低溫環境下空氣源熱泵的研究現狀及展望

  空氣源熱泵作為一種以空氣為低溫熱源，通過少量高位電能驅動，將空氣中的低位熱能提升成高位熱能加以利用的裝置。具有高效節能，環保無污染等特點。此外，空氣源熱泵熱水器作為空氣源熱泵的一種新興產品，被認為是減少CO2排放和降低對化石燃料依賴程度最具有發展潛力的環保產品。

 

  空氣源熱泵在環境溫度相對較高時，運行性能良好，但是在室外環境較低情況下，熱泵系統并不能高效、可靠、穩定的運行。這一直制約著空氣源熱泵的發展和推廣應用。究其原因主要有:

 

  1) 當室外環境溫度較低時，系統的蒸發溫度降低，冷凝溫度不變的情況下，壓縮比增大，超出普通單級壓縮系統正常運行的臨界值，且壓縮比的增大引起排氣溫度過高，超過壓縮機正常的工作范圍，致使壓縮機頻繁啟停，系統無法正常工作，嚴重時可導致壓縮機燒毀。

 

  2) 低溫環境下，壓縮機吸氣比體積增大，輸氣系數減小，此外，蒸發器表面容易結霜，換熱器傳熱效果惡化，且增加了空氣流動阻力，使得機組制熱量減少，性能下降。

 

  3) 低溫工況下，大量的潤滑油積存在氣液分離器內而造成壓縮機的缺油，同時由于粘度增加，引起啟動失油，降低潤滑效果。

 

  1 國內外學者研究現狀

 

  針對空氣源熱泵在低溫環境出現的弊端，眾多學者對其進行了大量的研究，使得機組的穩定性、制熱性能和COP 等都有了很大的提高。主要包括以下幾個方面:

 

  1. 1 補氣增焓熱泵系統

 

  補氣增焓技術能夠較好地改善低溫環境下壓縮制冷循環的效率，降低壓縮機排氣溫度，提高制冷設備的效率以達到節省能源的目的。

 

  申江等通過實驗在－ 10℃ ～ － 15℃的低溫環境中發現，該系統仍然具有較高的制熱能力和供暖溫度，能夠滿足寒冷地區冬季的采暖要求，但隨著環境溫度的升高，補氣改善性能系數的效果變差。Ma 等［3］研究發現，帶閃發器的熱泵系統能夠滿足寒冷地區惡劣氣候的供熱要求。與帶過冷器的系統相比，在低溫環境下，帶閃發器的系統供熱效率更高。但是，該系統較適合于小型空氣源熱泵系統。楊麗［4］從壓縮機補氣口位置、經濟器傳熱溫差、冷凝器出口過冷度和工質類型對機組性能的影響。但所研究的噴液及補氣影響多集中于壓縮機本身，而且所研究的噴液基本是在吸氣結束后直接噴入壓縮腔。這樣，就需要采用有補氣孔口的專用壓縮機，提高系統的成本。費繼友［5］認為，在低環境溫度下，吸氣噴液可更有效地降低壓縮機的排氣溫度，但噴液對低環境溫度下的壓縮機高壓縮比惡劣運行工況沒有改善。同時吸氣噴液降低了系統的制熱量和能效比，造成熱泵機組功耗上升，隨著環境溫度的提高，吸氣噴液對制冷量、功耗及能效比的影響增大。

 

  綜上所述，采用噴液冷卻的壓縮機、引入輔助換熱器和性能優良混合工質對單級壓縮空氣源熱泵系統的低溫適應性有了一定的提高，但仍然無法從根本上解決壓縮比大和排氣溫度高的問題，系統的可靠性也沒有得到本質提高，對于補氣增焓技術有待于進一步的研究。

 

  Fig． 1 Schematic diagram of heat pump system witheconomizer of increasing enthalpy by supplying gas1. 2 雙級壓縮熱泵循環系統雙級壓縮式熱泵循環系統通過中間壓力補氣方式來提高系統低溫下的性能，同時可以有效的降低排氣溫度過高，壓比過大等帶來的一系列可靠性問題。

