徐一哲

（上海外國語大學(xué)附屬大境中學(xué)，上海 200011）

2022年初，歐洲出現(xiàn)了能源危機，多個國家調(diào)高了天然氣的價格，居民的生活受到了影響，歐洲政府也史無前例地加大了能源補貼政策力度。據(jù)相關(guān)研究表明，自帶節(jié)能功能的空氣源熱泵熱水器在歐洲市場一下子打破了長期行業(yè)發(fā)展的瓶頸，呈現(xiàn)出井噴式的銷售增長，進(jìn)一步推動了空氣源熱泵熱水器快速發(fā)展。某業(yè)內(nèi)人士透露，從2026年開始德國政府禁止將燃?xì)獾募訜嵩O(shè)備安裝在新建或現(xiàn)有的建筑中，如果家庭購買空氣源熱泵設(shè)備，政府將會補貼35%；如果客戶將現(xiàn)有的燃?xì)饧訜嵩O(shè)備永久的替換成空氣源熱泵熱水器，政府還將額外補貼10%的費用?？諝庠礋岜脽崴髂茉跉W洲市場迅速發(fā)展起來，與政府給的高額補貼幾乎能抵消高昂的安裝成本是密不可分的。另外，當(dāng)前世界氣候變暖危機引起了人們的擔(dān)憂，在歐洲市場中，作為節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)品——空氣源熱泵熱水器受到人們的大力追捧也不足為奇了。

在我國碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，雖然目前能源消費結(jié)構(gòu)仍以傳統(tǒng)能源為主，但也在不斷鼓勵支持低碳和綠色能源?；诩矣没蛏逃脽崴氖褂脠鼍疤卣?，產(chǎn)生了不同原理的空氣能熱水器，大大降低了用電量和提高了能效比。燃?xì)鉄崴鞯娜秉c有燃燒氣體不充分造成毒氣排放，能耗高使用年限較低。電熱水器的缺點有容易漏電造成觸電傷人，能耗超高，儲水量不足。太陽能熱水器在經(jīng)常下雨陰天及北方冬季時需要外加電輔助，就相當(dāng)一個電熱水器安全隱患大，并且太陽能熱水器所使用的真空管極易破碎維修麻煩使用年限較低?？諝饽軣岜霉?jié)能省電，其耗電總量為普通電熱水器耗電的25%、燃?xì)鉄崴骱碾姷?3%和太陽能熱水器耗電的50%。除此之外，對比傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)，空氣源熱泵具有更高的安全性，且環(huán)境污染低，天氣因素對工作情況限制較小等優(yōu)勢。因此，空氣源熱泵研究熱度逐漸變高，市場占有率在擴(kuò)大。本文主要介紹了空氣源熱泵的基本工作原理，包括五種先進(jìn)空氣源熱泵的技術(shù)及其工作原理。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了各種影響空氣能熱泵的因素，如環(huán)境氣溫,平衡點影響,機組功率與能效等。為空氣源熱泵的相關(guān)人員的工作提供借鑒，可以幫助到更多的專業(yè)人員在此基礎(chǔ)上推動技術(shù)的發(fā)展。

一、空氣能熱泵的工作原理

如圖1所示，空氣源熱泵的組成由蒸發(fā)器、膨脹閥、冷凝器與壓縮機。當(dāng)空氣能熱泵工作時，工質(zhì)經(jīng)過壓縮機，轉(zhuǎn)為高溫高壓氣體，工質(zhì)轉(zhuǎn)移到冷凝器中再給水加熱；失去能量的空氣溫度降低，變成冷空氣從室內(nèi)機中吹出；在室外機的風(fēng)扇運作下，室外常溫空氣由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入頂部內(nèi)腔，通過蒸發(fā)器，利用空氣中的熱量加熱低沸點工質(zhì)并使其蒸發(fā)；另外保溫水箱中的熱水可供全家沐浴以及洗衣等多種用途[1,2]。

