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空气源热泵的原理、最新发展及其典型应用

来源：www.lzcxsm.cn 发布时间：2022/4/26 17:07:06

空气源热泵的原理、最新发展及其典型应用

传统建筑通常采用冷水机组和锅炉满足制冷和供暖的需求。然而，由于燃煤和燃气锅炉燃烧过程中会排放温室气体和颗粒物，因此并不环保。直接使用电力的电锅炉或电加热供暖方式由于一次能源效率低，故不节能。因此，热泵作为一种高效、冷热同源的设备，在世界范围内被广泛发展和应用。根据热热源/汇的类型不同，热泵一般可以分为空气源热泵（ASHP）、地源热泵（GSHP）和水源热泵（WSHP）等。

相比水源热泵和地源热泵，空气源热泵从环境空气中吸收或向空气中排出热量，具备成本低廉、应用场合广的优势。因此，空气源热泵在同时有冷、热需求的建筑中扮演着越来越重要的角色。近年来，空气源热泵在建筑供冷和供暖中的应用得到了大的发展。

本文综述了空气源热泵的原理、最新发展及其典型应用。由于近年对空气源热泵制冷技术的研究已经较为成熟，当前的挑战主要来自于供暖，故本文重点关注供暖领域的新发展，其中一些技术也适用于制冷。

运行原理：

空气源热泵与简单蒸气压缩循环较为相似，也由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器串联而成，大的区别是在压缩机出口设置四通阀用于制冷和热泵模式下的制冷剂流向切换，如图1所示。在制冷模式下，压缩机出口排气经四通阀被引入室外冷凝器，制冷剂向环境空气放热后被冷凝成液体，之后液态制冷剂节流为低压两相状态，在蒸发器中吸收外侧流体中的热量，实现制冷效果；蒸发后的制冷剂返回到压缩机，被循环压缩。制热模式下，四通阀切换制冷剂流通方向，压缩机排气经四通阀被引入室内冷凝器，制冷剂向室内空气或流体中排热，实现供暖；然后液态制冷剂经节流为低压两相状态，通过室外换热器吸收环境空气中的热量。根据换热流体的不同，通常将空气源热泵分为两类：空气-空气型主要指分体式空调、组合式空调等，用于直接加热/冷却室内空气；空气-水型主要指空气源热泵冷热水机组，用于向空调机组、风机盘管机组、散热器、散热板等不同类型的室内末端装置供应冷热水，以冷却/加热室内空气。

空气源热泵制热时在投入少量电能的情况下从环境中吸取大量热量，因此其供热效率通常是直接电加热的3-4倍。然而，有几个因素显著影响空气源热泵的性能：第一，在环境温度较低的工况下，空气源热泵的性能显著降低；第二，制热过程中的结霜问题严重影响能效和可靠性。为解决上述问题，近年许多研究人员和工程技术人员在空气源热泵技术改进方面投入了大量的精力，以下内容综述了这些技术的最新发展。

技术现状

1、低温空气源热泵

空气源热泵在低温下的性能较差，供热能力不足，性能系数（COP）较低。供热能力降低的原因是吸气口制冷剂密度大大降低，以及压缩机的容积效率较低；其能效较低的原因是压比过高、压缩机等熵效率低、节流损失大。因此，为了提高压缩机的性能，开发了以下新技术。

变频压缩技术是提高空气源热泵供热能力的有效方法之一。在低温工况下，提高压缩机转速，可以显著增加其排气量，从而提高空气源热泵的供热能力。然而，变频技术并不能提高系统能效。为了同时提高供热能力和低温下的能效，研发了多级压缩技术。根据压缩级数和循环结构的不同，多级压缩空气源热泵可分为复叠循环和双/多级压缩等。特别地，为了提高单级压缩系统在低环境温度下的供热能力，可以在压缩过程中直接向压缩腔喷入制冷剂，这就是所谓的准双级压缩。由于准双级压缩循环具备双级压缩循环的特点，故本文将纳入双级压缩循环的范围一并介绍。

•复叠式空气源热泵

由于环境温度低，导致系统压比高，压缩功大，节流损失大，导致热泵能效低。为了减少损失，复叠式空气源热泵系统采用两个蒸气压缩循环相串联来代替单一的循环，以减小单级循环的压缩比。

复叠系统由两个独立的蒸气压缩循环组成，其一为低温级循环，另一个为高温级循环。这两个循环通过一个共用的中间换热器相连接，该换热器同时作为低温循环的冷凝器和高温循环的蒸发器运行。冬季，低温循环通过蒸发器从环境空气中吸收热量，并将热量提升到更高的温度，作为热源提供给高温循环；在高温循环中，热量再次被提升至室内供暖所需的温度。

采用复叠式空气源热泵，循环的压比大大降低，减少了总压缩损失和节流损失，因而可以提高空气源热泵的能效；并且，根据不同的工况，复叠式循环的高、低温级可采用不同的制冷剂。由于复叠式系统可采用两个简单的单级系统来实现，故已经有多年被用于供暖和供应热水的应用。然而，复叠循环中间换热器的换热温差不可避免地会导致一定的效率损失；并且，复叠循环需要使用两台压缩机和一个额外的换热器，这与单级循环相比成本更高。

•双级压缩空气源热泵

双级压缩空气源热泵将两个制冷循环连接在一起，可以看作是复叠式系统的简化形式。如下图所示，根据所采用经济器的不同，可以将双级压缩空气源热泵分为两类：闪蒸罐（FT）系统[5]和中间换热器（IHX）系统。

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