空气源热泵在我国暖通空调中的应用展望

徐振坤

（广东美的制冷设备有限公司，广东 佛山 528311）

【摘要】我国因纬度跨度较大，空气源热泵的使用呈现区域性；在南方夏热冬冷与温和地区普及较广，在北方寒冷地区则是一个与集中锅炉供暖共存的形势，相对较少。制约空气源热泵普及的就是低温制热衰减的问题。随着空调热泵技术的发展完善，绿色建筑普及；通过强化制热技术与一些采暖技术方案的搭配，空气源热泵在我国的普及应用值得期待。

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关键词 空气源热泵；暖通空调；喷气增焓；地板辐射；太阳能

0　前言

近些年来空气源热泵在我国发展不错，市场占比逐年提高。据统计，2014年市场上多联机与单元机等空气源热泵的市场占有份额已达53%。针对目前全球气候变暖、PM2.5等环境压力，锅炉作为城区排放的来源，在一些地区被禁止或限制，为热泵供暖提供了良好的发展机遇；而空气源热泵因其可制冷制热，占用空间小，安装方便灵活，成为近年来备受关注的一种新型节能与清洁能源。

1　南北采暖主要特点

北方采暖特点：①集中供暖：集中供暖主要采用两种方式，一种是燃煤、燃油、燃气大型锅炉供暖；另一种中央空调供暖，即热泵供暖。②分户供暖：用热单独计算，如小型气、油锅炉，家用中央空调，壁挂炉，电热膜或接入热力管网等。目前北方仍是以集中供暖或接入热力管网居多，而且以锅炉为主，对环境影响较大。

南方采暖特点：历史原因，一直没有集中供暖设备，为分散采暖，形式多样，主要有三种：①小型家用空调采暖，优点是不受前期基建影响，安装使用方便；缺点是低温会衰减，舒适性偏差。②燃气壁挂炉采暖，以天然气、城市煤气作为燃料，可安装在厨房、阳台等。可加装温控器来调节循环水温，舒适性较好；与生活用水共用一套系统，实现采暖、家用热水一体化；初期投入会稍大，施工会受到基建的影响。③辐射采暖，以地板辐射采暖为主。地板辐射主要实现方式为铺设热水管路、发热电缆、电热膜等。地板辐射采暖的舒适性较高；但前期投入也较高，对设计施工与基建要求也较高。

通过对比可以看出，无论南北都已完全具备热泵采暖的推广条件，北方的集中供暖锅炉基于环境压力替换是发展的趋势，南方的壁挂炉与辐射采暖中的热水完全可以用空气源热泵来代替制取。而且空气源热泵系统本身就具有制冷的作用，这样就可以制冷制热机组为同一套，节约投资。而制约空气源热泵普及的主要原因是低温制热效果衰减的问题。

2　空气源热泵基本改善思路

空气源热泵的热源是大气，工质蒸发温度随着室外大气温度变低而降低。①在室外气温低于3℃的时候，室外换热器的结霜速度加快，需要进行化霜，会导致温度波动；②当低于-5℃的时候，室外换热器中的液态工质蒸发效果变得很差，吸入回气口的气态工质变少，循环流量降低而导致制热效果变差。

（1）对空气源热泵结霜、化霜问题进行研究。通过合理的翅片形式、间距、新型亲水材料、风速，或对室外空气进行除湿干燥预处理，根据气候区域设计热泵减弱结霜。结合模糊控制技术，更智能除霜控制方法来加快化霜。采用热气旁通，冷媒加热，特殊材料相变蓄热等不停机化霜技术来减轻化霜波动。

（2）针对空气源热泵低温蒸发效果变差，循环工质流量变小的问题选择适合的强化制热技术方案。如低温工质，喷气准双级压缩技术，双级耦合技术等。

（3）进行节能研究，加强计算机模拟在空气源热泵系统中的应用。借助计算机技术，提高压缩机技术指标，优化室内外换热器在最理想的温度下运行供热系统。

3　空气源热泵在我国暖通空调中的应用展望

3.1　采取强化制热技术方案

3.1.1　变频压缩机+喷气增焓技术

为了改善低温制热循环流量变少的问题，一般通过变频压缩机提高频率来增大循环流量，其改善效果有限；另一方面可采用喷气技术，冷凝器后的制冷剂液体抽取一部分节流后与中间换热器换热或者进入闪蒸器分离后直接回到压缩机的喷气口，与从回气口吸入被压缩的到一定程度的气体混合后再压缩到更高的压力排出，这样就增加了排气量，相当于变相的解决了低温室外换热器蒸发效果变差，循环气量不足的问题。研究表明喷气系统比普通系统可提高制冷制热量15-30%，尤其在高温制冷与低温制热量上改善明显，同时能提高系统能效8-18%。目前变频喷气增焓热泵可以实现-30℃安全运行，-15℃强劲制热，出水温度可达65℃，这样就使空气源热泵从南方的-5℃拓宽到我国大部分的北方寒冷地区。该方案系统成本提高不多，仅是热泵机组设计上的增加，在替换锅炉时暖通空调系统设计基本无需改变，改造升级方便。其可靠性与节能效果已在欧洲与我国北方的一些案例中得到了验证，在我国具有很好的推广前景。