圖1 空氣能熱泵的系統(tǒng)框圖

逆卡諾循環(huán)作為空氣源熱泵的工作原理，如圖2所示。如圖2（a）所示是卡諾循環(huán)過程，從d到c為等溫膨脹過程，主要的工作狀態(tài)是工質(zhì)從冷源吸取q2的熱量，并通過c到b的絕熱壓縮，使其溫度升高，再進(jìn)行b到a的等溫壓縮，向環(huán)境介質(zhì)放出熱量q1，最后進(jìn)行a至d過程的絕熱膨脹，使其溫度降低并回到初始狀態(tài)d，一個過程中可以做Wnet的功。逆卡諾循環(huán)過程與此相反，如圖2（b）所示。熱泵壓縮機通過與最終升高溫度所需熱量相比極少的電能將工質(zhì)壓縮，壓縮后工質(zhì)溫度升高，經(jīng)過水箱中的冷凝器時循環(huán)水將蒸汽的熱量帶走，并對外提供能量，熱交換后的工質(zhì)回到壓縮機進(jìn)行下一循環(huán)，在這一過程中，空氣熱量通過蒸發(fā)器被吸收導(dǎo)入工質(zhì)中，工質(zhì)再導(dǎo)入水中，最后對外提供高品位的熱量[3,4]。

圖2 空氣能熱泵的工作熱循環(huán)原理

二、先進(jìn)空氣能熱泵技術(shù)

（一）雙級壓縮技術(shù)

基于雙級壓縮技術(shù)的空氣能熱泵系統(tǒng)框圖如圖3所示。當(dāng)蒸發(fā)溫度低于-25度，壓縮機的壓縮比大于8時，運用雙級壓縮技術(shù)可以提高效率。其工作流程如下：由低壓壓縮機吸氣并進(jìn)行第一次壓縮，成為二級壓縮空氣，后在中壓冷卻器將熱量轉(zhuǎn)移至所需加熱的介質(zhì)內(nèi)，成為中壓低溫氣體，再通入高壓壓縮器中進(jìn)行第二次壓縮為高壓高溫氣體，再次傳導(dǎo)熱量致所需介質(zhì)內(nèi)，最后通過冷凝器轉(zhuǎn)換為常壓低溫空氣排出系統(tǒng)。其在工作過程中，通過兩重壓縮機，提高了壓縮機效率，避免過壓縮或欠壓縮[5]。

圖3 雙級壓縮熱泵示意圖

（二）復(fù)疊循環(huán)技術(shù)

如圖4所示，復(fù)疊循環(huán)系統(tǒng)通過一個冷凝蒸發(fā)器連接兩個獨立的熱泵系統(tǒng)。其中高溫循環(huán)的制冷劑沸點較低溫部分更高。低溫工質(zhì)通過高溫工質(zhì)的蒸發(fā)實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。這個技術(shù)的一大特點為冷凝蒸發(fā)器同時作為高溫循環(huán)的蒸發(fā)器和低溫循環(huán)的冷凝器，可以極大的節(jié)省空間。熱量由低溫循環(huán)的工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)以蒸發(fā)的形式從被冷卻的對象轉(zhuǎn)移給高溫循環(huán)的工質(zhì)，最后由高溫工質(zhì)傳遞向冷卻介質(zhì)，如水等。因為利用雙重制冷系統(tǒng)，因此與雙級壓縮技術(shù)低壓部分相比，大幅度減少了低溫部分氣缸的容積，使整體體積，重量減少。

圖4 復(fù)疊式壓縮熱泵示意圖

例如，蒸發(fā)溫度為-60℃時，覆疊式制冷機與雙級壓縮制冷機比較，總的氣缸容積可減少65%，而且可減少能耗10%以上。且系統(tǒng)內(nèi)保持正壓力，空氣不易漏入系統(tǒng)，使運行穩(wěn)定而安全[5]。

（三）變頻壓縮技術(shù)

