空氣能熱泵在低溫環(huán)境下的節(jié)能效果研究

空氣能熱泵因?yàn)楦咝Ч?jié)能、安全智能而得到廣泛的運(yùn)用。而環(huán)境溫度對(duì)空氣能熱泵的性能有非常大的影響，在環(huán)境溫度正常時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，但低溫環(huán)境下系統(tǒng)的可靠性和制熱量下降比較嚴(yán)重。低溫環(huán)境下，會(huì)使系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度下降，壓縮比增大從而導(dǎo)致排氣溫度較高，使壓縮機(jī)超負(fù)荷工作，導(dǎo)致壓縮機(jī)經(jīng)常啟停，比較嚴(yán)重時(shí)甚至影響壓縮機(jī)。除此之外，壓縮機(jī)吸氣比體積增大，輸氣系數(shù)減小；蒸發(fā)器表面非常容易結(jié)霜導(dǎo)致?lián)Q熱器傳熱效果大大減弱，空氣能熱泵機(jī)組制熱量降低，性能下降。這導(dǎo)致空氣能熱泵的推廣使用得到了一定的阻力，所以，怎樣將其優(yōu)點(diǎn)在低溫環(huán)境中發(fā)揮出來成為工程師們研究的關(guān)鍵。經(jīng)過工程師們的不斷努力，空氣能熱泵在低溫環(huán)境下的制熱量和穩(wěn)定性等性能能夠經(jīng)過提升蒸發(fā)側(cè)的除霜和延緩結(jié)霜技術(shù)的有效途徑得到緩解和改進(jìn)。

3.1噴氣增焓

補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)是選用兩級(jí)節(jié)流中間噴氣技術(shù)，選用閃蒸器進(jìn)行氣液分離，實(shí)現(xiàn)增焓效果。它經(jīng)過中低壓時(shí)邊壓縮邊噴氣混合冷卻，然后高壓時(shí)正常壓縮，提升壓縮機(jī)排氣量，達(dá)到低溫環(huán)境下提升制熱能力的目的。

格尚等在寒冷地區(qū)沈陽對(duì)噴氣增焓空氣源熱泵的運(yùn)行特點(diǎn)做了測(cè)試，結(jié)果顯示系統(tǒng)的制熱季節(jié)能效比可達(dá)2.51，供熱穩(wěn)定，而當(dāng)供水高于10℃時(shí)，水泵再次運(yùn)行，導(dǎo)致回水溫度低過正常值，對(duì)空氣能熱泵機(jī)組的性能要求較高。格尚在蘭州地區(qū)測(cè)試了噴氣增焓空氣能熱泵系統(tǒng)在不同溫度的性能，結(jié)果表明；該系統(tǒng)能夠非常好地改進(jìn)系統(tǒng)的性能，在環(huán)境溫度為-11.2℃，系統(tǒng)的COP能達(dá)到2.0。Bach.C.K介紹了一種可實(shí)現(xiàn)兩級(jí)注氣、閃蒸旁通和單機(jī)壓縮三種模式可切換的空氣能熱泵裝置。Cao等將經(jīng)濟(jì)器噴注系統(tǒng)和混合制冷劑用于空氣能熱水器中，空氣能熱泵機(jī)組的能效比和熱容量均有所增加，但壓縮機(jī)排氣溫度明顯降低。Wang等建立了噴氣增焓空氣能熱泵的模型，比較了中間換熱器噴氣和閃蒸器注氣時(shí)空氣能熱泵的性能，得知前者注氣時(shí)空氣能熱泵系統(tǒng)的性能較好。胡文舉對(duì)待閃光器的補(bǔ)氣增焓空氣能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：存在z佳的一級(jí)壓力比，使系統(tǒng)的性能趨于穩(wěn)定壓縮機(jī)的排氣溫度下降。費(fèi)繼友對(duì)低溫環(huán)境下吸氣噴液空氣能熱泵系統(tǒng)做了研究，得知壓縮機(jī)的排氣溫度可有效地下降，但吸氣噴液下降了系統(tǒng)的制熱量和能效比，導(dǎo)致空氣源熱泵功能損耗上升，對(duì)高壓縮比沒有改進(jìn)。

3.2雙級(jí)壓縮熱泵

雙級(jí)壓縮空氣能熱泵機(jī)組是經(jīng)過中間壓力補(bǔ)氣方式來提升機(jī)組低溫下的使用性能，減少了高壓級(jí)壓縮機(jī)吸氣溫度，改進(jìn)了高壓級(jí)壓縮機(jī)的冷卻效果，有效的提升空氣能熱泵機(jī)組在低溫工作狀況下的制熱使用性能，降低了壓比，減少了壓縮機(jī)的排氣溫度，提升了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