 

  王偉以Ｒ134a 為工質，在蒸發溫度為－ 30℃，冷凝溫度為60℃下，通過計算得出: 兩級節流中間不完全冷卻雙級壓縮循環系統的排氣溫度及壓縮比均優于普通單級熱泵循環系統，且性能系數較高，但是，作者只是從理論角度進行分析，并未進行實驗驗證。

 

  謝英等對雙級壓縮、利用噴射器代替節流閥的CO2跨臨界雙級壓縮和噴射制冷循環深入分析后，得出在給定條件下雙級壓縮/噴射循環的性能系數具有明顯優勢。但是沒有考慮壓縮機絕熱效率對其系統的影響。田長青等把變頻技術和雙級壓縮技術有效結合，提出了雙級壓縮變頻空氣源熱泵系統。但是缺少對于低高壓級壓縮機合理的輸氣量之比，中壓力對系統動態性能影響。對此，金旭基于質量與能量守恒方程，以轉子壓縮機幾何模型為基礎，建立反映中間壓力形成過程的變容量雙級壓縮系統壓縮機動態耦合模型，分析了中間壓力隨時間的變化及其變工況特性。盛健從供暖角度出發，以理論和實驗相結合，分析中間壓力和高低壓級質量流量比與COP 的關系。但是該實驗依靠手動調節熱力膨脹閥來調節中間壓力，難以精確調節到其理論設定的中間壓力值。此外，對熱泵熱水器而言，其研究也有一定的局限性，因為熱泵熱水器冷凝側所處的是一個動態環境，其蒸發壓力、冷凝壓力和加熱功率隨著熱水溫度的升高而升高，箱內熱水溫度分布對空氣源熱泵熱水器的制熱系數有很大影響。馬最良等［11］利用中間水環路將兩套單級熱泵系統進行耦合來提高空氣源熱泵的低溫適應性，提出單、雙級耦合熱泵系統( 如圖2) 。通過低溫空氣/水熱泵從大氣中吸取熱量，提供10 ～ 20℃的低溫熱水并作為高溫級水源熱泵的低位熱源制備高溫熱水向建筑物供暖的，但中間水環路增加了系統的傳熱溫差，且系統結構復雜，不適合用作小型裝置。此外，蘭江華發現雙級壓縮空氣源熱泵熱水器存在啟動異常故障現象，主要原因由工作環境和注油量造成，但是作者只對該現象進行分析描述，并未給出解決方案。Zehnder對雙級壓縮系統油平衡、油遷移及其油分布規律進行了研究，指出系統連續制熱1 ～ 2h，高壓機油位低于正常油位底線，運行工況惡化。該作者提出一種回油方案，但此方案過于復雜，需要在壓縮機回油口設置電磁閥和油位傳感器以及在系統低壓側增加油泵。

 

  對于雙級壓縮而言，仍存在許多急需解決的問題: 如注油量，油平衡及油遷移，系統的控制策略，變頻壓縮低高壓級的合理的輸氣量比，最佳中間壓力的變化等問題。

 

  1. 3 復疊式空氣源熱泵系統

 

  復疊式循環是將一種中、高溫制冷劑與一種低溫制冷劑相結合，以滿足系統在溫跨較大時，能效比低、單臺壓縮機的壓縮比大等要求，其最大的優點是兩種工質均在最佳的溫度范圍內工作。

 

