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1 引言
空气源热泵利用储存中的低位能源向系统提供热量和冷量。与其他传统供热方式相比，空气源热泵技术既降低了能源消耗，又减少环境污染。在能源紧张、环境压力剧增的今天，空气源热泵技术为建筑节能的发展提供了有效途径。近年来，推广空气源热泵技术的政策不断。2016 年，住房和城乡建设部发布《住房城乡建设事业“十三五”规划纲要》，指出在夏热冬冷地区，积极推广利用空气源、污水源热泵技术供暖。2017 年，住房和城乡建设部建筑节能与科技司印发《住房城乡建设部建筑节能与科技司2017 年工作要点》，对严寒和寒冷地区城镇新建居住建筑节能设计标准进行修订，深化可再生能源建筑应用，积极利用空气热能等解决建筑采暖需求，推行可再生能源清洁取暖。同年2 月，国家能源局印发《2017 年能源工作指导意见》，指出大力推进北方地区冬季清洁取暖。积极发展电能供热，推广热泵供暖等新模式，扎实推进电能替代。特别是随着清洁取暖工作的深入推进，空气源热泵技术快速发展，应用形式逐步丰富，已在我国普遍应用[1]。
空气源热泵采暖系统安装使用方便，对环境污染较小，节能效果要明显高于普通电加热等采暖方式，但空气源热泵在低温环境下运行存在不足。例如，在低温环境下，传统空气源热泵技术的制热能力和稳定性都明显下降。这一不足使得空气源热泵采暖系统在北方严寒和寒冷地区普及受到了限制。因此，提高空气源热泵低温环境下的运行性能和稳定性的研究成为本领域的研究重点之一。本文对提高空气源热泵低温环境下运行性能的技术方法做出归纳，分别对压缩机性能和结除霜技术两方面的发展现状做出梳理，总结了热泵运行性能系数指标、结除霜指标和低温适应性三方面关键技术对空气源热泵运行性能的影响，为低温空气源热泵的研究与发展提供了参考和依据。
2 压缩机性能提升发展现状
目前提高空气源热泵在低温环境下的运行性能和稳定性，主要从两个技术方面进行研究和改进，即提高压缩机的压缩性能和改进除霜方式（图1）。在提升压缩机性能方面，2010 年以前压缩机性能的提高与改进主要经历了从普通单级压缩到双级压缩的技术改进，2010年后，研究方向逐渐转向新型工质的研究，如CO2空气源热泵。在改进结除霜问题方面，2005 年之前学者们的研究主要针对结霜规律的探究，2005 年后主要的研究方向为除霜机理和除霜技术的探索与研发。由于空气源热泵结除霜研究在实际工程中较难展开，研究主要借助实验台来进行。随着模拟软件在实际使用中趋于成熟，除霜性能的模拟研究逐渐增多。
为提高空气源热泵在低温环境下的制热性能，使其高效、稳定、可靠地运行，国内外学者进行了许多研究和改进，不断地提高空气源热泵在低温环境下的运行性能。
图1 空气源热泵低温适应性研究核心技术发展时间表
2.1 单级压缩空气源热泵系统
普通的单级压缩空气源热泵即为传统的空气源热泵，其工作原理见图2。单级压缩空气源热泵理论上在室外温度为-30℃时仍可稳定运行，但相对于其他低温空气源热泵，其COP 相对较低[3]。为改善这一问题，学者们在单级热泵的基础上通过增加元件对其进行改进：春兰集团[2] 对现行的热泵空调机进行了改进，提高室外机空气流量、选择带曲轴加热器的压缩机、增加融霜电磁阀等措施，提高了低温环境下热泵系统的制热能力。马国远等人[3-4] 提出了补气増焓热泵系统来降低低温环境下压缩机的排气温度、进而提高制热效果，在-10℃～ -15℃的低温环境下，补气増焓热泵系统具有良好的制热效果，能够满足北方地区的冬季采暖，但是该系统只适合小型的空气源热泵系统。
采用单级压缩空气源热泵压缩后的过热蒸汽温度过高，会导致单位制热量大大降低，压缩机的耗电量增加。单级热泵可以与变频技术、蓄热系统或与其他压缩机并联等技术相结合，但会增加系统初投资，经济性比双级压缩空气源热泵要低。
图2 普通单级压缩式空气源热泵原理图
2.2 两级压缩空气源热泵系统
