許強(qiáng)　徐繼凱　劉曉艷

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)和各行各業(yè)的快速發(fā)展，在能源緊張的大環(huán)境下，空氣源熱泵系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注。針對空氣源熱泵目前的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，總結(jié)了空氣源熱泵系統(tǒng)冷熱源、輸配系統(tǒng)、末端的優(yōu)化方向。就如何提高空氣源泵系統(tǒng)供熱能效提出了建議，并提出了進(jìn)一步研究的方向。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;逆卡諾循環(huán);能效比;新能源

1 空氣源熱泵的特點(diǎn)

空氣源熱泵機(jī)組就是利用室外環(huán)境中的空氣能量，機(jī)械做功后，將能量從低位熱源向高位熱源轉(zhuǎn)移的熱泵裝置，可利用冷凝熱來提供生活熱水，從而配置成熱回收型機(jī)組。我國長江流域夏熱冬暖地區(qū)具有夏季高溫悶熱，冬季陰冷潮濕的氣候特點(diǎn)，但由于該地區(qū)供暖期短，且我國能源緊張，不宜選用集中供暖形式，空氣源熱泵具有節(jié)能、冷熱兼供、無需冷卻水和鍋爐等優(yōu)點(diǎn)，適用于我國夏熱冬冷地區(qū)作為中央空調(diào)的冷熱源。空氣源熱泵和水源熱泵相比初投資可低30%～50%，在沈陽，空氣源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用和集中供暖的運(yùn)行費(fèi)用相差不大，但比燃?xì)獗趻鞝t供暖的運(yùn)行費(fèi)用少15%以上，比電采暖少60%以上。它具有一機(jī)多用、節(jié)能、環(huán)境友好的優(yōu)勢?？諝庠礋岜脵C(jī)組在低溫高濕的環(huán)境中使用時，常出現(xiàn)換熱器表面結(jié)霜，壓縮機(jī)頻繁啟停，供熱能力降低，需要定期除霜才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 空氣源熱泵工作原理及應(yīng)用

2.1 卡諾循環(huán)

空氣源熱泵、空調(diào)、冰箱等制冷、制熱設(shè)備基本上都是利用了逆卡諾循環(huán)的原理，逆卡諾循環(huán)是卡諾循環(huán)的逆循環(huán)。法國工程師卡諾通過研究蒸汽機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作過程，拋開所有非主要因素，從理想循環(huán)著手，用普遍理論的方法，作出了如下結(jié)論：消耗熱可以得到機(jī)械功。他指出，熱機(jī)一定要在高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作，“凡是有溫度差的地方就能夠產(chǎn)生動力;反之，凡能夠消耗這個力的地方就能夠形成溫度差，就可能破壞熱質(zhì)的平衡?！彼麡?gòu)造了一個在冷凝器和加熱器之間的理想循環(huán)：汽缸和加熱器連通，使加熱器的溫度與汽缸內(nèi)的工作物質(zhì)水和飽和蒸汽溫度相等，讓汽缸內(nèi)的蒸汽緩慢地膨脹，保持在整個過程中，蒸汽和水都處于熱平衡。接著讓汽缸和加熱器互相隔絕，使蒸汽絕熱膨脹，直到溫度和冷凝器的溫度相等。然后活塞緩慢地壓縮蒸汽，一段時間后冷凝器與汽缸脫離，作絕熱壓縮一直恢復(fù)到初始的狀態(tài)。這循環(huán)是由兩個等溫過程與兩個絕熱過程組成的循環(huán)，叫作“卡諾循環(huán)”?？ㄖZ循環(huán)由四個過程組成：等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮。