  目前，對于復疊式循環的研究，主要停留在利用熱力學理論循環方法，以制冷效率為目標，選取最佳中間冷凝溫度和其他相關設計參數［14-16］，對于制熱方面的研究仍處于實驗階段，尚缺乏基礎理論性以及指導方向性的研究。而復疊式制冷與復疊式熱泵相比，兩者差別較大。如工質方面，低溫工質已經相當成熟普遍，而高溫工質的研究還處于較初級的階段，這是制約復疊式高溫熱泵發展的一個瓶頸; 針對這一缺陷，H． M． Getu 等［17］ 以Ｒ744 為低溫級制冷劑，Ｒ717、Ｒ1270 和Ｒ404A 分別為高溫級制冷劑復疊式系統做了研究，同時，利用多元線性回歸方式得出COP 與蒸發溫度，過冷過熱度等之間的數學表達式，以及在最佳蒸發溫度下，Ｒ717 與Ｒ744 的最佳質量流量比。A． Kilicarslan 等［18］利用熱力學第一，第二定律，分析了不同工質耦合下系統COP 和不可逆性隨蒸發溫度，冷凝溫度，復疊溫差和壓縮機多變效率的變化規律。但是，該學者只是從熱力學理論循環出發，定性分析了對系統的性能影響，并未從實驗角度進行驗證。Bertsch［19］對帶中間冷卻器的兩級壓縮、帶經濟器的兩級壓縮和復疊式熱泵研究表明，0℃為三種系統性能的分界點，在0℃以下，帶中間冷卻器的兩級壓縮循環COP 最低，復疊式循環略優于帶經濟器的兩級壓縮循環。而在0℃以上，兩種兩級壓縮循環效率基本相同，COP 均高于復疊式循環。但是，該學者是以Ｒ410A 為工質，對于單級，復疊式系統的溫度切換點具有一定的局限性，同時在優化控制方面也并未進行實驗研究。再如潤滑油問題，除了考慮潤滑油與工質的相容性之外，復疊式制冷更多考慮的是潤滑油低溫凝固的問題，而復疊式熱泵更多需要考慮的是潤滑油的高溫分解問題。

 

  在熱泵方面，陳光明等［21］提出一種新型空氣源熱泵裝置，該裝置既可按傳統單級空氣源熱泵方式運行，又可按復疊循環方式運行。但該學者只是提出優化方案措施，并沒有對其產生的效果進行實驗驗證。對熱泵熱水器而言，由于水箱里的水存在較明顯的分層現象，導致冷凝換熱欠佳。為解決此問題，Wu，J． 等［22］在復疊式熱泵熱水器系統中加入相變材料，以熱力學理論為基礎，通過理論與實驗相結合，對系統有無相變材料兩種情況下的動態性能進行了研究，并給出不同蒸發溫度下復疊式系統與單級系統的切換條件。此外，隨著蒸發溫度的降低，高溫部分和低溫部分壓縮機耗功之間的比值不斷提高，而并非定值。對于傳統復疊循環系統而言，一般以低溫級達到最低溫度來匹配兩臺壓縮機。這樣，當低溫蒸發溫度高于設計最低溫度運行時，低溫級壓縮機功率相對偏小，高溫級壓縮機功率偏大，中間溫度會發生偏移，中間溫度的偏移會導致低溫級達不到該蒸發溫度的最佳性能系數［20］。變容量壓縮機有助于低高壓級匹配，使中間溫度在變工況下始終處于最佳值，此方面已成功運用于單雙級壓縮系統，但對具有變容量特性的復疊式系統及高低壓壓縮機動態耦合過程優化鮮有報道。

 

  1. 4 空氣源熱泵的除霜技術

 

  空氣源熱泵系統在低溫工況下運行時，蒸發器表面霜的形成導致換熱器傳熱效果惡化，且增加了空氣流動阻力，使得機組制熱能力下降，嚴重時機組會停止運行，因此，提高蒸發側的除霜和延緩結霜技術是提高空氣源熱泵在低溫環境下制熱性能和系統穩定性的有效途徑之一。

 

  目前常用的除霜方式主要有電熱除霜，逆循環除霜，熱氣旁通和蓄熱除霜幾種方式。電加熱除霜是用電加熱提供化霜熱，具有系統簡單、除霜完全、實現控制簡單的優點，在小型裝置上廣泛采用，但缺點是耗電多，不宜在大型裝置上采用［23］。逆循環除霜通過四通閥換向使制冷劑沿環路反向流動，將熱泵從制熱工況轉換成制冷工況，熱泵從室內吸熱排到室外換熱器以融化其表面結霜。研究表明，逆循環除霜簡單易行，除霜效果良好［24］。然而，在除霜時高低壓對接過程會對系統各部件產生比較嚴重的沖擊，系統可靠性受到影響，除霜控制系統不完善，甚至造成誤除霜［25］。此外，逆循環除霜時為了避免向室內吹冷風而必須關閉室內機所導致的除霜缺少低位熱源的本質問題仍沒有得到解決。