變頻壓縮技術(shù)通過核心變頻器，使壓縮機轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并對輸出能量多少與速率進(jìn)行改變。變頻器改變壓縮機的功率，從而調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速的快慢，起到了更加貼合用戶側(cè)需求的作用，優(yōu)點有室溫更為恒定、更加省電，使其舒適度大大提高。運用該技術(shù)的空調(diào)，熱水器等，可根據(jù)房間內(nèi)的溫度，濕度等條件自動選擇制熱、制冷和除濕等不同的運轉(zhuǎn)方式以貼合室內(nèi)環(huán)境，使得壓縮機不至于頻繁啟動，同時啟動電流也很小。空調(diào)的壓縮機一直保持在平穩(wěn)的運行環(huán)境中，空調(diào)的運轉(zhuǎn)平衡，減少了運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動，空調(diào)產(chǎn)生的噪音也隨之降低，從整體上多方面的提高了舒適度。

（四）變頻渦輪技術(shù)

在空氣源熱泵中使用變頻渦輪技術(shù)可以提高效率，增高能效比。渦輪可以大幅度提高壓縮機輸出功率，可以提高20%，使升溫階段速度更快，耗能最多的啟動階段時間更短，最多可以減少40%。效率也因此更高，可以節(jié)省電能達(dá)30%。

變頻渦輪技術(shù)通過增壓渦輪的位置可分為低壓增壓和高壓增壓。低壓增壓中，渦輪處于蒸發(fā)器和冷凝器之間，蒸發(fā)出的增壓空氣進(jìn)入壓縮機，如圖5（a）所示。高壓增壓中，渦輪位于壓縮機器和冷凝器之間，空氣以壓縮機，渦輪的順序進(jìn)行壓縮，最后進(jìn)入冷凝器，如圖5(b)所示[5]。

圖5 渦輪增壓熱泵示意圖

（五）壓縮機噴液法

壓縮機噴液法是將工作腔內(nèi)噴液與變頻技術(shù)向融合，各取長處，成功的適應(yīng)了寒冷的氣候，如圖6所示。壓縮機為渦旋式變頻壓縮機，且將噴液孔置于旋盤合適位置。當(dāng)進(jìn)入內(nèi)腔的空氣溫度過低時，冷凝器出口的部分高壓液體經(jīng)噴液回路重新進(jìn)入壓縮機工作腔，通過本身較低的溫度來降低壓縮機排氣溫度，同時縮短做功時間，提高效率，最終提高系統(tǒng)的制熱量。

圖6 壓縮機噴液熱泵示意圖

該系統(tǒng)可在低溫環(huán)境中正常使用，但若在過低溫度時使用，則必須提高頻率，但因蒸發(fā)溫度隨之降低導(dǎo)致吸氣比容增大，容積制冷量下降，同時制熱量的提高程度較頻率來說更低，導(dǎo)致了空氣源熱泵熱水器的制熱量與消耗功率之比在超低溫有較為頹勢的表現(xiàn)。故這類系統(tǒng)在環(huán)境溫度很低的條件下尚不能滿足制熱量和節(jié)能要求[6]。

三、熱水器的效率的決定因素

熱泵技術(shù)是一種提高能量品位的技術(shù)，它因為不是能量轉(zhuǎn)換的過程，因此不受能量轉(zhuǎn)換效率極限的影響，而是以逆卡諾循環(huán)效率為參考基準(zhǔn)。其傳遞熱量的能力與投入熱泵的電能之比稱為制熱性能系數(shù)又稱能效比。表1總結(jié)并對比了各種空氣源熱泵系統(tǒng)的特點。