目前两级压缩式空气源热泵的技术形式主要有两种：单级压缩中间补气系统（准二级压缩）和双级压缩空气源热泵。具体工作原理如图3 和图4，单级压缩中间补气系统（准二级压缩）是向压缩机的补气口补气从而将一台压缩机分为两级压缩，制冷剂在低级压缩机中由蒸发压力到中间压力，经由中间冷却后制冷剂温度降低，混合后经过高级压缩机压缩至冷凝压力。其中低温气体所经过的经济器可以为中冷器或闪发器两种。两级压缩空气源热泵工作时系统的压缩过程分两次进行，这样降低了每台压缩机的压缩比，避免了单台压缩机由于高压缩比造成的设备损耗。
图3 准二级压缩空气源热泵原理图
图4 双级压缩空气源热泵原理图
1）准二级压缩空气源热泵
带经济器的准二级压缩可以改善压缩机的压缩过程，进而提高空气源热泵的制热效果，在-15℃工况下，机组能效比为2~3，测试极限工况达到-22℃，适合冬季温度在-20℃以上的北方传统采暖区域[6]。黄新伟等人[5] 对准二级压缩的空气源热泵系统的结构进行改进：将压缩机吸气结构改为柔性吸气通道，将间接吸气改为直接吸气，最终得出结论：该空气源热泵的低温适用范围为-11℃ ~40℃，可基本保证在华北地区的正常运行。薛杰等人[6] 对带闪发器补气系统的准二级压缩空气源热泵的性能进行研究，研究表明：当环境温度为-10℃时，该系统排气温度为120℃，比传统空气源热泵排气温度低20℃，系统平均制热COP 为2.32。
（2）双级压缩空气源热泵
双级压缩空气源热泵克服了传统的单级压缩空气源热泵压缩比过大、排气温度过高、在极寒条件下运转不正常或无法运转的弊端，且经过中间冷却，又可使压缩机耗电量减少，空气源热泵在低温条件下的稳定性和经济性均有所提高。在双级压缩式热泵中加入元件能够进一步提升空气源热泵系统的制热性能，石文星等人[7] 将双级压缩和变频技术结合，提出一种适用于寒冷地区的双级压缩变频空气源热泵系统，提出了该系统的最佳中间压力的表达式和两种双控模式，可以满足在-18℃以上的低温环境的冬季供暖需求。
（3）复叠式空气源热泵
复叠式空气源热泵系统的原理与双级压缩系统类似，将较大的总温差分割成两段，每段的制冷剂根据温度选择，将高温制冷剂与低温制冷剂相结合，使其能够在最佳的温度范围内工作[8]，工作原理如图5。研究主要以提升制热效率为目标，相比于其他空气源热泵系统具有一定的发展前景。为了解决冷凝换热欠佳的现状，相关学者做了大量的研究和实验，对复叠式空气源热泵系统的动态耦合过程不断优化。付圣东等人[9] 在空气源热泵机组增加了旁通毛细管和换热器，通过实验测试表明空气源热泵的低温性能有了一定的提高。王林等人[10-14] 提出一种低温环境下扩大制热能力的空气源热泵，既可按传统空气源热泵方式运行，又可按复叠循环方式运行，在环境温度为-29℃时，压缩机输入功率为7.53kW，冷凝温度为55℃时，排气温度只有114℃，COP 为1.87，比单级热泵节能15.3%，热泵机组仍可获得较大的制热量和COP，为空气源热泵在低温环境适用性等的研究问题提供了可取途径。
图5 复叠式空气源热泵系统工作原理图
两级压缩空气源热泵系统进一步提高了低温环境下的性能，性能系数更高，但两级压缩空气源热泵系统也暴露出一些弊端：随着压缩机数量增多、多种工况的变频转换等都使得机组的耗电量增加，最佳中间压力也未得出精确的计算公式，两级压缩式空气源热泵所需的设备初投资比单级热泵多，操作也较为复杂。
各类型空气源热泵在低温环境下性能参数见表1。表1 综合了各类型空气源热泵的环境温度适用范围以及制热COP 的变化范围，由表1 可知，准二级压缩和两级压缩的制热COP 要高于单级空气源热泵制热COP，并且单级压缩只能用于室外温度为-15℃以上的环境中，双级压缩空气源热泵可用于室外温度-30℃以上的环境中，低温适应性更好。
表1 空气源热泵在低温环境下性能参数[13]-[16]
3 空气源热泵结霜、除霜问题的研究
结霜对于空气源热泵运行是极其不利的，随着霜层在换热器表面的形成，机组的性能下降，工况恶化，热泵机组的制热量也随之下降，严重影响了空气源热泵性能, 特别是在寒冷的北方地区，冬季供暖时空气源热泵机组几乎不能正常运行。因此，分析热泵在低温情况下的结霜机理是必要的。通过探究空气源热泵的结霜规律，制定并选择不同的除霜方式。另外，在机组除霜时，机组不能够提供热量，还要从建筑物内部吸取热量或消耗电能，对系统的供热效率有影响。因此，在选用空气源热泵机组时，必须考虑结霜除霜工况对机组供热量的影响。
