根據ＩＥＡ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｇｅｎｃｙ）有關調查，空氣源熱泵現已占全球熱泵用量的２７％。

 

  我國家用空調器中，約７０％以上為空氣源熱泵型空調器［１］。空氣源熱泵的“再生能源＋高位能源—供暖—廢棄物—再生能源”的部分能量閉環反饋式循環過程的供暖（冷）模式是一種先進的用能模式，其節能和環保特性注定空氣源熱泵在暖通空調中的應用將越來越廣泛。然而，實踐表明，現階段空氣源熱泵的運行效果還不理想，主要表現為２個方面：空氣源熱泵的低溫適應性和空氣源熱泵的結霜及除霜問題。

 

  空氣源熱泵室外換熱器的結霜和除霜問題是造成空氣源熱泵運行效果不理想的一個主要原因。張建中等對南京采用空氣源熱泵冷（熱）水機組作為空調冷熱源的１８９項工程調查表明，其中運行良好的占１５％，運行效果差的占１５％，７０％的機組運行效果居中。其他地區（如杭州、成都、長沙等）也發現類似情況，其主要問題就是空氣源熱泵結霜問題［２］。當空氣源熱泵機組結霜運行時，隨著霜層的增厚，空氣源熱泵將出現蒸發溫度下降、制熱量下降、風機性能衰減、電流增大等現象，嚴重時甚至燒毀壓縮機。因此，需用周期性除霜解決這些問題。

 

  空氣源熱泵的低溫適應性是制約空氣源熱泵推廣應用的另一主要原因。運行實踐表明，空氣源熱泵應用于黃河流域、華北等寒冷地區，其性能非常低，甚至無法運行。主要原因：空氣源熱泵應用于寒冷地區時，隨著室外環境溫度的降低，制冷劑質量流量下降，供熱量急劇減少，壓縮機排氣溫度隨著壓縮比的升高而急劇升高，使機組無法正常運行或運行可靠性降低，長期運行必然會嚴重損壞壓縮機。鑒于傳統的空氣源熱泵在低溫環境下制熱性能和運行可靠性差的問題，２００２年美國能源部將寒冷氣候下工作的熱泵列為商業建筑暖通空調系統最具節能潛力的１５項技術措施之一。

 

  學者研究表明，空氣源熱泵在－６～５℃之間，相對濕度在６５％以上的氣象條件下運行時，室外換熱器表面最易結霜［４］。根據文獻［５］，我國華北地區和黃河流域為輕度結霜區。因此，在這些地區結霜并不是影響空氣源熱泵的主要問題，空氣源熱泵主要問題表現為其低溫適用性問題。而在我國長江流域、華南等地區，雖然冬季空氣溫度較高，但空氣源熱泵的結霜問題嚴重，導致其運行的穩定性和可靠性較低，嚴重制約其推廣應用。因此，綜合空氣源熱泵在我國南方和北方的推廣應用，必須解決其結霜和低溫適用性問題，這也是近年來國內學者研究的熱點。

 

  １ 空氣源熱泵結霜問題的研究現狀與趨勢

 

  空氣源熱泵結霜是制約空氣源熱泵高效運行的一個瓶頸，圍繞結霜和除霜這一熱點問題，國內外學者開展了很多研究工作，主要包括結霜的研究、防止或延緩結霜的研究及除霜的研究。

 

  １．１ 空氣源熱泵結霜研究

 

  １．１．１ 結霜理論研究

 

  結霜是一個非常復雜的過程，也是研究除霜和防止或延緩結霜問題的基礎。孫玉清等引進成核理論、晶體動力學理論和氣象學有關理論，建立了較為精確的結霜數學物理模型，進行了抑制結霜方面的研究［６］。Ａｍｅｅｎ Ｆ．Ｒ．等從理論和實驗２個方面研究了結霜對蒸發器傳熱特性及熱泵性能的影響［７］。姚楊采用分布參數法，在熱質平衡及壓力平衡的基礎上建立了空氣－空氣熱泵蒸發器的數學模型［８］。Ｋｏｎｄｅｐｕｄｉ Ｓ．Ｎ．等將結霜模型和傳熱特性相結合進行了討論，建立了較為詳細的翅片管換熱器結霜模型［９］。夏凊等將結霜過程視為準穩態過程，建立了翅片管式蒸發器結霜工況下的數學模型，并分析了結霜對蒸發器性能的影響［１０］。

