí)，會(huì)增加換熱器的傳熱熱阻，導(dǎo)致機(jī)組換熱能力下降，同時(shí)由于霜層的增厚，翅片間通道會(huì)被堵塞，導(dǎo)致空氣流動(dòng)阻力變大，空氣流量減少，空氣側(cè)換熱量下降，系統(tǒng)的供熱量明顯降低。為此，當(dāng)換熱器表面的霜層增加到一定厚度時(shí)必須進(jìn)行除霜，但若除霜時(shí)間過短，也會(huì)導(dǎo)致未融化的霜層和水珠進(jìn)一步凍結(jié)成更加難以融化的冰塊，使得換熱器的換熱急劇惡化，影響系統(tǒng)的正常工作。
（2）當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時(shí)，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度降低，在冷凝溫度不變的情況下，壓縮比增大，隨著壓縮機(jī)壓縮比的不斷增大，壓縮機(jī)的排氣溫度迅速升高，超過壓縮機(jī)正常的工作范圍，致使壓縮機(jī)頻繁啟停，使機(jī)組無法正常運(yùn)行或運(yùn)行可靠性降低，長期運(yùn)行必然會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞壓縮機(jī)。同時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度過高，使?jié)櫥偷恼扯燃眲∠陆�，影響壓縮機(jī)的潤滑效果。
（3）隨著室外環(huán)境溫度的降低，制冷劑吸氣比容增大，使得機(jī)組吸氣量隨著室外溫度的降低而迅速下降，機(jī)組的制熱量也就相應(yīng)按比例下降，不能滿足室內(nèi)最大采暖熱負(fù)荷。同時(shí)，隨著室外環(huán)境溫度的降低，制冷劑質(zhì)量流量下降，導(dǎo)致供熱量急劇減少。
3 空氣源熱泵的改善措施
針對空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下出現(xiàn)的問題，國內(nèi)外專家學(xué)者提出不同的改進(jìn)措施，主要包括以下方面：
3.1 除霜技術(shù)
空氣源熱泵系統(tǒng)在在室外環(huán)境溫度較低的情況下運(yùn)行，蒸發(fā)器表面容易結(jié)霜這一現(xiàn)象，不僅影響了機(jī)組的制熱能力，也會(huì)嚴(yán)重縮短機(jī)組的使用壽命。面對這一難題，國內(nèi)外專家學(xué)者提出不同的改進(jìn)方案，主要包括：電熱除霜、逆循環(huán)除霜、熱氣旁通和蓄熱除霜等幾種方式。
電加熱除霜是最簡單的一種除霜方式，它的思路是在蒸發(fā)器上安裝適當(dāng)功率的電阻，當(dāng)蒸發(fā)器上積霜嚴(yán)重時(shí)，開啟電氣開關(guān)，電熱絲通電發(fā)熱融霜。電加熱除霜技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、除霜完全、實(shí)現(xiàn)控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，在小型裝置上廣泛采用，但缺點(diǎn)是耗電量大，不宜在大型裝置上采用。
逆循環(huán)除霜技術(shù)是利用熱泵雙向制冷制熱的原理，通過四通換向閥，改變制冷劑的流向，讓機(jī)組由制熱運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為制冷運(yùn)行狀態(tài)，這樣熱泵從室內(nèi)吸熱排到室外換熱器中進(jìn)行融霜。逆循環(huán)除霜技術(shù)不需要附加任何設(shè)備，只需要在需要除霜時(shí)開啟四通換向閥即可。但是此種除霜方式，會(huì)影響到空氣源熱泵熱水器的供水，即在除霜期間，無法為用戶提供有效水溫的熱水，導(dǎo)致室內(nèi)溫度下降。同時(shí)，四通閥頻繁換向會(huì)影響其可靠性及壽命[8]。另外，熱泵系統(tǒng)除霜的準(zhǔn)確性差，需要除霜與實(shí)際除霜不合拍，誤除霜現(xiàn)象嚴(yán)重[10]。
熱氣旁通除霜技術(shù)是通過旁通回路，將壓縮機(jī)的高溫排氣直接引入室外換熱器進(jìn)行除霜。有人通過研究分析，表明旁通管的流量占總流量的20% 時(shí)系統(tǒng)的性能最好，與一般系統(tǒng)相比，熱氣旁通方式系統(tǒng)的平均COP 和制熱量分別增加8.5%和5.7%。但是，熱氣旁通除霜的能量主要來自壓縮機(jī)的輸入功，而且制冷劑流過分液器和分液毛細(xì)管的能量損失較大，除霜時(shí)間較長。
