制约空气源热泵推广应用的技术因素的研究现状

  根据ＩＥＡ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｇｅｎｃｙ）有关调查，空气源热泵现已占全球热泵用量的２７％。

 

  我国家用空调器中，约７０％以上为空气源热泵型空调器［１］。空气源热泵的“再生能源＋高位能源—供暖—废弃物—再生能源”的部分能量闭环反馈式循环过程的供暖（冷）模式是一种先进的用能模式，其节能和环保特性注定空气源热泵在暖通空调中的应用将越来越广泛。然而，实践表明，现阶段空气源热泵的运行效果还不理想，主要表现为２个方面：空气源热泵的低温适应性和空气源热泵的结霜及除霜问题。

 

  空气源热泵室外换热器的结霜和除霜问题是造成空气源热泵运行效果不理想的一个主要原因。张建中等对南京采用空气源热泵冷（热）水机组作为空调冷热源的１８９项工程调查表明，其中运行良好的占１５％，运行效果差的占１５％，７０％的机组运行效果居中。其他地区（如杭州、成都、长沙等）也发现类似情况，其主要问题就是空气源热泵结霜问题［２］。当空气源热泵机组结霜运行时，随着霜层的增厚，空气源热泵将出现蒸发温度下降、制热量下降、风机性能衰减、电流增大等现象，严重时甚至烧毁压缩机。因此，需用周期性除霜解决这些问题。

 

  空气源热泵的低温适应性是制约空气源热泵推广应用的另一主要原因。运行实践表明，空气源热泵应用于黄河流域、华北等寒冷地区，其性能非常低，甚至无法运行。主要原因：空气源热泵应用于寒冷地区时，随着室外环境温度的降低，制冷剂质量流量下降，供热量急剧减少，压缩机排气温度随着压缩比的升高而急剧升高，使机组无法正常运行或运行可靠性降低，长期运行必然会严重损坏压缩机。鉴于传统的空气源热泵在低温环境下制热性能和运行可靠性差的问题，２００２年美国能源部将寒冷气候下工作的热泵列为商业建筑暖通空调系统最具节能潜力的１５项技术措施之一。

 

  学者研究表明，空气源热泵在－６～５℃之间，相对湿度在６５％以上的气象条件下运行时，室外换热器表面最易结霜［４］。根据文献［５］，我国华北地区和黄河流域为轻度结霜区。因此，在这些地区结霜并不是影响空气源热泵的主要问题，空气源热泵主要问题表现为其低温适用性问题。而在我国长江流域、华南等地区，虽然冬季空气温度较高，但空气源热泵的结霜问题严重，导致其运行的稳定性和可靠性较低，严重制约其推广应用。因此，综合空气源热泵在我国南方和北方的推广应用，必须解决其结霜和低温适用性问题，这也是近年来国内学者研究的热点。

 

  １ 空气源热泵结霜问题的研究现状与趋势

 

  空气源热泵结霜是制约空气源热泵高效运行的一个瓶颈，围绕结霜和除霜这一热点问题，国内外学者开展了很多研究工作，主要包括结霜的研究、防止或延缓结霜的研究及除霜的研究。

 

  １．１ 空气源热泵结霜研究

 

  １．１．１ 结霜理论研究

 

  结霜是一个非常复杂的过程，也是研究除霜和防止或延缓结霜问题的基础。孙玉清等引进成核理论、晶体动力学理论和气象学有关理论，建立了较为精确的结霜数学物理模型，进行了抑制结霜方面的研究［６］。Ａｍｅｅｎ Ｆ．Ｒ．等从理论和实验２个方面研究了结霜对蒸发器传热特性及热泵性能的影响［７］。姚杨采用分布参数法，在热质平衡及压力平衡的基础上建立了空气－空气热泵蒸发器的数学模型［８］。Ｋｏｎｄｅｐｕｄｉ Ｓ．Ｎ．等将结霜模型和传热特性相结合进行了讨论，建立了较为详细的翅片管换热器结霜模型［９］。夏凊等将结霜过程视为准稳态过程，建立了翅片管式蒸发器结霜工况下的数学模型，并分析了结霜对蒸发器性能的影响［１０］。

 

  １．１．２ 结霜实验研究

 