3.1 结霜规律探究
从宏观角度来看，空气源热泵的结霜过程可以概括为霜层形成期、霜层生长期和霜层成熟期，具体霜层成长过程见图6。国内外学者们通过大量实验发现，室外的温湿度是影响空气源热泵结霜的重要因素，发生结霜现象的范围为-12.8℃ ≤t≤5.8℃ [15-16]，并且当室外干球温度在-5℃＜ t ＜ 5℃范围内，相对湿度＞ 85% 时结霜最严重[16]。朱佳鹤等人[18] 将结霜过程的两个重要参数环境温度和湿度应用到室外环境的“温- 湿度图”中，组成空气源热泵分区域结霜图谱，如图7，该图由“两线-三区- 五区域”组成，定量描述了空气源热泵在不同气象参数条件下的结霜程度，并借助此图谱确定出了不同结霜区域内的最佳除霜时间，为空气源热泵系统误除霜特性的研究提供了参考依据。姜益强等人[17] 统计了空气源热泵使用地区的气候地点，提出了结霜量指标和相对结霜量概念并给出了不同地区平均结霜除霜损失系数作为设计参考依据。
图6 换热器表面霜层生长过程
图7 空气源热泵分区域结霜图谱
结霜规律的探究一直受到学者们的关注，目前关于结霜问题的研究已经形成了较为完善的体系理论。但结霜是一个较为复杂的过程并在实际运行过程中有不确定性。因此，关于除霜、抑霜的问题仍处于研究和探索之中。
3.2 空气源热泵除霜控制方法
除霜的目的是为了提高机组的性能，保证机组的正常运行。目前关于空气源热泵除霜技术的研究主要聚焦在加快融霜过程和抑制结霜技术两大方面。在除霜过程中，机组的运行状态还没有达到需要除霜的要求，而此时由于自动化设定机组已进入除霜模式，或机组换热器表面霜层厚度已经达到除霜要求，但机组没有进行除霜，这种供需不平衡的工况造成了机组的误除霜，加大了机组负担，大大增加了系统的耗电量。学者们提出了各种空气源热泵的除霜控制方法，直接测量是比较精准的控制方法，但由于受到实际操作环境以及工程造价等制约。很少使用，间接测量是目前常用的除霜控制方法，具体有以下三种：
（1）时间—温度法
目前应用最普遍的控制方法，时间—温度除霜控制方法是在换热器表面设置温度传感器，当室外蒸发器换热盘管表面或翅片表面的温度低于某一设定值后，开始记录压缩机运行的时间，当时间到达设定值后（通常为45min），空气源热泵系统进入除霜模式。除霜模式程序设计逻辑简单，是一种比较简单、经济、应用广泛的除霜控制方法。但时间—温度法由于时间的设定必须是固定值，因此在实际运行过程中，该方法并不能准确地掌握机组何时进行除霜，机组“误除霜”现象频发，严重影响机组的性能和效率。
（2）模糊智能除霜
模糊智能除霜是一种模块化的智能除霜控制方法，它包括数据采集与A/D 转换模块、输入量模糊化模块、模糊推理模块、除霜控制模块和监控及调整模块，各个模块按顺序进行逻辑运算[18]，具体运算过程见图8，从图中可以看出，模糊智能除霜控制方法在于控制模块的标准制定是否合理，但由于不同的机组处于不同的地区和环境，气象条件也不同，只根据一般经验而设定的控制标准具有片面性，但根据机组自身实际条件制定控制标准工作量大又耗费时间。自动化模块虽然大大提高了除霜过程的有效程度，但仍不能彻底解决“误除霜”的问题。
图8 模糊智能除霜流程图
3）霜层厚度法
该方法原理简单，利用霜层厚度传感器检测蒸发器盘管表面的霜层厚度，当厚度达到预定的化霜厚度即开始化霜。该方法需要根据实际管径及盘管位置合理设置化霜厚度。但化霜厚度如何合理设置是该方法应用的关键因素之一；同时在硬件方面需要高增益的信号放大器及传感器，价格比较昂贵。
3.3 除霜技术
空气源热泵冬季供暖时，换热器表面的结霜情况对机组制热效果有影响，而除霜技术不但影响机组制热效果，还对机组可靠性有一定影响。除了对空气源热泵系统选择合理的除霜控制方法，还需选择合适的除霜技术与控制方法结合，达到机组的除霜目的。
（1）传统除霜技术
除霜是提高空气源热泵系统在低温环境中运行性能的有效途径。目前空气源热泵的除霜可分为三种：①电除霜，操作简单，除霜完全，广泛应用，但耗电量大，不能用于大型装置。②逆循环除霜，简单易行，除霜效果好，但系统稳定性差，不能有效控制。③热气旁通除霜：不需改变机组的制热循环，只对换热器旁通热气进行除霜。