蓄熱除霜以相變材料作為蓄熱材料，在空氣源熱泵系統(tǒng)正常制熱時(shí)蓄熱，除霜時(shí)相變蓄熱器作為主要低溫?zé)嵩�。�?/span>人通過設(shè)計(jì)搭建空氣源熱泵蓄能除霜試驗(yàn)臺(tái)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表明在除霜時(shí)，相變蓄能除霜系統(tǒng)的壓縮機(jī)吸氣壓力比傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)提高了約0.3MPa，有效提高了除霜速度。有人針對空氣源熱泵除霜問題，分別對逆循環(huán)除霜系統(tǒng)、熱氣旁通除霜系統(tǒng)和相變蓄能除霜系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相變蓄能系統(tǒng)除霜時(shí)的壓縮機(jī)排氣溫度比另外兩種系統(tǒng)高，使得冷凝溫度升高，更有利于縮短除霜時(shí)間，且室內(nèi)溫度相對穩(wěn)定，系統(tǒng)能耗也隨之減少。
3.2 復(fù)疊式系統(tǒng)
空氣源復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)，是指用水循環(huán)管路將兩套單級熱泵耦合起來，組成一套適合于寒冷地區(qū)應(yīng)用的雙級熱泵供暖系統(tǒng)。兩個(gè)單級熱泵系統(tǒng)采用不同的制冷劑，根據(jù)各級壓縮機(jī)運(yùn)行壓比及工況條件進(jìn)行選擇。復(fù)疊式系統(tǒng)能夠有效解決壓縮比過大、排氣溫度過高、系統(tǒng)COP 值低等問題。即使是在極低的環(huán)境溫度下，復(fù)疊式系統(tǒng)仍有較高的性能系數(shù)[14]。
有人設(shè)計(jì)和研制了單雙級復(fù)疊式空氣源熱泵機(jī)組試驗(yàn)樣機(jī)，在不同室外低溫環(huán)境工況下，對系統(tǒng)進(jìn)行了低溫適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：在室外環(huán)境溫度低于0℃ 時(shí)，采用雙級復(fù)疊式熱泵制熱模式，其運(yùn)行的制熱能效比和運(yùn)行的可靠性均明顯高于單級熱泵供暖系統(tǒng)，大大提高了空氣源熱泵的低溫適應(yīng)能力。
有人針對空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在低溫環(huán)境下機(jī)組難以啟動(dòng)、室內(nèi)供暖效果差且能量損失大等問題，將相變蓄能裝置引入到熱泵系統(tǒng)中，提出了空氣源復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)。通過分析低溫環(huán)境下系統(tǒng)的工作特性，得出空氣源復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)適合我國目前同時(shí)需要供熱和供冷的建筑小區(qū)，無論初投資、運(yùn)行費(fèi)用還是節(jié)能環(huán)保都優(yōu)于目前所應(yīng)用的傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)，同時(shí)有利于提高人居生活質(zhì)量，滿足室內(nèi)的舒適度要求。空氣源復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、一機(jī)多用、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。
3.3 雙級壓縮系統(tǒng)
雙級壓縮熱泵系統(tǒng)通過中間壓力補(bǔ)氣方式來提高系統(tǒng)低溫下的性能。系統(tǒng)低壓級壓縮機(jī)先把來自蒸發(fā)器的低溫低壓制冷劑蒸氣壓縮到一定中間壓力，此時(shí)中間壓力制冷劑與一級節(jié)流制冷劑混合進(jìn)入系統(tǒng)高壓級壓縮機(jī)，最終被壓縮至冷凝壓力。雙級壓縮熱泵系統(tǒng)有效地解決了壓縮比過大、排氣溫度過高、系統(tǒng)COP 值低等問題。
田長青、石文星[17]等人將雙級壓縮和變頻技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提出一種適用于寒冷地區(qū)雙級壓縮變頻空氣源熱泵系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)性能進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究，表明在冷凝溫度50℃ 和蒸發(fā)溫度-25℃工況下，系統(tǒng)制熱性能系數(shù)高于2.0，高壓級壓縮機(jī)排氣溫度低于120℃，制熱量可以滿足用戶要求；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以在-18℃ 以上的室外低溫環(huán)境中不用輔助熱源即可滿足寒冷地區(qū)冬季供暖需要。