 

  熱氣旁通法是在壓縮機出口與蒸發器入口之間設置一根旁通管，通過增加旁通管內的熱氣( 制冷劑) 來抑制蒸發器表面結霜［26-27］。Byun，J． 等［28］研究表明: 旁通管的流量占總流量的20% 時系統的性能最好，與一般系統相比，熱氣旁通方式是系統的平均COP 和制熱量分別增加8. 5% 和5. 7%，但是由于蒸發器入口溫度的提高，導致了系統制熱量的下降。

 

  熱氣旁通除霜的能量主要來自壓縮機的輸入功，而且制冷劑流過分液器和分液毛細管的能量損失較大，除霜時間比逆循環除霜長; 同時，除霜時，導致蒸發壓力變低，吸氣比容變大，系統中制冷劑循環質量流量隨之變小，供給除霜用的熱量變少。基于此缺點，胡文舉等［29-30］將相變蓄能裝置引入到熱泵系統中，提出空氣源熱泵蓄能熱氣除霜新系統( 見圖4) ，該系統把熱泵平時高效運行時的余熱轉存到蓄熱器內，使之作為熱泵除霜工況下的低位熱源，有效的解決了熱氣除霜時能量來源不足的問題。基于除霜時間、除霜時壓縮機排氣壓力、室內溫度波動等特性，張杰等［31］分別對逆循環除霜系統、熱氣旁通除霜系統和相變蓄能除霜系統進行對比分析，實驗表明，相變蓄能系統除霜有利于縮短除霜時間，且室內溫度相對穩定，能耗較少，但是，該系統的壓縮機排氣溫度比另外兩種系統高，對壓縮機的安全性提出更好的要求。

 

  JIA 等利用室外換熱器的除濕劑首先對被處理的空氣進行干燥去濕，從而抑制或延緩結霜，然而隨著除濕劑吸收水蒸汽能力的減弱，抑制結霜的作用也逐漸失效。為解決此問題，Zhang 等提出一種新型干燥除濕無霜空氣源熱泵 ，該系統利用冷凝后的余熱加熱空氣來對固體吸濕劑進行解析。

 

  但是，在解吸模式下，當蒸發溫度低于0℃時，該系統依然存在結霜的問題。同時，該學者并未對新型系統進行實驗驗證以及固體吸濕劑的材料和用量進行分析，對該模型和系統有待進一步的實驗研究。

 

  縱觀國內外研究現狀，人們對空氣源熱泵的除霜有了很大的改進，但是在實際運行中常規除霜性能仍難以令人滿意，除霜過程的穩定性與可靠性也遠沒有解決。究其原因，所做研究在特定實驗條件下，其應用是否具有廣泛性還需要進一步研究。此外，融霜機理十分復雜，從傳熱傳質的機理上揭示蒸發器的除霜過程有待于進一步的深化和完善。因此，如何從根本上解決除霜問題，成為今后研究的重點方向。

 

  1. 5 新型工質的替代

 

  由于Ｒ22 具有對臭氧層的破壞作用及溫室效應，使全世界空調和熱泵行業面臨嚴峻的考驗，研究開發、尋找新型環保制冷劑替代傳統的高ODP、高GWP 值的制冷劑是一項急需研究的課題。目前對空氣源熱泵研究的新型制冷工質主要有CO2，Ｒ32，Ｒ407C 和Ｒ410A，Ｒ290 等。

 