 

  １．１．２ 結霜實驗研究

 

  對于復雜幾何形狀的翅片管式換熱器，由于影響霜層增長及霜特性的因素很多，且換熱器表面形狀非常復雜，目前對于這種換熱器結霜過程的研究多為實驗性的。Ｋｏｎｄｅｐｕｄｉ Ｓ．Ｎ．等通過實驗研究了不同的翅片結構對換熱器結霜狀態下性能的影響［９］。郭憲民、于兵等采用對結霜的動態過程拍照后再進行計算機圖像處理的方法，對復雜幾何形狀表面的結霜及其沿空氣流動方向結霜厚度分布情況進行定量分析，為翅片管蒸發器動態結霜過程的模擬提供定量化的實驗數據［１１－１２］。吳曉敏等針對強制對流條件下結霜現象開展了實驗研究，認為隨著空氣流速的增大，過冷水珠存續時間先縮短后延長，凍結粒徑卻不斷增大，而空氣流速對初始霜晶形狀的影響不大［１３］。

 

  通過國內外學者多年的理論和實驗研究，已經掌握有關結霜的物理過程和結霜規律，為下一步的防止或延緩結霜和除霜的研究打下了良好的基礎。

 

  １．２ 防止或延緩結霜方法的研究

 

  １．２．１ 改變室外換熱器周圍環境參數

 

  室外換熱器周圍的空氣狀態與其表面結霜與否和多少關系密切，一些學者對改變換熱器周圍環境參數以防止或延緩結霜進行了研究。ＫｏｎｄｅｐｕｄｉＳ．等在室外換熱器入口布置固體除濕劑降低室外換熱器入口空氣的含濕量從而抑制結霜，但研究發現固體除濕劑在最初的時間內能夠有效地抑制結霜，然而隨著除濕劑吸收水蒸氣能力的減弱，抑制結霜的作用也逐漸失效［１４］。Ｗａｎｇ Ｓ．Ｗ．等在蒸發器空氣入口處安裝一個吸附床來降低入口空氣濕度，從而抑制蒸發器表面結霜，但該系統只能間歇運行，惡劣天氣沒有太陽照射時，吸附床的再生主要靠吸附床內的電加熱器完成。馬最良等提出帶輔助室外換熱器的熱泵系統，供熱工況運行時，輔助室外換熱器可以提高主室外換熱器周圍的空氣溫度，從而達到延緩結霜的目的。

 

  １．２．２ 改變機組系統流程或蒸發器結構參數在改變空氣源熱泵系統流程方面，國內外學者研究較少。Ｂｙｕｎ Ｊ．Ｓ．等在壓縮機出口與蒸發器入口之間加一根旁通管，通過增加旁通管內的制冷劑流量抑制蒸發器表面結霜，但是由于蒸發器入口溫度的提高，導致了系統制熱量的下降。

 

  馬最良等在熱泵系統的室內換熱器中設置一個制冷劑電加熱器來達到延緩結霜的目的。當接通電加熱器時，該系統工質壓力、溫度較普通系統高，使室外換熱器表面溫度比一般熱泵系統高１～２℃，從而有效地延緩結霜時間。但此系統工藝復雜并消耗電能。

 

  在改變蒸發器結構方面，有學者研究了增大蒸發器換熱面積對延緩結霜的影響。結果表明，當室外蒸發器面積增大１倍后，熱泵機組的蒸發溫度平均提高約２．５℃，機組結霜時間減少了５．１％～８２．９６％。此外，學者通過研究還發現，增加氣流入口處沿氣流方向的肋片尺寸，可以減少其結霜的傾向；增大翅片間距可以延緩結霜，對于不同濕度的地區翅片間距應取不同的值。