  对于复杂几何形状的翅片管式换热器，由于影响霜层增长及霜特性的因素很多，且换热器表面形状非常复杂，目前对于这种换热器结霜过程的研究多为实验性的。Ｋｏｎｄｅｐｕｄｉ Ｓ．Ｎ．等通过实验研究了不同的翅片结构对换热器结霜状态下性能的影响［９］。郭宪民、于兵等采用对结霜的动态过程拍照后再进行计算机图像处理的方法，对复杂几何形状表面的结霜及其沿空气流动方向结霜厚度分布情况进行定量分析，为翅片管蒸发器动态结霜过程的模拟提供定量化的实验数据［１１－１２］。吴晓敏等针对强制对流条件下结霜现象开展了实验研究，认为随着空气流速的增大，过冷水珠存续时间先缩短后延长，冻结粒径却不断增大，而空气流速对初始霜晶形状的影响不大［１３］。

 

  通过国内外学者多年的理论和实验研究，已经掌握有关结霜的物理过程和结霜规律，为下一步的防止或延缓结霜和除霜的研究打下了良好的基础。

 

  １．２ 防止或延缓结霜方法的研究

 

  １．２．１ 改变室外换热器周围环境参数

 

  室外换热器周围的空气状态与其表面结霜与否和多少关系密切，一些学者对改变换热器周围环境参数以防止或延缓结霜进行了研究。ＫｏｎｄｅｐｕｄｉＳ．等在室外换热器入口布置固体除湿剂降低室外换热器入口空气的含湿量从而抑制结霜，但研究发现固体除湿剂在最初的时间内能够有效地抑制结霜，然而随着除湿剂吸收水蒸气能力的减弱，抑制结霜的作用也逐渐失效［１４］。Ｗａｎｇ Ｓ．Ｗ．等在蒸发器空气入口处安装一个吸附床来降低入口空气湿度，从而抑制蒸发器表面结霜，但该系统只能间歇运行，恶劣天气没有太阳照射时，吸附床的再生主要靠吸附床内的电加热器完成。马最良等提出带辅助室外换热器的热泵系统，供热工况运行时，辅助室外换热器可以提高主室外换热器周围的空气温度，从而达到延缓结霜的目的。

 

  １．２．２ 改变机组系统流程或蒸发器结构参数在改变空气源热泵系统流程方面，国内外学者研究较少。Ｂｙｕｎ Ｊ．Ｓ．等在压缩机出口与蒸发器入口之间加一根旁通管，通过增加旁通管内的制冷剂流量抑制蒸发器表面结霜，但是由于蒸发器入口温度的提高，导致了系统制热量的下降。

 

  马最良等在热泵系统的室内换热器中设置一个制冷剂电加热器来达到延缓结霜的目的。当接通电加热器时，该系统工质压力、温度较普通系统高，使室外换热器表面温度比一般热泵系统高１～２℃，从而有效地延缓结霜时间。但此系统工艺复杂并消耗电能。

 

  在改变蒸发器结构方面，有学者研究了增大蒸发器换热面积对延缓结霜的影响。结果表明，当室外蒸发器面积增大１倍后，热泵机组的蒸发温度平均提高约２．５℃，机组结霜时间减少了５．１％～８２．９６％。此外，学者通过研究还发现，增加气流入口处沿气流方向的肋片尺寸，可以减少其结霜的倾向；增大翅片间距可以延缓结霜，对于不同湿度的地区翅片间距应取不同的值。

 

  １．２．３ 改变蒸发器表面特性

 

  国内外一些学者基于表面处理技术进行了抑制结霜研究。王贤林等认为，在室外换热器表面添加疏水镀层可使水滴更容易脱落，从而达到延缓结霜的目的。Ｒｙｕｎ Ｓ．Ｇ．等研究表明，亲水性表面上霜层比普通表面上霜层要薄，其表面结霜密度更大，并且随着相对湿度的增大亲水性涂层延缓结霜的能力逐渐降低。Ｊｈｅｅ Ｓ．等研究发现疏水处理延缓结霜效果明显优于亲水处理。

 

  尽管目前人们针对延缓结霜做了大量研究工作，部分技术可以起到延缓结霜的作用，但是由于受到应用条件、效率、技术和经济等方面的制约，防止或延缓结霜的研究还没有取得大的突破性进展，尚未找到一种切实可行的方式。

 

  １．３ 空气源热泵除霜特性及控制方法的研究空气源热泵除霜方法有人工或机械清除室外换热器上的结霜、电加热器或蒸汽加热器融霜、淋水除霜、热气除霜等。随着自动控制技术的发展和应用，从节省劳动力和节能上考虑，热气除霜法成为目前主要的除霜方法。

 

  １．３．１ 空气源热泵除霜特性研究

 