2.2 冷熱源優(yōu)化

常規(guī)空氣源熱泵機(jī)組采用單級壓縮循環(huán)，在我國華北、西北等寒冷地區(qū)使用時制熱能力衰減，無法在冬季正常運(yùn)行。隨著產(chǎn)品的研發(fā)更新，先后出現(xiàn)了帶油冷卻的單級壓縮系統(tǒng)、準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)、二級壓縮系統(tǒng)、復(fù)疊式系統(tǒng)、多種能源形式的復(fù)合系統(tǒng)等。目前，已經(jīng)研制出適用于寒冷地區(qū)的低環(huán)境溫度空氣源熱泵機(jī)組，可在室外溫度不低于-20℃時制取30～50℃的供暖熱水。隨著技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外學(xué)者對低環(huán)境溫度空氣源熱泵的改進(jìn)進(jìn)行了大量試驗研究，使其能適用于寒冷地區(qū)供暖?？諝庠礋岜脵C(jī)組的結(jié)霜問題飽受詬病，在室外溫度較低的寒冷地區(qū)使用時易結(jié)霜，結(jié)霜嚴(yán)重時會影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前，常用的除霜方法主要有：逆循環(huán)除霜、熱氣旁通法除霜、蓄能除霜和工質(zhì)過冷除霜法。前兩種除霜措施均存在能量供給不足、效率不高、系統(tǒng)不穩(wěn)定的缺點(diǎn);蓄能除霜可以克服能量補(bǔ)給的不足，但結(jié)霜時系統(tǒng)制熱量衰減、除霜時不能供熱、相變材料的性能穩(wěn)定性問題都有待改進(jìn);工質(zhì)過冷除霜法可提高理論制熱系數(shù)，但采用噴射膨脹閥會增加設(shè)備成本。有學(xué)者提出無霜空氣源熱泵，該系統(tǒng)采用加熱再生方式，再生效率低，供熱能效不高。郭浩增等人提出多熱源輔助除霜法，該方法主要是通過儲存用電低峰期的制熱量和太陽能等多種熱源，實現(xiàn)多種熱源輔助除霜的目的。余延順等人提出冷凍再生的溶液除霜型空氣源熱泵機(jī)組，該機(jī)組運(yùn)用鹽溶液噴淋的方式除霜，除霜完成后的稀溶液再采用冷凍方式使其再生，從而實現(xiàn)連續(xù)供熱，溶液再生方式由加熱法改進(jìn)為冷凍法，再生過程能耗降低。

2.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵熱水器內(nèi)置了一種吸熱的介質(zhì)———制冷劑（冷媒），它液體的狀態(tài)下溫度低于零下20℃，一般與外界自然溫度存在著溫差，故此，制冷劑可以吸收外界自然的溫度，在蒸發(fā)器內(nèi)部產(chǎn)生壓力并且蒸發(fā)汽化，通過熱泵的循環(huán)，使制冷劑從汽體狀態(tài)轉(zhuǎn)化成液體狀態(tài)，它攜帶的熱量便釋放給了熱泵熱水器機(jī)組水箱中的儲用水。空氣源熱泵工作過程包括以下四個步驟：①低溫低壓的液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓;②制冷劑通過降壓后，接著進(jìn)入交換機(jī)中蒸發(fā)，從而在空氣中吸收大量的熱量Q1，制冷劑轉(zhuǎn)為氣態(tài);③氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，變成高溫高壓的制冷劑;④壓縮后的高溫高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入熱交換器后，把它所含的熱量釋放出來，將冷凝器中的冷水加熱，冷水被高溫高壓制冷劑加熱到55℃（最高可以到65℃）進(jìn)入保溫水箱，此時制冷劑也由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。如此一直循環(huán)，源源不斷地從空氣中吸收熱量給冷水，使冷水溫度升高。

3 空氣源熱泵供熱產(chǎn)業(yè)前景

由于受到國家清潔能源利用政策的影響，商用領(lǐng)域的空氣源熱泵產(chǎn)品源于其具備高節(jié)能、無污染的特性，成為各個地區(qū)的替代選擇，致使本身單臺價格遠(yuǎn)高于家用產(chǎn)品的商用產(chǎn)品銷售額規(guī)模迅速提升。細(xì)分產(chǎn)品方面，受整體基礎(chǔ)原材料價格上漲的影響，空氣源熱泵熱水產(chǎn)品增長乏力;在政策影響下，相對的采暖機(jī)組在清潔取暖市場上奪得一定份額，一方面通過政府層面的推動大大提升了產(chǎn)品認(rèn)知度，另一方面帶動整體行業(yè)規(guī)模迅速提升。

結(jié)語

隨著空氣源熱泵機(jī)組的能效不斷提高，設(shè)備除霜技術(shù)的成熟，末端產(chǎn)品的不斷優(yōu)化，系統(tǒng)配置設(shè)計優(yōu)化，空氣源熱泵系統(tǒng)，特別是空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在我國南、北方地區(qū)都將有著廣泛的應(yīng)用市場。

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