Xu等對(duì)活塞式雙級(jí)壓縮空氣能熱泵機(jī)組進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，機(jī)組的使用性能有比較大的提升。Kwon等運(yùn)用余熱作為熱源，對(duì)兩級(jí)壓縮空氣能熱泵機(jī)組在地域供熱方面做了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)余熱溫度從10℃增加到30℃，空氣能熱泵機(jī)組的COP增加了22.6%。尹應(yīng)德設(shè)計(jì)了帶中間經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣能熱泵機(jī)組，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在環(huán)境溫度從20℃逐漸減少到-15℃過程中，機(jī)組的供熱量和COP均下降，但在-15℃時(shí)COP為1.8，較電設(shè)備仍節(jié)能。田長(zhǎng)青提出將雙級(jí)變頻壓縮技術(shù)用到空氣能熱泵機(jī)組中，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在室外-18℃時(shí)機(jī)組的制熱系數(shù)大于2，可滿足供暖要求。格尚在不同工作狀況下對(duì)雙級(jí)壓縮空氣能熱泵機(jī)組深入研究，在-20℃時(shí)機(jī)組COP和供熱量分別為2.1和4.65kW，具有較好的低溫使用性能。

許多研究者發(fā)現(xiàn)噴氣增焓渦旋壓縮機(jī)技術(shù)在低溫空氣能熱泵中有成功的應(yīng)用，在單級(jí)壓縮機(jī)組中低溫適應(yīng)性有一定緩解，仍具有壓縮比大和排氣溫度過高及系統(tǒng)啟動(dòng)的可靠性等問題沒有明顯的改進(jìn)；而雙級(jí)壓縮系統(tǒng)對(duì)空氣能熱泵在低溫的運(yùn)行有一定的改進(jìn)，也出現(xiàn)變頻壓縮低高壓級(jí)的合理輸氣量比、z佳中間壓力的變化等問題，所以，對(duì)空氣能熱泵的補(bǔ)氣增焓和雙級(jí)壓縮的實(shí)驗(yàn)還需要繼續(xù)。

3.3新工質(zhì)替代

制冷劑的選擇要對(duì)人類生存環(huán)境沒有破壞并節(jié)約能源，研究者們對(duì)新型制冷劑和R22做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究了新型制冷劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)含HCFCS制冷劑的前景，并比較了各種各樣制冷劑對(duì)空氣能熱泵機(jī)組使用性能的影響。

翁文兵等對(duì)R417a和R13a及R22用在空氣能熱泵熱水器中，從理論和試驗(yàn)研究的角度出發(fā)，綜合考慮機(jī)組的供熱量、功耗、排氣溫度、冷凝壓力及安全性等指標(biāo)，得出R417a代替R22時(shí)機(jī)組的使用性能和環(huán)保效果更好。Neksa.p對(duì)CO2熱泵熱水器的使用性能實(shí)驗(yàn)，該機(jī)組在蒸發(fā)溫度為0℃時(shí)，將9℃的水加熱到60℃，機(jī)組COP為4.3且在能耗方面比燃?xì)狻㈦姛崴鞲佟u和Fan等為了實(shí)驗(yàn)R744和R290混合后代替R22的使用性能，經(jīng)過理論模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證，R744和R290在按12%和88%混合時(shí)，得到的z佳COP為4.73，相比較于R22單獨(dú)使用時(shí)COP提升11%且排氣溫度約下降28K，有助于提升空氣能熱泵效率和壓縮機(jī)壽命格尚等比較了R134a、R407c和R22三種冷媒在無霜空氣能熱泵中的性能指標(biāo)，在工作溫度和濕度對(duì)應(yīng)為-10℃和85%時(shí)，R134a的平均COP較R22和R407c對(duì)應(yīng)大3.3%和8.6%，在工作溫度和濕度為0℃和85%時(shí)，R134a的排氣壓力比R22和R407c減少29%和32%。藕俊彥在不同工況下對(duì)噴氣增焓空氣能熱泵系統(tǒng)的測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，在室外溫度較低時(shí)，R410A更適合代替R22。Ali等分析了電加熱設(shè)備的空氣能熱泵在寒冷地區(qū)的性能指標(biāo)，將R32和CO2按8∶2混合后，用數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)相對(duì)于R410A，系統(tǒng)季節(jié)性節(jié)能達(dá)12%，改變混合量后節(jié)能效果可提升至23%，也可減少GWP16%，說明了混合冷媒在空氣能熱泵應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

基本理論溫熵圖