  除霜过程是一个非常复杂的过程，国内外很多研究人员对其进行了研究。主要包括除霜数学模型研究和实验研究及除霜影响因素研究。

 

  １）在理论研究方面，早在１９７４年Ｓａｎｄｅｒｓ建立了蒸发器除霜数学模型，其蒸发水量求解方程成为后人研究除霜问题常用的方程，Ｏ’Ｎｅａｌ Ｄ．Ｌ．通过实验分析室外换热器表面温度等参数在除霜过程中的变化，认为其模型是可行的［２３］。１９９２年，Ｋｒａｋｏｗ Ｋ．Ｉ．等基于电加热融霜实验，提出了霜层融化过程的数学物理模型是目前最接近实际的模型［２４－２５］。在国内，黄虎在对蒸发器融霜过程简化的基础上，建立了霜层融化数学模型［２６］。刘志强提出了一个四通阀换向后系统高低压平衡重新建立的数学模型，并开展了现场实验研究，计算结果与实验结果吻合良好［２７］。韩志涛基于除霜实验测得的室外换热器翅片管表面温度分布，建立了室外换热器表面水蒸发动态模型，通过对除霜过程中各部分能量所占比例进行了分析，认为常规除霜的能量主要来自压缩机作功和从供热环境吸热，二者大约各占４０％［２８］。陈旭峰等研究了空气源热泵逆循环除霜时能量分配，并建议利用压缩机蓄热的方法来降低除霜能耗［２９］。

 

  ２）除霜影响因素研究。在所有部件中，节流装置、高压储液器及气液分离器对融霜的影响尤为明显。Ｄｉｎｇ Ｙ．Ｊ．等对采用电子膨胀阀和热力膨胀阀的除霜过程进行了研究，认为采用电子膨胀阀可有效地缩短融霜时间。Ｎｕｔｔｅｒ Ｄ．Ｗ．等通过实验发现从系统中去除气液分离器可使除霜时间减少１０％，而整个系统综合ＣＯＰ 只降低了２％。Ｎｕｔｔｅｒ Ｄ．Ｗ．等还提出在气液分离器加设电阻丝加热制冷剂的除霜方法，实验结果显示系统综合ＣＯＰ 上升了３．１％，而除霜循环时间缩短了１１％。唐黎明等认为热泵机组除霜效果差的主要原因是系统制冷剂充注量不足，指出使用制冷剂补偿器代替高压储液器更能缩短除霜时间，并通过实验证明效果明显。Ａｎａｎｄ Ｎ．Ｋ．等研究了提前开启风机对除霜的影响，认为提前开启风机能够降低室内外盘管中制冷剂的压力，从而降低系统恢复制热运行时对压缩机和制冷剂管路的机械冲击，认为提前２０ ｓ开启风机比较理想。

 

  黄东等也针对提前开启风机对除霜的影响进行了研究，认为提前开启风机可有效地避免除霜时因排气压力过高而导致系统停机。

 

  １．３．２ 空气源热泵除霜控制策略的研究

 

  韩志涛等指出由于除霜控制方法的问题，大约２７％的除霜是在翅片表面结霜不严重、不需要除霜的情况下进行的，甚至造成误除霜。这既造成了能量的浪费，又降低了供热效率和室内环境的舒适性。除霜控制的目标是按需除霜，方法主要有以下几种：定时控制法、时间－温度法、电流控制法、空气压差除霜控制法、室内外双传感器除霜法、霜层传感器法、最佳除霜时间控制法、最大平均供热量法、最大周期供热系数法。一些学者把模糊控制应用到除霜中，提出了模糊智能控制除霜法。虽然除霜控制方法众多，但并不完善，还不成熟，仍须继续研究。实际运行中仍很难做到按需除霜，除霜过程的稳定性与可靠性远没有解决。主要问题在于，一些判定结霜或除霜结束与否的表观参数如时间、温度、压差等难以准确反映热泵结霜和融霜实际工况，一些通过理论获得的控制参数如最大平均供热量、最大周期供热系数、最佳除霜时间，在实际中很难操作。

 

  ２ 空气源热泵低温适用性的研究

 

  从目前研究文献可以看出，改善空气源热泵低温适用性的研究主要有以下几个方面：改变蒸发器结构及其运行环境温度，采用新型制冷工质、双级耦合和双级压缩技术、带有经济器的热泵系统、变频技术。其中变频技术多采用与双级压缩和经济器的热泵系统相结合的方式，因此不再单独介绍。