表1 各種空氣源熱泵系統(tǒng)的特點及對比

（一）環(huán)境氣溫

空氣能熱泵運用少量的能量從空氣中汲取低品質(zhì)的能量，因此空氣溫度對能效比有極大的影響。表現(xiàn)在：在室外溫度較低時，如嚴(yán)寒地區(qū)，空氣源熱泵在運行時會顯示出局限性，壓縮機會在熱泵蒸發(fā)溫度降低，冷凝溫度不變時，導(dǎo)致壓縮比增加，引起排氣溫度升高。當(dāng)排氣溫度過高時，會使壓縮機使用壽命減短，且在使用過程中溫度有不受控制的風(fēng)險；由于空氣流動阻力隨著蒸發(fā)器表面結(jié)霜覆蓋量的增加而增加，因此機組制熱量減少，使性能下降。過熱度是環(huán)境溫度改變時產(chǎn)熱量變化的基準(zhǔn)，過熱度以零度為界限越靠近零度產(chǎn)熱量越大。環(huán)境中整體溫度過低的話，會導(dǎo)致空氣源熱泵的壓比增大、排氣溫度升高，這時系統(tǒng)的壓縮機加大功率，可以使排氣溫度明顯降低。

（二）機組功率與能效

研究表明，在供暖季，隨環(huán)境溫度升高建筑平均負(fù)荷降低，輸入的功率和機組的制熱量受負(fù)荷大小的直接影響，壓縮機吸氣壓力與環(huán)境溫度升高正相關(guān)，壓縮機吸氣壓力升高后環(huán)境溫度也隨之升高，如果機組輸入功率減小，最終需求不變，就需要在冷凝壓力不變，機組出水溫度不變的情況下，令壓縮機壓比減小。高壓級壓縮機的壓縮比隨著出水溫度的升高而增高，比壓縮功增加，因而機組總壓縮功上升。當(dāng)環(huán)境溫度相同時，隨著機組出水溫度的升高，機組功率上升、能效也隨之下降。因此，嚴(yán)寒地區(qū)使用空氣源熱泵供暖時，在滿足建筑采暖需求的前提下，應(yīng)盡可能降低機組出水溫度，以使機組能效最大化[7]。

（三）平衡點影響

空氣源熱泵的供熱能力及性能隨著室外溫度增高而增高，且用戶側(cè)熱負(fù)荷隨著室外溫度升高而降低?？諝庠礋岜霉崮芰徒ㄖ嶝?fù)荷需求隨室外溫度變化趨勢相反，則平衡點溫度為二者相等的對應(yīng)室外溫度。若以進(jìn)行選型，且在保障最不利工況下熱泵機組能提供足夠的熱量的情況下，性能系數(shù)會下降，這是由于空氣源熱泵機組運行絕大部分時間處于部分負(fù)荷工況。若為使空氣源熱泵保持在較高負(fù)荷率運行，選擇高平衡點溫度，會使空氣源熱泵容量選型過小，輔助熱源承擔(dān)供暖比例增加，無法充分發(fā)揮空氣源熱泵節(jié)能高效的作用。因此，供暖平衡點是空氣源熱泵系統(tǒng)機組容量選擇和輔助熱源配置比例確定的重要依據(jù)，對空氣源熱泵供暖系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響[8]。

（四）壓縮機效率

熱泵過程效率總體上呈下降趨勢，且為呈曲線變化，在初始時因系統(tǒng)啟動需要消耗更多能量去加熱整體溫度，并逐步提高冷凝溫度，導(dǎo)致效率較低。隨著水箱水溫的逐步升高，冷凝溫度上升，換熱器的換熱環(huán)境得到改善，過程效率得到提升，后達(dá)到最大。隨著水箱溫度繼續(xù)升高，能效比隨著溫差降低而降低。因此水溫在一定數(shù)值時整機效率等于平均效率，在此溫度點之前，整機效率高于平均效率，在此溫度點之后，整機效率低于平均效率[9]。

四、結(jié)論

隨著新能源產(chǎn)能占比的提高，本文介紹了各種先進(jìn)的空氣源熱泵技術(shù)的工作原理，分析了環(huán)境氣溫,平衡點影響,機組功率與能效因素對空氣源熱泵效率的影響。為了更好地提升空氣源熱泵的效率，未來或可以通過人工智能等先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)，根據(jù)不同的應(yīng)用場景，實地分析相關(guān)的平衡點因素，進(jìn)而提升提高空氣源熱泵的工作效率。