3.1.2　双级耦合热泵技术

针对低温化霜波动，制热变差，可以采用双级耦合技术。通过第一级空气源热泵冷热水机组先制取10-20℃左右的热水贮备作为第二级热泵的低温热源；再通过第二级的水源热泵冷热水机组为用户提供50℃以上的热水，或者直接采取水源/空气热泵机组来加热空气。这样机组的两级系统分别运行在各自合理的压比，制热效果得到保证，可靠性得到了提高，室内的舒适性就不会因为室外温度低结霜化霜而受到影响。而且双级耦合机组配置可以根据需要设定为室外低温开双级，室外高温开单级（第一级空气源热泵冷热水机组），从而起到节能的作用。相对喷气技术而言，能效偏低，但能够获得较高与稳定的出水温度。另外初投入上也会比变频喷气系统大，暖通系统设计相对复杂，用在采暖改造上可能会不经济，适合电量充裕的一些新建项目。

3.1.3　CO2热泵技术

在热泵系统中，CO2是最有潜力的天然工质。其对环境无害ODP=0，GWP=1；廉价；无毒，不可燃；单位容积制冷量高；跨临界系统冷却时温度滑移可以与变温热源较好的匹配；跨临界循环的压比小，COP会好。能提供85℃以上的热水，用于暖通空调采暖中具有十分明显的优势，可以接北方集中采暖散热器；同时因工作压力太高，大功率、大制热量机组实现起来较难。CO２热泵在日本已经成功商业化并在向国外推销，未来几年内CO2热泵将会是行业关注的焦点。

3.2　采取一些节能环保的组合采暖技术方案

3.2.1　空气源热泵+地板辐射

空气源热泵的最佳工作状态是提供50℃以下的热水。以往空气源热泵用于建筑采暖较少的原因在于采暖散热器要求热水温度在60~80℃。地板采暖一直被公认为最舒适的采暖方式，需要的热水温度≤60℃。通过选用高效的辐射盘管，适当减少的盘管间距，可降低热媒水温度（＜50℃）、缩小供回水温差（＜5℃）；同时结合敷设在盘管下的铝箔复合层热反射，高压阻燃型挤塑保温板，可以减小热损失，进一步降低水温。已有研制出的进水温度35℃、回水温度31℃、空气基准温度20℃测试，散热量可达100W/㎡以上的十分高效的末端。这样完全可以用空气源热泵来提供地板辐射所需的低温热水，即舒适洁净又节能环保。

3.2.2　空气源热泵+小温差风机盘管

南方夏热冬冷地区，传统的风机盘管大多是吊顶形式，以夏季制冷为主而设计，冬季采暖时，舒适性差；为了保证效果，供暖送风温度较高，浪费大。根据热空气上升，活动区域与功能有针对性设计落地式小温差换热末端的系统，可以降低送风温度。其具有空气流量大、温差小、换热高效的优点，降低了对水温的要求，仅需30℃以上的热水即可实现供热，且温度均匀。相比市面上其他供暖末端，小温差换热末端虽然没有地暖舒适，但启动时间比地暖更短、响应快，利于节能，同时还具有布置方式更灵活的优点。

3.2.3　空气源热泵+太阳能

空气源热泵加太阳能是一种理想的组合方案。在白天可利用太阳能加热水。在夜间或阴雨天没有太阳时，启动空气源热泵供热，将太阳能产生的低温热水加热至供水要求，实现了太阳能零能耗加空气源热泵低能耗的有效结合。通过选用高效集热器，智能判断气温变化，系统循环保温，分室分时段控制，太阳能和空气源热泵智能切换等措施后，采暖系统太阳能的供献率可达40%以上，十分节能。另外二者均在相对比较稳定的条件下运行，能保证全年全天候工作。我国幅员辽阔，太阳能资源相当丰富，约有三分之二以上的地区太阳能资源较好；绝大多数地区年平均日辐射量在4kWh/m2以上，有着可利用太阳能的天然条件。

4　结语

全球气候变暖，人们节约环保意识的不断提高，新能源的开发利用如火如荼。空气源热泵作为节能的可再生能源，其热利用效率仅低于燃煤热电联产供热，已经获得了世界各国政府的重视。通过行业的努力，新技术方案的成熟，相信空气源热泵将会获得更大的发展。

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参考文献

［1］刘强，樊水冲，何珊．喷气增焓涡旋压缩机在空气源热泵热水器中的应用[J]．流体机械，2008,36(9).

［2］张川，陈金峰，王如竹．上海地区空气源热泵结合小温差换热风机盘管末端的供暖空调系统性能的实验研究[J]． 制冷技术，2014(1).

［3］林康立．太阳能与空气源热泵结合的热水工程设计及技术经济比较[J]．制冷技术，2009(1).

［责任编辑：薛俊歌］