 

  １．２．３ 改變蒸發器表面特性

 

  國內外一些學者基于表面處理技術進行了抑制結霜研究。王賢林等認為，在室外換熱器表面添加疏水鍍層可使水滴更容易脫落，從而達到延緩結霜的目的。Ｒｙｕｎ Ｓ．Ｇ．等研究表明，親水性表面上霜層比普通表面上霜層要薄，其表面結霜密度更大，并且隨著相對濕度的增大親水性涂層延緩結霜的能力逐漸降低。Ｊｈｅｅ Ｓ．等研究發現疏水處理延緩結霜效果明顯優于親水處理。

 

  盡管目前人們針對延緩結霜做了大量研究工作，部分技術可以起到延緩結霜的作用，但是由于受到應用條件、效率、技術和經濟等方面的制約，防止或延緩結霜的研究還沒有取得大的突破性進展，尚未找到一種切實可行的方式。

 

  １．３ 空氣源熱泵除霜特性及控制方法的研究空氣源熱泵除霜方法有人工或機械清除室外換熱器上的結霜、電加熱器或蒸汽加熱器融霜、淋水除霜、熱氣除霜等。隨著自動控制技術的發展和應用，從節省勞動力和節能上考慮，熱氣除霜法成為目前主要的除霜方法。

 

  １．３．１ 空氣源熱泵除霜特性研究

 

  除霜過程是一個非常復雜的過程，國內外很多研究人員對其進行了研究。主要包括除霜數學模型研究和實驗研究及除霜影響因素研究。

 

  １）在理論研究方面，早在１９７４年Ｓａｎｄｅｒｓ建立了蒸發器除霜數學模型，其蒸發水量求解方程成為后人研究除霜問題常用的方程，Ｏ’Ｎｅａｌ Ｄ．Ｌ．通過實驗分析室外換熱器表面溫度等參數在除霜過程中的變化，認為其模型是可行的［２３］。１９９２年，Ｋｒａｋｏｗ Ｋ．Ｉ．等基于電加熱融霜實驗，提出了霜層融化過程的數學物理模型是目前最接近實際的模型［２４－２５］。在國內，黃虎在對蒸發器融霜過程簡化的基礎上，建立了霜層融化數學模型［２６］。劉志強提出了一個四通閥換向后系統高低壓平衡重新建立的數學模型，并開展了現場實驗研究，計算結果與實驗結果吻合良好［２７］。韓志濤基于除霜實驗測得的室外換熱器翅片管表面溫度分布，建立了室外換熱器表面水蒸發動態模型，通過對除霜過程中各部分能量所占比例進行了分析，認為常規除霜的能量主要來自壓縮機作功和從供熱環境吸熱，二者大約各占４０％［２８］。陳旭峰等研究了空氣源熱泵逆循環除霜時能量分配，并建議利用壓縮機蓄熱的方法來降低除霜能耗［２９］。

 

  ２）除霜影響因素研究。在所有部件中，節流裝置、高壓儲液器及氣液分離器對融霜的影響尤為明顯。Ｄｉｎｇ Ｙ．Ｊ．等對采用電子膨脹閥和熱力膨脹閥的除霜過程進行了研究，認為采用電子膨脹閥可有效地縮短融霜時間。Ｎｕｔｔｅｒ Ｄ．Ｗ．等通過實驗發現從系統中去除氣液分離器可使除霜時間減少１０％，而整個系統綜合ＣＯＰ 只降低了２％。Ｎｕｔｔｅｒ Ｄ．Ｗ．等還提出在氣液分離器加設電阻絲加熱制冷劑的除霜方法，實驗結果顯示系統綜合ＣＯＰ 上升了３．１％，而除霜循環時間縮短了１１％。唐黎明等認為熱泵機組除霜效果差的主要原因是系統制冷劑充注量不足，指出使用制冷劑補償器代替高壓儲液器更能縮短除霜時間，并通過實驗證明效果明顯。Ａｎａｎｄ Ｎ．Ｋ．等研究了提前開啟風機對除霜的影響，認為提前開啟風機能夠降低室內外盤管中制冷劑的壓力，從而降低系統恢復制熱運行時對壓縮機和制冷劑管路的機械沖擊，認為提前２０ ｓ開啟風機比較理想。

