低温空气源热泵补热技术研究进展.pdf

综述114节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023低温空气源热泵补热技术研究进展高昊天 苑翔 季轩昂（北方工业大学，北京 100144）摘要：传统的空气源热泵将低位热能转换为高位热能，是一种高效、节能的供热装置。在低温环境下，空气源热泵的制热性能会有所下降。结合国内外学者的研究，对低温环境下空气源热泵补热技术展开综述，基于蒸发器不同排列形式，对系统性能、可行性、经济性进行总结分析，旨在挖掘低温空气源热泵补热技术的推广价值。关键词：低温环境；补热技术；空气源热泵中图分类号：TU833 文献标志码：A 文章编号：1004-7948（2023）12-0114-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.033引言2019年全球碳排放总量约为102.85亿t，我国碳排放总量为27.77亿t，占据世界总量的27%。空气源热泵主要包含蒸发、压缩、冷凝、膨胀的过程，将传递热量给热用户。空气源热泵实现了从低位热能到高位热能的转变，可以在一定限度上减少碳排放。但在低温环境下，热泵的运行存在一些问题。以空气源热泵为例，系统蒸发温度降低、冷凝温度不变的情况下，压缩比增大，超出常规单机压缩压比临界值，过大的压缩比导致排气温度过高，超过正常工作范围。低温环境下，压缩机吸气比体积增大，输气系数减小，当蒸发器表面温度低于露点温度且低于0 时，其表面会结霜。外界环境温度降低时，热泵的工质吸气比容增大，机组吸气量迅速下降，这也会造成工质循环量减少，制热量降低；大量的润滑油积存在气液分离器内，造成压缩机缺油；黏度增加造成启动失油，会降低润滑效果。室外环境温度在-515 时，是单级压缩空气源热泵系统适宜的工作温度；室外环境温度在-1015 时，系统COP会随环境温度的降低从3.7逐渐下降到2.51。环境温度从-14 下降到-20，热泵制热量呈线性规律降低2。国内外有很多学者设计了改善空气源热泵能效比的技术，如复叠式热泵技术、补气增焓式热泵技术等，但这些技术基本都有一定的局限性，COP提升不明显。因此，有必要从本质上出发，给空气源热泵补充热量，使制冷剂在蒸发器中充分吸收热量，提升系统的制热效率。1空气源热泵补热系统性能研究现状1.1单蒸发器空气源热泵补热单蒸发器空气源热泵补热能够提升进入蒸发器一侧的空气温度，其中有几种补热形式比较常见，如太阳能补热、生物质能补热、水源补热、土壤源补热。总结影响系统补热制热效率的各种因素，平均能效比高低。4种补热方式分类如表1所示。单蒸发器空气源热泵补热系统如图1所示。1.1.1太阳能补热利用太阳能集热给空气源热泵补充热量可以提升能源利用率，提高空气源热泵的制热效率。太阳能集热器的占地面积小，运行相对简单，具有蓄热功能。荣维来3等搭建了直膨式太阳能空气源热泵实验台，晴天时系统COP在3.03.6之间，阴天时系统COP在2.03.3之间，相对晴天时的工况有明显降低。蔡晓宁4等设计了太阳能补热系统，结果表明，太阳辐射的不稳定性使系统各运行参数处于动态变化中，直接影响系统的COP，表14种补热方式分类补热方式太阳能补热生物质能补热水源补热土壤源补热影响因素太阳辐射强弱生物质燃料类型PH值、含盐量等岩土体综合导热率、地温梯度等平均COP（相对）高较高高高图1单蒸发器空气源热泵补热系统作者简介：高昊天（1999），男，硕士在读，研究方向为暖通空调、建筑环境与能源应用工程。基金项目：京津冀科技创新协同项目（项目编号：Z221100006022007）收稿日期：2023-01-04引用本文：高昊天，苑翔，季轩昂.低温空气源热泵补热技术研究进展 J.节能，2023，42（12）：114-116.综述115NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION天气对于太阳能集热效果的影响较大。