东北地区空气源热泵技术研究现状

东北地区空气源热泵技术研究现状

李芷祎

辽宁科技大学，土木工程学院 辽宁 鞍山 114051

摘 要：近年来热泵技术因其高效节能等诸多优点而社会各界被广泛关注。随着国家双碳政策的推行热泵技术势必有更大的发展前景，尤其是东北地区每年冬季大规模供暖时产生大量

二氧化碳和雾霾等严重的环境污染问题。所以热泵技术对于东北地区改善空气品质，提高居民生活质量更是有至关重要的作用。由于东北地区夏热冬冷的气候特点使热泵运行有着较大困难。综合现有的热泵技术分析其在东北地区使用存在的问题。

关键词：东北地区；空气源热泵技术；供暖

0 引言

东北地区每年供暖季都会消耗大量的煤等一次能源，带来严重的雾霾等空气污染问题，严重影响居民的健康和生活质量。所以开发新型供暖方式取代传统集中供热成为解决东北地区空气污染问题的关键。

早在20世纪70年代热泵就因其高效节能等诸多优点在国外迅速发展，我国的热泵技术则在2000年左右开始发展，近几年空气源热泵在我国发展速度更是突飞猛进，投入使用的热泵也越来越多。所以本文主要就空气源热泵的自身特点分析在东北使用存在的问题及解决方案。

1 空气源热泵

空气源热泵将空气作为低温热源从而实现建筑制冷供热需求。但是在东北地区由于冬季室外环境温度通常在零下十几度左右,导致室外蒸发器的蒸发温度和蒸发压力降低,空气源热泵的压缩机的排气温度上升,降低了系统热效率，增加了系统运行的不稳定性^[1]。除此之外在东北地区由于冬季室外温度过低还会导致室外换热器严重结霜问题，大大降低系统运行率。

1.1 补气增焓系统

采用补气增焓系统可以使空气源热泵在零下25摄氏度的低温下使用，也是超低温空气源热泵所采用的方法。与普通空气源热泵相比，低温空气源热泵增加了一条联通压缩机的蒸汽喷射支路，当压缩机回气不够时蒸汽喷射支路补气，使空气源热泵可以在较低温度下工作。张喜明等^[2]用TRNSYS软件仿真模拟吉林省长春市某建筑使用超低温空气源热泵供暖，结果表明：优化方案机组COP提高约 11.5%，节能效果显著提高，机组和系统运行更加稳定，证明了超低温空气源热泵在东北地区使用的可能性。金洪文等^[3]对长春市某高校实验楼使用超低温空气源热泵供暖进行经济性分析，结果表明：由于热负荷与设备不匹配导致热泵的平均能效没有达到预期值。所以在实际应用中需求负荷与设备配置上需要有灵活负荷变化模块化机组相互协同。除此之外，如用空气源热泵进行大规模供暖时，还需考虑设备占地面积大和防冻保护措施等问题。只要在适合条件合理的使用低温空气源泵，是可以达到热泵能效预期值，与集中供热相比更加经济节能。

1.2 双级压缩系统

在东北地区由于地理环境影响，常规单机压缩空气源热泵使用时会出现，压缩比升高、出现制热量不足、COP较低等问题，使其运行效率降低。邓杰等^[4]对比了单级压缩、双级增焓压缩转子式低温空气源热泵机组的制热工况性能，证明了双级压缩低温空气源热泵制热性能比单级压缩热泵机组有较大提高。田长青等^[5]提出了将双级压缩与变频技术结合空气源热泵系统，该系统运行稳定可靠，可以在零下18℃以上的室外低温环境中不用辅助热源即可满足东北等寒冷地区供热需求。但压缩机回油不均匀，最佳中间压力难以确定和温跨范围受限仍是限制双级压缩机发展的主要问题。