 

  黃東等也針對提前開啟風機對除霜的影響進行了研究，認為提前開啟風機可有效地避免除霜時因排氣壓力過高而導致系統停機。

 

  １．３．２ 空氣源熱泵除霜控制策略的研究

 

  韓志濤等指出由于除霜控制方法的問題，大約２７％的除霜是在翅片表面結霜不嚴重、不需要除霜的情況下進行的，甚至造成誤除霜。這既造成了能量的浪費，又降低了供熱效率和室內環境的舒適性。除霜控制的目標是按需除霜，方法主要有以下幾種：定時控制法、時間－溫度法、電流控制法、空氣壓差除霜控制法、室內外雙傳感器除霜法、霜層傳感器法、最佳除霜時間控制法、最大平均供熱量法、最大周期供熱系數法。一些學者把模糊控制應用到除霜中，提出了模糊智能控制除霜法。雖然除霜控制方法眾多，但并不完善，還不成熟，仍須繼續研究。實際運行中仍很難做到按需除霜，除霜過程的穩定性與可靠性遠沒有解決。主要問題在于，一些判定結霜或除霜結束與否的表觀參數如時間、溫度、壓差等難以準確反映熱泵結霜和融霜實際工況，一些通過理論獲得的控制參數如最大平均供熱量、最大周期供熱系數、最佳除霜時間，在實際中很難操作。

 

  ２ 空氣源熱泵低溫適用性的研究

 

  從目前研究文獻可以看出，改善空氣源熱泵低溫適用性的研究主要有以下幾個方面：改變蒸發器結構及其運行環境溫度，采用新型制冷工質、雙級耦合和雙級壓縮技術、帶有經濟器的熱泵系統、變頻技術。其中變頻技術多采用與雙級壓縮和經濟器的熱泵系統相結合的方式，因此不再單獨介紹。

 

  ２．１ 改變蒸發器結構及其運行環境溫度

 

  王鐵軍等提出３項有利于提高低溫熱泵的制熱量的措施：增大蒸發器迎風面積、增加管程數量和在換熱器的下部增設防霜盤管［３７］。川合信夫等介紹了通過優化百葉窗切口數量、結構以及肋片上的凸緣結構而制成的低壓損肋片提高其蒸發器換熱性能，從而提高低溫熱泵性能的技術［３８］。除此之外，還有日本學者建議在室外低溫時采用煤油加熱器加熱輔助蒸發器來提高熱泵制熱量和制熱性能系數［３９－４０］。然而，有學者認為該系統獲取的是有代價的熱源，且也不是百分之百地能夠得到利用，對其應用前景并不看好。

 

  ２．２ 采用新型制冷工質

 

  開利公司研制出２種類型的使用非共沸工質的空氣源熱泵系統。該系統隨著環境溫度的變化可以改變參加循環的制冷劑組分。此系統型式復雜，采用此技術的障礙是如何根據實際狀況確定制冷劑的組成、充注量，如何解決制冷劑的泄漏速度差異對系統熱力性能的影響［４１－４２］。Ｓｔｅｆａｎ Ｓ．Ｂｅｒｔｓｃｈ等采用Ｒ５０７Ａ 和Ｒ４０４Ａ 工質，在高壓縮比下仍可穩定運行，但是相對其他低溫熱泵系統來說，ＣＯＰ 相對較低［４３］。Ｓａｍｉ Ｓ．Ｍ．等提出使用非共沸制冷劑，通過改變系統中混合工質的成分等方法改善與調節在空氣源熱泵低溫環境下的制熱性能［４４］。然而，目前還沒有看到相關的產品在市場上銷售。