  綠色環保天然工質二氧化碳以其優良的熱物性成為熱泵系統中合成工質最有潛力的替代物之一，在熱水器應用方面尤為突出。其吸熱過程( 蒸發、壓縮) 在亞臨界條件下進行，換熱主要依靠潛熱來完成; 而冷凝過程則是在接近或超過臨界點的區域內進行，放熱依靠顯熱來完成，是一個伴隨有較大溫度滑移的變溫過程。這正好可與水加熱時的溫升相匹配，自然可減少高壓側不可逆傳熱引起的能量損失。因此，這種特殊的勞倫茲循環，特別適合于家用熱水的加熱，由于其高容積制冷量，優良的傳熱性能和節能性能，CO2熱泵熱水器在日本贏得“ECOCUTE”( 生態精靈) 的稱號。

 

  由于CO2熱泵制熱循環的工作壓力比氟利昂熱泵循環高5 ～ 7 倍，李濤等利用噴射器提高跨臨界二氧化碳系統的性能。但是，隨著蒸發溫度的提高，對系統的性能提高有限。Goodman 等通過內部換熱器來提高在低溫環境下CO2熱泵熱水器性能，此外，由于CO2節流損失及放熱滑移溫度相對較大，增加氣冷器水流量可有效提高系統的制熱系數。

 

  程林等通過使用Simulink 建立PID 控制和模糊控制的模型并進行對比分析，得出使用模糊控制方法時蒸發器的過熱度響應時間更快，且過熱度在控制過程中變化更為平穩，適用于跨臨界CO2熱泵這種具有強烈非線性特性的系統。但是其仿真結果未經實驗驗證，該模型尚有待進一步完善。

 

  作為Ｒ410A 一個組成部分的Ｒ32，具有較好的傳熱性能、較高的能效和良好的應用前景。黃玉優等通過對Ｒ32 替代Ｒ410A 空氣源熱泵熱水器研究后，得出在3℃低溫環境下，Ｒ32 樣機的性能系數提高31. 1%，但排氣溫度達到101. 9℃，不利于Ｒ32制冷劑在低溫條件下的應用。史琳等［42］對家用/商用空調中Ｒ32 替代Ｒ22 的可行性進行分析，同樣發現Ｒ32 存在排氣溫度高的問題。為解決此問題，矢島龍三郎等［43］利用膨脹閥控制壓縮機吸氣干度，同時使用Ｒ32 專用的潤滑油來降低排氣溫度，但是此方法對壓縮機的安全性存在一定安全隱患。秦妍等［44］以理論和實驗相結合，分析了Ｒ32 替代Ｒ410A后，提出采用補氣方法，能夠有效降低排氣溫度，同時在一定程度上增加換熱量及COP。但是最佳補氣量與環境的變化關系未進行分析，有待進一步的研究。

 

  吳華根等認為，與使用Ｒ22 相比，使用Ｒ134a會導致樣機制熱量、COP 和功耗降低。且Ｒ134a 屬于中壓制冷劑，Ｒ404 在       膨脹過程中要損失更多的蒸發比焓以冷卻通過膨脹閥的液體，使制熱量受到更大的影響，兩者均非Ｒ22 的理想替代工質。而Ｒ407C與Ｒ22 的工作范圍和制熱量基本相當，是Ｒ22 比較理想的替代工質。但是，作為非共沸制冷劑，Ｒ407C在傳熱表面上的傳質阻力會增加，從而可能造成蒸發、冷凝過程的換熱效率降低。

 

  以上研究推動了空氣源熱泵系統在寒冷地區的應用，縱觀國內外學者的研究，采用補氣增焓技術、雙級壓縮系統或復疊式制冷系統是解決空氣源熱泵低溫適應性的有效途徑，不過尚處于理論和實驗研究階段。同時由于系統過于復雜及成本因素，目前尚未有真正意義上的補氣增焓熱泵、雙級壓縮式或復疊式泵產品。因此，如何進一步提高空氣源熱泵的低溫適應性，利于產品的推廣應用是亟待解決問題。

 

  2 展望

 

  空氣源熱泵作為一種高效、節能、環保的裝置，具有廣泛的市場應用價值，熱泵熱水器的出現，更使空氣源熱泵有著巨大的市場潛力。此外，隨著技術進步日新月異，空氣源熱泵的產品和功能也將趨向多樣化，對產品的可靠性也會提出更高要求。因此，提高空氣源熱泵低溫環境下的制熱能力和運行可靠性，已成為近年來國內外研究人員非常重視的研究課題，作者對空氣源熱泵未來的發展做出一些展望。