 

  ２．１ 改变蒸发器结构及其运行环境温度

 

  王铁军等提出３项有利于提高低温热泵的制热量的措施：增大蒸发器迎风面积、增加管程数量和在换热器的下部增设防霜盘管［３７］。川合信夫等介绍了通过优化百叶窗切口数量、结构以及肋片上的凸缘结构而制成的低压损肋片提高其蒸发器换热性能，从而提高低温热泵性能的技术［３８］。除此之外，还有日本学者建议在室外低温时采用煤油加热器加热辅助蒸发器来提高热泵制热量和制热性能系数［３９－４０］。然而，有学者认为该系统获取的是有代价的热源，且也不是百分之百地能够得到利用，对其应用前景并不看好。

 

  ２．２ 采用新型制冷工质

 

  开利公司研制出２种类型的使用非共沸工质的空气源热泵系统。该系统随着环境温度的变化可以改变参加循环的制冷剂组分。此系统型式复杂，采用此技术的障碍是如何根据实际状况确定制冷剂的组成、充注量，如何解决制冷剂的泄漏速度差异对系统热力性能的影响［４１－４２］。Ｓｔｅｆａｎ Ｓ．Ｂｅｒｔｓｃｈ等采用Ｒ５０７Ａ 和Ｒ４０４Ａ 工质，在高压缩比下仍可稳定运行，但是相对其他低温热泵系统来说，ＣＯＰ 相对较低［４３］。Ｓａｍｉ Ｓ．Ｍ．等提出使用非共沸制冷剂，通过改变系统中混合工质的成分等方法改善与调节在空气源热泵低温环境下的制热性能［４４］。然而，目前还没有看到相关的产品在市场上销售。

 

  ２．３ 双级耦合／双级压缩／复叠式热泵技术针对单级系统低温工况下制热性能低、排气温度高的特点，国内一些学者提出了双级压缩／双级耦合／复叠式热泵技术。石文星等把变频技术和双级压缩技术有效结合，提出了双级压缩变频空气源热泵系统。研究表明：在冷凝温度５０℃和蒸发温度－２５℃工况下，系统制热性能系数高于２．０，压缩机排气温度低于１２０℃，可以在－１８℃以上的室外低温环境中满足寒冷地区冬季供暖需要。但是，对压缩机制造工艺要求的提高，系统高频运行时的回油问题、电磁兼容问题以及昂贵的变频器价格都是这一方案大规模推广的障碍。

 

  武文彬等将两级压缩制冷循环用于空气源热泵热水器以解决空气源热泵热水器低温适应性的问题，其双级压缩循环压缩比低于普通单级压缩循环压缩比，系统制热量始终大于单级压缩循环制热量，系统能效比（ＣＯＰ）在－２０℃环境温度下依然能够保持在１．５左右。

 

  除双级压缩技术以外，国内外一些学者还提出了双级耦合技术和复叠式热泵技术，对解决空气源热泵的低温适用性问题起到了非常有益的帮助。如马最良等提出双级耦合热泵系统，利用空气源热泵从室外空气中吸取热量，制取１０～２０℃的水作为水源热泵的低位热源，再制取较高温热水向建筑物供暖，使热泵机组低温运行范围有效扩大。余延顺等提出了一种复叠热泵机组，该机组通过电磁阀可以在单级与复叠循环间切换。

 

  计算结果表明，该机组在冬季较低的室外环境温度下能够节能运行。

 

  ２．４ 采用经济器系统

 

  经济器系统分为过冷器系统和闪发器系统。

 

  虽然早在上个世纪８０年代初，Ｎｏｂｕｋａｔｓｕ Ａｒａｉ提出的带闪发器的涡旋式压缩机注气系统在低温工况下可以提高制热性能１５％左右［５０］，然而在早期的研究中，带有经济器的热泵系统的研究一直局限于低温制冷领域，因此其研究一般针对制冷容量较大的螺杆式压缩机，很少应用于小型户式空气源热泵，因而这种准二级压缩的研究长期以来一直局限于低温制冷的情况。如在８０年代中期，Ｎｏｂｕｋａｔｓｕ Ａｒａｉ等提出了带经济器的准二级压缩制冷系统，该系统在－３０℃工况下完全可以取代双级压缩系统，蒸发温度在－１５～－４０℃范围内，可以使得制冷量增大１９％～４４％，制冷系数提高７％～３０％［５１－５２］。针对带有经济器的螺杆式制冷机组，国内外多名学者从理论上进行了研究。邬志敏将理想气体状态方程以及等熵压缩过程方程引入中间补气过程的能量平衡方程，但是没有考虑补气过程压缩机工作腔容积的变化，而是用一个等容混合－绝热增压过程来分析补气混合过程［５３］。肖大纲考虑了补气过程的容积变化较大的特点，分析了不同制冷工质、压缩机转速、补气孔口大小等因素对系统制冷量和制冷系数等的影响，分析准二级压缩制冷系统的性能变化［５４］。但是这些研究都是围绕制冷过程开展的，没有考虑过压缩、欠压缩对经济器系统的影响。