 

  ２．３ 雙級耦合／雙級壓縮／復疊式熱泵技術針對單級系統低溫工況下制熱性能低、排氣溫度高的特點，國內一些學者提出了雙級壓縮／雙級耦合／復疊式熱泵技術。石文星等把變頻技術和雙級壓縮技術有效結合，提出了雙級壓縮變頻空氣源熱泵系統。研究表明：在冷凝溫度５０℃和蒸發溫度－２５℃工況下，系統制熱性能系數高于２．０，壓縮機排氣溫度低于１２０℃，可以在－１８℃以上的室外低溫環境中滿足寒冷地區冬季供暖需要。但是，對壓縮機制造工藝要求的提高，系統高頻運行時的回油問題、電磁兼容問題以及昂貴的變頻器價格都是這一方案大規模推廣的障礙。

 

  武文彬等將兩級壓縮制冷循環用于空氣源熱泵熱水器以解決空氣源熱泵熱水器低溫適應性的問題，其雙級壓縮循環壓縮比低于普通單級壓縮循環壓縮比，系統制熱量始終大于單級壓縮循環制熱量，系統能效比（ＣＯＰ）在－２０℃環境溫度下依然能夠保持在１．５左右。

 

  除雙級壓縮技術以外，國內外一些學者還提出了雙級耦合技術和復疊式熱泵技術，對解決空氣源熱泵的低溫適用性問題起到了非常有益的幫助。如馬最良等提出雙級耦合熱泵系統，利用空氣源熱泵從室外空氣中吸取熱量，制取１０～２０℃的水作為水源熱泵的低位熱源，再制取較高溫熱水向建筑物供暖，使熱泵機組低溫運行范圍有效擴大。余延順等提出了一種復疊熱泵機組，該機組通過電磁閥可以在單級與復疊循環間切換。

 

  計算結果表明，該機組在冬季較低的室外環境溫度下能夠節能運行。

 

  ２．４ 采用經濟器系統

 

  經濟器系統分為過冷器系統和閃發器系統。

 

  雖然早在上個世紀８０年代初，Ｎｏｂｕｋａｔｓｕ Ａｒａｉ提出的帶閃發器的渦旋式壓縮機注氣系統在低溫工況下可以提高制熱性能１５％左右［５０］，然而在早期的研究中，帶有經濟器的熱泵系統的研究一直局限于低溫制冷領域，因此其研究一般針對制冷容量較大的螺桿式壓縮機，很少應用于小型戶式空氣源熱泵，因而這種準二級壓縮的研究長期以來一直局限于低溫制冷的情況。如在８０年代中期，Ｎｏｂｕｋａｔｓｕ Ａｒａｉ等提出了帶經濟器的準二級壓縮制冷系統，該系統在－３０℃工況下完全可以取代雙級壓縮系統，蒸發溫度在－１５～－４０℃范圍內，可以使得制冷量增大１９％～４４％，制冷系數提高７％～３０％［５１－５２］。針對帶有經濟器的螺桿式制冷機組，國內外多名學者從理論上進行了研究。鄔志敏將理想氣體狀態方程以及等熵壓縮過程方程引入中間補氣過程的能量平衡方程，但是沒有考慮補氣過程壓縮機工作腔容積的變化，而是用一個等容混合－絕熱增壓過程來分析補氣混合過程［５３］。肖大綱考慮了補氣過程的容積變化較大的特點，分析了不同制冷工質、壓縮機轉速、補氣孔口大小等因素對系統制冷量和制冷系數等的影響，分析準二級壓縮制冷系統的性能變化［５４］。但是這些研究都是圍繞制冷過程開展的，沒有考慮過壓縮、欠壓縮對經濟器系統的影響。

 