王偉、金蘇敏等人[18]將兩級節(jié)流中間不完全冷卻雙級壓縮循環(huán)應(yīng)用于空氣源熱泵熱水器以適應(yīng)低溫工況，選用R134a作為工質(zhì)，在蒸發(fā)溫度-30℃，冷凝溫度60℃ 的低溫工況下運(yùn)行。試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表明，該系統(tǒng)排氣溫度及各壓縮機(jī)壓縮比均優(yōu)于普通單級循環(huán)系統(tǒng)，性能系數(shù)較高，系統(tǒng)具備一定的低溫適應(yīng)性。
3.4 輔助加熱器系統(tǒng)
通過采用輔助加熱器來提高機(jī)組的蒸發(fā)溫度，解決由于蒸發(fā)溫度過低和外壓縮比過大而造成的系統(tǒng)制冷劑循環(huán)量不足以及欠壓縮問題，從而改善機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境。
總結(jié)了日本學(xué)者Katsuji Yamagami 提出的利用燃油、燃?xì)馊紵鬏o助加熱的方法解決低溫工況下制熱性能差問題的系統(tǒng)。但是這一系統(tǒng)型式較為復(fù)雜，需要增設(shè)燃油系統(tǒng)，也存在一定的安全隱患，同時(shí)系統(tǒng)冬季運(yùn)行燃燒器投運(yùn)時(shí)，系統(tǒng)獲取的是有代價(jià)的熱源，且燃料釋放的熱量不能充分利用，阻礙了該系統(tǒng)的發(fā)展前景。
有人通過搭建太陽能輔助空氣源熱泵試驗(yàn)臺(tái)，對空氣源熱泵系統(tǒng)和太陽輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的制冷劑進(jìn)出口溫度、室內(nèi)溫度等參數(shù)進(jìn)行了測試，分析得出太陽能輔助熱泵系統(tǒng)與單一空氣源熱泵系統(tǒng)相比，能夠使室內(nèi)溫度提升4℃，COP 提升1.3。
3.5 新型工質(zhì)的替代
由于R22 具有對臭氧層的破壞作用及溫室效應(yīng)，以及現(xiàn)在環(huán)境的極度惡劣和能源的高度緊缺，使全世界空調(diào)和熱泵行業(yè)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，尋找新型環(huán)保制冷劑替代傳統(tǒng)的制冷劑已經(jīng)成為暖通學(xué)者的研究重點(diǎn)之一。
有人提出用一種新的混合工質(zhì)R417a 作為熱泵系統(tǒng)R22 的替代制冷劑，并對新混合工質(zhì)R417a 進(jìn)行了理論制冷循環(huán)分析和灌注式替代R22 的循環(huán)性能對比試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混合工質(zhì)R417a 的制熱量稍低于R22，但性能系數(shù)COP、壓縮機(jī)排氣溫度和功耗等循環(huán)性能指標(biāo)均優(yōu)于R22，因此可以作為R22 的替代制冷劑。
設(shè)計(jì)并搭建了一套帶噴射器的跨臨界CO2熱泵熱水器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析了制熱系數(shù)、制熱量等參數(shù)的變化趨勢。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：隨著冷卻水體積流量減小或進(jìn)口溫度增加，噴射系數(shù)增加，升壓比也增加，而噴射器效率卻降低；帶噴射器的跨臨界CO2 熱泵熱水器循環(huán)的壓縮機(jī)壓比與傳統(tǒng)循環(huán)相比減少了12%~14%，噴射器的引入有效地提高了跨臨界CO2 熱泵熱水器循環(huán)的效率。
4 結(jié) 語
在世界能源緊缺、環(huán)境污染嚴(yán)重的情況下，空氣源熱泵作為一種高效節(jié)能、可再生能源利用的裝置，受到越來越多的關(guān)注。但在實(shí)際推廣過程中，較低的室外環(huán)境溫度影響了系統(tǒng)的可靠性和制熱性能，制約了空氣源熱泵的推廣應(yīng)用。
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