 

  Ａｓｉｔ Ｋ．Ｄｕｔｔａ等提出采用带喷液旁路的涡旋式压缩机系统解决低温工况制热时的排气温度过高问题，日立公司推出的Ｊ系列热泵空调机组，现场实际测试表明其可以在－１５℃以上的条件下正常工作［５５］。马国远等提出带辅助进气口的涡旋式压缩机空气源热泵，用来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能。经过研究，带辅助进气口的准二级压缩空气源热泵系统在－１０℃～－１５℃的低温环境中仍具有较高的制热能力和供暖温度，能够满足寒冷地区冬季的采暖要求［５６］。马国远还指出，要根据采用涡旋式压缩机经济器系统的目的来决定其设计参数和方案：若为了增加制冷量和提高系统的性能系数，相对补气压力的适宜值约为１．２；若为了增加制热量和降低排气温度，则应选用较高的补气压力［５７］。柴沁虎等建立了带经济器（过冷器系统）的涡旋式压缩机制冷循环的数学模型，分析了辅助回路使用热力膨胀阀系统的各种情况下的动态特性，认为最合理的开孔位置在吸气腔刚刚闭合处，开孔位置在一定范围内变化对系统的经济性、安全性的影响并不明显，但系统在低温工况下的制热量将有明显变化［５８］。赵会霞建立了涡旋式压缩机闪发器热泵系统补气－压缩过程的分析模型，认为闪发器前节流系统在低温工况下比过冷器系统和闪发器后节流系统可以更有效地提高空气源热泵的低温制热性能，比较适宜寒冷地区用小型空气源热泵系统。

 

  中村憲一的液体喷射制热循环是一种可保证低温热泵在室外温度－２０℃以上时都能较高效率地提供室内所需热量的技术方案。斎藤信提出了一种在室外温度为－１５℃时可实现系统制热量不衰减且高效运行的低温热泵技术方案。

 

  从目前市场来看，国外的空调公司，如美国Ｗｅｓｔｉｎｇ－Ｈｏｕｓｅ公司、Ｔｒａｎｅ公司、Ｄｕｎｈａｍ－Ｂｕｓｈ公司和日本Ｄａｉｋｉｎ公司等已经开发出可在－１５℃的情况下正常工作的空气源热泵机组，并在市场广泛应用。我国清华同方人工环境有限公司也开发出在－２２℃环境温度下仍可正常工作的低温系列的空气源热泵冷（热）水机组。但是总体来讲，拥有低温空气源热泵技术的国内空气源热泵公司还偏少。

 

  ３ 结论

 

  通过对国内外技术发展现状的分析，可以看出：

 

  １）对于霜层形成机制、换热器结霜特性和除霜方法等开展了大量的研究，相关理论和技术正在形成。但是设法防止或延缓室外换热器结霜的技术还没有在实际中得以推广和应用。除霜仍是目前空气源热泵最多的选择，但是有关研究仍有待进一步深入。

 

  ２）寒冷地区工作的空气源热泵机组除了改善热泵系统核心部件的性能，如压缩机和室外换热器，大多对制热循环进行优化，如液体喷射技术、闪发蒸气喷射技术等。日本和美国的一些大型空调企业正在积极研发或已生产能够在寒冷地区正常工作的空气源热泵机组，我国正在积极跟踪这些技术，进行实验和理论研究，产业化还未形成。

 

  ３）目前大多数的研究和空气源热泵机组样机还都是将热泵的低温适应性及结、除霜问题分开考虑，然而寒冷地区使用的空气源热泵机组也会面临－６～５℃和相对湿度６５％以上的气象条件，室外换热器表面结霜也是一个亟待解决的问题。

 

  因此应该将两者同时加以考虑，研究既能适应寒冷地区气候，又能有适当措施防止或延缓室外换热器结霜的空气源热泵机组，使空气源热泵机组在全天候条件下高效运行。