1.3 除霜系统

空气源热泵在东北地区使用时由于换热器温度低于环境空气的露点温度时，整个换热器上散热片表面会产生凝露水，当环境空气温度低于0℃，凝露水就会凝结成薄霜。结霜严重时会降低热泵供暖的效果。所以除霜对提高系统效率至关重要。

1.3.1 热力除霜

热力除霜主要包括热气旁通除霜和蓄能除霜。热气旁通除霜通过在压缩机排气口引出一条旁通回路，由电磁阀控制将制冷剂引入室外换热器释放热量完成除霜。热气旁通系统操作简单、成本较低、适用范围广、除霜效果良好，但受除霜能量是来自压缩机，除霜过程能损较大，除霜时间较长，不利于系统正常使用。蓄能除霜系统是在热气旁通除霜系统的基础上增设蓄热器，贮存热泵运行时产生的余热，这些余热可以解决热气旁通中除霜能量来自压缩机的问题，从而提高了机组运行的稳定。而且蓄能除霜的除霜时间短，恢复快，更有优越性。但存在除霜时室内供热中断和除霜效果受蓄热量影响等问题。

1.3.2 非热力除霜

非热力除霜系统主要有外加电场除霜和超声波除霜。蔡程浩^[7]用ANSYS数值模拟平台对0-10kV区间内的四个电场强度点分别进行了数值模拟研究。结果表明施加电场强度可以抑制霜层的形成。但外加电场会带来一定的危险性和能耗问题。王栋等^[8]使用了功率不同的超声波对霜层厚度不同的铝片进行除霜试验，验证了超声波除霜的可行性，证明了超声波除霜是一种高效，节能，稳定的除霜方法。但是超声波除霜受区域的限制不能完全去除翅片上的基层冰，不利于空气源热泵供暖运行。

2 结论

本文主对空气源热泵及土壤源热泵在东北地区使用时的优缺点进行了简要分析，得出以下结论：

1. 空气源热泵补气增焓系统可以使空气源热泵在零下25摄氏度的低温下使用，但是实际运行中存在热负荷与设备不匹配，平均能效达不到预期值；双级压缩系统机组的COP比单级压缩机组高22%～40%左右，可以在零下18摄氏度的室外使用，但是存在压缩机回油不均匀，最佳中间压力难以确定和温跨范围受限等问题；

2. 结霜问题也是限制空气源热泵在东北使用的原因之一，蓄热式除霜系统解决了热气旁通系统除霜能量来源不足的问题，但除霜效果受蓄热量影响；外加电场能有效抑制霜层形成但存在一定危险性；超声波可以高效节能除霜但不能完全出去翅片上的基础冰层影响供暖运行。

随着双碳政策的推行，热泵成为最可能取代传统的供暖新能源，每种热泵都尤其优缺点，在实际使用过程中需具体情况具体分析，选用最合适的热泵，才能最大程度发挥热泵高效节能的优点。

参考文献

1. 周富玉.单、双级压缩空气源热泵的热力学仿真与研究对比分析[D].湖南:2018.

2. 张喜明，曹月勇，王永辑等.超低温空气源热泵供暖系统的模拟分析[J].节能，2021，40(11):57-59.

3. 金洪文，杨蕾，徐镇等.低温空气源热泵在严寒地区的应用研究[J].建筑热能通风空调，2020,39(10)：39-42.

4. 邓 杰，杨旭东，王鹏苏.单、双级变频压缩低温空气源热泵制热性能及供暖效果对比分析[J].建筑科学，2014，30(10):36-40.

5. 田长青，石文星，王森.用于寒冷地区双级压缩变频空气源热泵的研究[J].太阳能学报，2004，25(3):388-393.

6. 孙茹男，罗会龙，李志国.空气源热泵供暖技术研究现状[J].工业安全与环保，2021，47(1):99-102.

7. 蔡程浩.基于高压电场下的空气源热泵除霜研究[D].郑州：华北水利水电大学，2021:33-46.

8. 王 栋，王智博.关于超声波对空气源热泵进行除霜的研究[J].居 舍，2018(30):191.