金光5等在严寒地区构建了太阳能-空气源热泵供暖系统，进行热泵独立运行及蓄热水箱-热泵双热源联合运行的供暖特性研究，结果显示，加入蓄热水箱后系统COP可达2.01。顾祥红6等建立了一种太阳能墙-空气源热泵联合供暖的模式，联合供暖系统总的 COP 为 4.3，太阳能保证率为33.4%。太阳能作为热源给空气源热泵补热，可以提升系统能效比，但不同地区、不同时间的太阳辐射量不同。因此，该系统具有局限性和不稳定性，需要考虑系统的适配问题，找到合理的补热方式。1.1.2生物质补热生物质能具有环境友好、成本低廉和碳中性等特点，目前，生物质成型燃料锅炉发展较为迅速，其效率较高，可达80%。生物质锅炉热损失中，排烟热损失占比较高，若将这部分热量供给空气源热泵补热，可以提升系统的制热效率。高雁冰7等分析不同物料的水分含量与烟气中水蒸气体积含量的关系，稻秆水蒸气所占体积含量最高，作为生物质燃料尤为合适，与煤、天然气这种化石燃料相比，生物质回收废热更有优势。韩霆傲8搭建了生物质锅炉预热空气源热泵实验台，并结合Trnsys软件进行模拟仿真，不进行预热的空气源热泵系统COP为1.55，预热后系统COP达到2.82，有大幅度的提升。目前，生物质锅炉的排污、燃料形式、节能环保等问题急需解决，需要研究更多相关技术，推动生物质锅炉预热技术的发展9。1.1.3其他形式补热一些工业废水、土壤中也富含热量，可以供空气源热泵使用，对这些热源采取水处理、热回收后补热，也可提升系统的供热效率。张兵兵10等设计土壤源给空气源热泵补热系统，在济南地区系统的平均COP达到3.77，实现了系统在整个供暖季的高效运行。李建新11等对储热预热式热泵的工作性能进行分析，系统结合相变材料和热泵，可实现热水的分段加热，采取逆流换热的模式。该储热预热式热泵热水器的平均 COP 较高，可达 2.94.3。陈则韶12等提出一种新型废热再用热水装置，装置的性能系数在冬季能够达到45.5。不同种热源补热各有优劣，土壤源补热的初投资较高，在北方农村地区的适应性较差。污水源受环境影响较小，但存在堵塞和结垢的问题。因此有必要考虑外界环境因素对系统的影响，寻求合理的补热方式以提升系统的能效比。1.2双蒸发器空气源热泵补热与单蒸发器不同，双蒸发器式空气源热泵补热如图2所示。双蒸发器系统采用双热源供热的模式，通过两个不同的蒸发器，制冷剂分别从两个热源吸收热量后，供给热用户供热。普遍采用水作为介质与空气源结合传导热量。目前，双热源补热技术主要结合空气源和太阳能水源。付文轩13等设计了空气源和太阳能水源双蒸发器式的热泵系统，分别将蒸发器串联和并联，比较不同连接形式对系统制热性能的影响。结果表明，并联COP明显高于串联，最高可达5.26，能效比相较于单空气源热泵提升88.4%。曲培培14创建了新型双蒸发器热泵与分离式热管耦合系统，该系统实现了太阳能与空气能的综合利用与优势互补，在特定的环境下可实现双热源到单热源的转换，联合供热时，室外温度为-4-3，系统能效比为2.503.71。佟建南等15设计了空气-水源双热源热泵系统，装配了太阳能集热器给水源补热，系统设计了风冷蒸发器和套管式蒸发器，通过不同阀门之间的切换调节系统工况。对比单热源热泵和双热源热泵，实验结果表明，双热源热泵平均 COP 达到 2.6，高于单热源的2.15。王岗16等针对单空气源热泵系统、太阳能与水源热泵联合供暖系统及太阳能联合双热源热泵制热3种工况进行研究，结果表明，3种运行工况下热泵平稳运行时COP分别为2.26、3.4和2.61，考虑到最终水温等因素影响，太阳能联合双热源热泵制热的模式更为合理。除了空气源与太阳能水源联合供热之外，部分学者结合空气源和污水源供热。付洋17设计了一种双热源家用热泵，结合空气源和污水源，蒸发器采用双蒸发器串联运行模式，工质在空气源蒸发器处吸收浴室中废气的热量，并在污水源蒸发器处吸收整体浴室中废水的热量。结果表明，系统COP有所升高，系统中去掉空气源蒸发器时，无空气源蒸发器的系统平均COP为4.633，较之前降低了7.3%。