  Ａｓｉｔ Ｋ．Ｄｕｔｔａ等提出采用帶噴液旁路的渦旋式壓縮機系統解決低溫工況制熱時的排氣溫度過高問題，日立公司推出的Ｊ系列熱泵空調機組，現場實際測試表明其可以在－１５℃以上的條件下正常工作［５５］。馬國遠等提出帶輔助進氣口的渦旋式壓縮機空氣源熱泵，用來提高空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能。經過研究，帶輔助進氣口的準二級壓縮空氣源熱泵系統在－１０℃～－１５℃的低溫環境中仍具有較高的制熱能力和供暖溫度，能夠滿足寒冷地區冬季的采暖要求［５６］。馬國遠還指出，要根據采用渦旋式壓縮機經濟器系統的目的來決定其設計參數和方案：若為了增加制冷量和提高系統的性能系數，相對補氣壓力的適宜值約為１．２；若為了增加制熱量和降低排氣溫度，則應選用較高的補氣壓力［５７］。柴沁虎等建立了帶經濟器（過冷器系統）的渦旋式壓縮機制冷循環的數學模型，分析了輔助回路使用熱力膨脹閥系統的各種情況下的動態特性，認為最合理的開孔位置在吸氣腔剛剛閉合處，開孔位置在一定范圍內變化對系統的經濟性、安全性的影響并不明顯，但系統在低溫工況下的制熱量將有明顯變化［５８］。趙會霞建立了渦旋式壓縮機閃發器熱泵系統補氣－壓縮過程的分析模型，認為閃發器前節流系統在低溫工況下比過冷器系統和閃發器后節流系統可以更有效地提高空氣源熱泵的低溫制熱性能，比較適宜寒冷地區用小型空氣源熱泵系統。

 

  中村憲一的液體噴射制熱循環是一種可保證低溫熱泵在室外溫度－２０℃以上時都能較高效率地提供室內所需熱量的技術方案。斎藤信提出了一種在室外溫度為－１５℃時可實現系統制熱量不衰減且高效運行的低溫熱泵技術方案。

 

  從目前市場來看，國外的空調公司，如美國Ｗｅｓｔｉｎｇ－Ｈｏｕｓｅ公司、Ｔｒａｎｅ公司、Ｄｕｎｈａｍ－Ｂｕｓｈ公司和日本Ｄａｉｋｉｎ公司等已經開發出可在－１５℃的情況下正常工作的空氣源熱泵機組，并在市場廣泛應用。我國清華同方人工環境有限公司也開發出在－２２℃環境溫度下仍可正常工作的低溫系列的空氣源熱泵冷（熱）水機組。但是總體來講，擁有低溫空氣源熱泵技術的國內空氣源熱泵公司還偏少。

 

  ３ 結論

 

  通過對國內外技術發展現狀的分析，可以看出：

 

  １）對于霜層形成機制、換熱器結霜特性和除霜方法等開展了大量的研究，相關理論和技術正在形成。但是設法防止或延緩室外換熱器結霜的技術還沒有在實際中得以推廣和應用。除霜仍是目前空氣源熱泵最多的選擇，但是有關研究仍有待進一步深入。

 

  ２）寒冷地區工作的空氣源熱泵機組除了改善熱泵系統核心部件的性能，如壓縮機和室外換熱器，大多對制熱循環進行優化，如液體噴射技術、閃發蒸氣噴射技術等。日本和美國的一些大型空調企業正在積極研發或已生產能夠在寒冷地區正常工作的空氣源熱泵機組，我國正在積極跟蹤這些技術，進行實驗和理論研究，產業化還未形成。

 

  ３）目前大多數的研究和空氣源熱泵機組樣機還都是將熱泵的低溫適應性及結、除霜問題分開考慮，然而寒冷地區使用的空氣源熱泵機組也會面臨－６～５℃和相對濕度６５％以上的氣象條件，室外換熱器表面結霜也是一個亟待解決的問題。

 

  因此應該將兩者同時加以考慮，研究既能適應寒冷地區氣候，又能有適當措施防止或延緩室外換熱器結霜的空氣源熱泵機組，使空氣源熱泵機組在全天候條件下高效運行。