（2）相变蓄能除霜
将蓄热技术充分应用于提高能源效率和环保方面，解决能源供给相关问题；并将相变材料和热泵技术相结合，提高低温环境下热泵系统的性能。华南理工大学、哈尔滨工业大学、University of Ulster(UK) 等在蓄热型热泵做了大量的研究工作，研究发现蓄热型热泵处于满负荷运行时，有利于系统高效运行。因此，将相变储能技术与热泵技术相结合，可以更好地提高热泵机组在低温环境下的性能系数和能效比。
（3）无霜空气源热泵
目前国内已有学者对无霜型空气源热泵做出初步研究，无霜空气源热泵系统工作原理如图9 所示，对进入蒸发器的空气先进行除湿，进而实现热泵的无霜运行。付慧影等人[19] 研究发现无霜空气源热泵系统能够在冬季低温条件下实现稳定供热，但系统效率略低于传统系统。梁明坤等人[20] 通过实验验证了溶液喷淋板状换热器的无霜方式运用在冬季空气源热泵系统的可行性，但是该系统需要额外的溶液再生装置，系统复杂。目前国内关于无霜空气源热泵技术的相关研究尚未成熟，无霜型空气源热泵除霜过程控制问题较为复杂，缺少适用的一般控制参数[21]。
图9 无霜空气源热泵原理图
4 空气源热泵低温适应性的关键技术和指标
4.1 空气源热泵性能系数
能够反映空气源热泵实际运行效果的指标如下：
（1）热泵机组能效比[22]
空气源热泵机组名义工况性能系数和综合部分性能系数最低限值如表2：
表2 空气源热泵性能系数最低限值
4.2 结除霜指标
结霜使得空气源热泵机组制热量减少，而除霜工况时不能向房间提供热量，使得水温有所下降，影响供暖效果。描述结霜除霜对热泵稳定性影响有以下几个指标：
（1）平均结除霜损失系数[25]
4.3 低温适应性关键技术
1）喷气増焓系统
喷气増焓技术是有效提高空气源热泵在低温条件下制热性能的技术之一，由压缩机、高效过冷器结合喷气増焓技术组成系统。带喷气増焓的压缩机使用闪蒸器进行气液分离达到増焓目的，且边压缩边喷气进行混合冷却，提高压缩机排气量，喷气増焓系统能够有效地提升低温环境下热泵的制热能力。王晓艳等人[26] 采用喷气增焓和防霜增效循环的系统用实验方法分析了低温环境下热泵的结霜和制热量衰减明显的问题，在环境温度为-25℃时机组性能系数为1.65；与传统空气源热泵相比，机组性能系数和制热量有显著增加。
（2）排气温度
在低环境温度下，压缩机排气温度会非常高，普通的单级空气源热泵排气温度会超过130℃，超出压缩机的许用范围[27]。通过在不同方式的压缩过程中加入元件来达到喷气増焓的目的，可以降低排气温度，使排气温度降低至120℃以下，保证空气源热泵系统的可靠性和稳定性。
5 结论
通过对空气源热泵提高低温运行性能的两方面技术：压缩机性能改进和结除霜技术的发展现状的梳理，以及低温适应性关键技术指标的归纳与总结，得出以下结论：
（1）通过对空气源热泵系统提升压缩机性能的发展历程进行综述，总结出与普通单级压缩相比，带有经济器的准二级压缩和双级压缩式空气源热泵性能均有所提升，各种压缩机改良形式创新方法都推进了空气源热泵在低温环境下的适应性，但也存在一些不足之处。
（2）对空气源热泵结霜规律的探索过程进行梳理，并对时间—温度法、模糊智能除霜、霜层厚度法三种除霜控制方法进行介绍，并详述了与控制方法相结合应用的除霜技术，其中相变蓄能除霜是近几年除霜方法的研究方向之一。
（3）通过热泵运行性能系数指标、结除霜指标和低温适应性关键技术三方面对空气源热泵关键技术和指标进行了归纳；喷气増焓技术是有效提高空气源热泵在低温条件下制热性能的技术之一；目前关于结除霜工况的实际工程研究不多，一定程度上对提高空气源热泵低温运行性能有影响。
多年来，空气源热泵产品技术不断创新升级，应用领域逐步扩大，目前在我国，空气源热泵已基本适用于寒冷地区（京津冀晋鲁豫、陕西大部、辽宁南部、新疆南部）、严寒地区（东北部、内蒙古、新疆北部、西藏北部）。低温空气源热泵的推广与使用也让“空气能”在严寒地区和寒冷地区应用有了更好的落脚点，让人们对高新技术支持下的优越品质生活有了更高的追求。
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