Chen等18提出了一种将空气源和污水源相互复合的热泵系统，该系统的平均COP可达4.55.0，是相同工况时空气源热泵系统的两倍，与传统双热源热泵不同，系统加入了预热器，使污水源热量利用率上升，系统节能效果明显提高。采用双蒸发器式补热技术可以一定限度地改善低温空气源热泵制热性能低的问题。随着室外环境温度变化，系统能效比随之变化，与单蒸发器补热系统相比，双蒸发器更容易实现对工况的控制。但双蒸发器式供热系统由两个热源提供热量，需要考虑其他外界因素影响，如水源的污水处理、pH值、含盐量等因素。后期可以重点从控制、供热性能、节能性等方向进一步研究。图2双蒸发器空气源热泵补热综述116节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 20232空气源热泵补热可行性与经济性研究现状设备的初投资、运行费用是影响系统可行性与经济性的重要因素。此外，对蒸发器侧空气进行加热处理可以改善设备结霜问题，减少采取超声波、电场、磁场等外力除霜的额外费用。魏俊辉19等对可再生能源与热泵耦合的系统进行经济性分析，结果表明，地源热泵和太阳能耦合，初投资高、运行费用最低，不同能源耦合方式的经济性与气候条件、全年日负荷数据以及太阳能辐照量、能源价格有关。张云杰20等设计了太阳能-海水-空气多能互补供热系统，利用Trnsys软件，针对天津地区某海防工程多源热泵供能系统进行运行模拟。模拟发现，系统全年总能耗为3 149.8 kWh，其中水泵和热泵占主体部分，热泵能耗占绝大部分，水泵能耗较小，且热泵能耗主要集中在夏季。廖雨森21等利用污水源和废气源采用双蒸发器串联的形式，结合遗传算法优化系统工作参数，结果表明该系统有良好的节能减排效益，可发挥双热源的优势，降低系统能耗。王笙22提出了一种预热型空气源热泵系统，设计了空气-空气热回收装置，结果表明，在相对湿度85%的地区，采用预热蒸发器的模式可以很好地达到抑霜的作用，采用23%的预热风量比，使得结霜速率下降54.6%，而机组的电功率下降12.1%，同时预热蒸发器使系统制热性能有了较大提升，电功率有所下降，在改善结霜问题和提升系统能效比两方面实现了相辅相成，采用热回收的方式是节能性、经济性的体现。从设备结构方面分析，双蒸发器补热系统比单蒸发器多了1个蒸发器部件，若采用双蒸发器并联系统还要额外增设1台压缩机，导致初投资加大。从系统运行方面考虑，双蒸发器系统运行费用较低，具有节能减排效益。此外，还需要考虑当地的环境因素，如温度、水质、太阳辐射等。应制定与环境相匹配的运行模式，从而设计合理的供热系统。3结语在低温环境下，空气源热泵会产生压缩机频繁启停、蒸发器表面结霜、制热量降低等问题。目前，国内外采用多种补热技术提升系统能效比，从太阳能、生物质能等能源中提取热量，提升进入蒸发器侧的空气温度，从而达到补热效果，但不同种热源受环境、物料等因素影响，需考虑系统适配性。另外，还可采取双热源双蒸发器的供热模式，采用太阳能水源、污水源与空气源相结合。双蒸发器供热模式在制热性能、节能性、经济性方面更具优势。空气源热泵补热技术未来发展方向如下：选取合理的水处理方式，将地下水、地表水、工业余热废水作为补热热源。从优势互补的角度考虑，设计可调控式双蒸发器系统，根据外界因素影响，实现单热源、双热源系统在不同工况下的切换。考虑低碳、节能的前提下，积极探索新型热源。将可调节式双热源供热系统与北方农村大规模对接，形成规模供热体系。参考文献1 艾凇卉，吴成斌，石文星，等.低环境温度空气源热泵机组在北京冬季运行的性能 J.暖通空调，2015，45（3）：52-58.2 洪静，杨桂春，郝彩侠，等.新流程空气源热泵在寒冷地区应用的测试J.暖通空调，2010，40（5）：118-120.3 荣维来，许树学，马国远，等.直膨式太阳能空气源热泵制热的实验研究 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