 

  2. 1 新工質替代問題

 

  作為過度替代的制冷劑Ｒ22 會引起溫室效應和破壞臭氧層，因此，尋找一種能夠替代Ｒ22，并且具有更高能效、更加環保，適應于低溫環境的制冷劑顯得尤為迫切。另外，HCFCs 替代技術涉及到的相關標準的制訂是行業發展的基礎，應該受到特別關注。我國與美國、歐洲等相關組織正在共同制訂CO2制冷壓縮機性能測試方法等標準，將推動我國CO2制冷技術的發展。目前，清華大學、浙江大學、合肥通用機械研究院等進行新型制冷工質及其系統的理論與實驗研究。西安交通大學，上海交通大學，天津大學，North Dakota State University，United TechnologiesＲesearch Center ( USA) 等對CO2熱泵系統進行相關的研究工作。

 

  2. 2 相變材料與熱泵技術的結合

 

  蓄熱技術是提高能源利用效率和保護環境的重要技術，可用于解決熱能供給與需求失配的矛盾。華南理工大學、哈爾濱工業大學，University of Ulster( UK) 等在蓄熱型熱泵做了大量的研究工作，蓄熱型熱泵經常處于滿負荷運行，有利于系統高效能運行，因此，將相變儲能技術與熱泵技術相結合，充分發揮各自的優勢，可以有效地提高設備在低溫環境下的性能系數。

 

  2. 3 空氣源熱泵系統新型系統的開發開發適合于低溫環境的熱泵循環系統，同時完善系統的仿真模型，利用計算機仿真技術，對空氣源熱泵機組在低溫環境下的工作狀態進行動態模擬分析，并與實驗相結合，對系統進行改進優化，使系統制熱效率和穩定性達到最佳狀態。上海交通大學，西安交通大學，北京工業大學，University of Vigo 等一直從事相關的研究工作。

 

  3 結論

 

  空氣源熱泵作為一種高效節能、綠色環保裝置，受到越來越多的關注，但在實際推廣使用的過程中，低溫環境下影響了系統可靠性和制熱性能，制約了空氣源熱泵的推廣應用。通過從補氣增焓技術、雙級壓縮系統、復疊式熱泵系統、空氣源熱泵除霜技術、新型工質替代方面對國內外學的研究進行了總結，分析了低溫環境下系統所存在的弊端，并對其系統的優缺點做了簡要剖析。指出上述系統對空氣源熱泵系統的低溫適應性有一定的改善，但也存在一些不足之處。

 

  補氣增焓技術存在壓縮比較大和排氣溫度過高的問題。注油量、油平衡及油遷移、系統的控制策略、變頻壓縮低高壓級的合理輸氣量比、最佳中間壓力的變化等問題也存在于雙級壓縮系統中。對復疊式系統而言，分析了復疊式制冷與復疊式熱泵存在的區別，對復疊式熱泵的應用有待于進一步深入研究。在延緩結霜和除霜方面，對新型除霜技術，即熱氣旁通除霜，蓄熱除霜，干燥除濕系統進行了較為詳細的總結。同時，對新型環保工質如: CO2，Ｒ32，Ｒ410a 等的應用進行了對比分析。

 

  此外，通過從新型工質替代問題，相變材料與熱泵系統的結合，新型熱泵系統的開發對今后的發展提出來展望。指出尋找高效、環保低溫制冷劑尤為迫切，相變材料與熱泵系統的結合有助于解決熱能供給與需求失配的矛盾，提高空氣源熱泵的低溫適應性。

 

  開發適合低溫的熱泵循環系統，完善系統的仿真模型，能夠提高系統制熱效率和穩定性。相信隨著對系統可靠性的深入研究，必將提高其運行性能，減輕城市環境污染，為創造性地實現我國“節能減排”目標，以及建設科研創新型國家探索道路。