热泵的研究分析论文

张新世

（中原石油勘探局勘察设计研究院）

论文摘要：本文介绍了地源热泵的概念及工作原理，随后详细地论述了地源热泵的特点，和地源热泵在我国发展的限制条件，并介绍了地源热泵在国内使用情况及发展前景，最后鲜明地指出地源热泵技术是目前对人类最友好最有效的供热供冷技术。

1 地源热泵的概念和工作原理

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（包括地下水、土壤和地表水）即可供热又可供冷的高效节能空调系统。利用逆卡诺循环，通过输入少量高品位的电能，实现低品位热能向高品位热能转移。热泵一般有蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀四部分组成。

地源热泵的工作原理是：在夏季，热泵机组将建筑物中的热量取出，转移释放到地层中；在冬季，则从地层中提取热量，向建筑物供热。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。

2 地源热泵的特点

我们知道在地球表面以下一定深度的地温全年相对恒定，地源热泵利用浅层地热作为冷热源，这样就排除了环境因素的影响，与其它供热供冷系统相比，具有以下显著特点。

利用的是可再生能源

地源热泵在夏季吸收建筑物散发的热量并在浅层地下保存起来，一部分热量在冬季供建筑物的采暖，另一部分热量则直接散发到空气中。就全年来说，建筑物利用浅层地热的热量或冷量大体是相等的。所以说，地源热泵利用的是可再生能源。

高效节能

由于地源热泵的热源温度全年一般为10～22℃，冬季供热时，水体温度比环境温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。夏季制冷时，水体温度比环境温度低，冷却效果提高，机组效率也提高。水源热泵的制冷制热系数可达以上，与传统的空气源热泵相比，高出40%左右，其运行费用仅为普通中央空调的50%～60%，与电热锅炉和电热膜供热相比，节约70%左右的电能。

环保效益显著

水源热泵运行时，需要的仅仅是水源水的热量或冷量，水质不发生任何变化，也不产生任何污染，不耗水、排烟，不产生灰尘，仅仅消耗少量的电能。

从耗电方面来说，节能就是环保。使用水源热泵导致的污染物排放，比空气源热泵减少40%，比电锅炉减少70%。虽然地源热泵也使用制冷剂，但比常规空调减少25%的冲灌量。地源热泵在工厂内整装密封完好，不会像分体空调那样安装时易产生泄漏。

一机多用

一套地源热泵就可以实现供热、供冷和生活热水供应。即用一套设备可以代替原来的锅炉加空调两套系统，所以一次性投资仅是传统供热制冷的50%～70%。特别是在夏季供冷时，可以利用热泵产生的费热，免费为用户提供生活热水。所以，地源热泵特别适用同时有供热供冷和生活热水供应的建筑。

节省土地资源

水源热泵除主机和循环水泵外，没有其它安装设备。与锅炉房相比，省去了水处理间、风机间、烟囱、煤场和渣土场，节约了土地资源。

运行稳定可靠、使用寿命长

由于地源热泵的水体温度稳定，与空气源热泵相比，免除了结霜和除霜的影响。热泵的运转部件少，基本上不需要维修，运行稳定可靠，使用寿命可达20年左右。

自动化程度高

地源热泵一般是全电脑控制，可根据外部负荷的变化，调整压缩机的工作数量，并设有压缩机超温保护、断水保护等多种保护措施，可实现无人值守。

3 地源热泵供热系统的组成

地源热泵工程一般有地源水系统，热泵机房和末端风机盘管散热系统三部分组成。根据地源换热系统的形式又分为开式环路系统和闭式环路系统。

开式环路系统是将水从水井（包括湖泊和河流）中抽出，送入热交换机组进行热交换，提取热量或冷量后的水再回灌到水井中。开式环路系统用水一般只进行简单的水处理，会引起换热器表面结垢。开式系统是目前地源热泵应用的主要形式。

闭式环路系统又分为立埋式环路系统和平埋式环路系统。它是通过埋在地下的聚乙烯管环路与土壤进行热交换。通常适合安装在别墅等场地较大的建筑物。

4 地源热泵的限制条件

地源热泵被专家们称之为目前可用的对人类最友好最有效的供热供冷形式，近几年在研究和应用上得到了迅速发展，但由于受到以下客观条件的限制，这项技术的应用尚不普遍。

宣传认识不足

地源热泵技术虽然受到热暖专家的推崇，但是要获得在工程中的普遍应用，需要各阶层领导特别是工程主管领导的认可。由于这项技术是近几年随着我国能源战略的调整才发展起来的，甚至部分热暖技术人员，也存在认识不足的现象。所以，要获得社会的认同还需要加大宣传力度。

政策力度不够

我国《节约能源法》中，对热电联产和集中供热技术鼓励和发展，而对综合能源利用率是其2倍的地源热泵技术，至今还没有鼓励发展的明确条文。

水源条件的限制

对于开式环路地源热泵系统是否有充足的水源，以及当地的地质土壤条件是否能保证尾水的回灌顺利实现是地源热泵应用的前提条件。一般来说，用于小区供暖时，建筑容积率要≤1。对于闭式系统，受当地地质条件是否适合埋管和是否有足够的场地埋管等环境条件的限制。

埋管系统换热计算理论不成熟

对于地源热泵机组和末端风机盘管散热系统目前技术已相当成熟。对开式系统，当地水利部门对水源情况也相当了解；而对埋管系统，目前土壤埋管换热计算理论还不成熟，设计落后于工程应用，这就使工程质量难以保证，并使该项技术的广泛应用受到限制。

受当地水利部门政策的限制

我国南方水源充足，而北方大部分地区水源缺乏，为保护有限的水资源，每个地方政府都制定了当地的水资源使用法规。虽然地源热泵系统并不消耗水也不污染地下水，但需要大量的水作热载体。有些地方部门对取水和回灌水进行双重收费，使地源热泵的节能效果不能够充分体现，这就限制了该项技术在这些地区的发展。

5 地源热泵的应用

国外应用情况

地源热泵在日、韩、美和中、北欧应用较为普遍。据1999年的统计，在住宅供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士96%，奥地利38%，丹麦27%。美国1998年地源热泵系统在新建筑中占30%，且以10%的速度稳步增长。其中最著名的地源热泵工程有肯塔基州刘易斯威尔的滨水区办公大楼，服务面积×104m2，每月节省运行费用25000 美元。随着该项技术的应用发展，其组织的研究也迅速发展。据有关资料介绍，日本国研究出的高温水地源热泵，出水温度达到80～150℃，且其制热系数COP高达。

国内应用情况

天津大学热能研究所的吕灿仁教授在1954年就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵机组。目前多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。

国内较早生产水源热泵的厂家有清华同方人工环境设备公司和山东海洋富尔达，产品都已系列化。目前热泵机组出水温度已达65℃，制冷系数COP可达。目前国内较典型的用户有沈阳东北电力住宅小区，服务面积8×104m2；北京友谊医院服务面积×104m2，全年节约采暖和供冷运行费用约9元/m2。

中原油田钻井三公司办公楼水源热泵示范工程是我局第一个地源热泵系统。选用钻井综合工程处与清华大学联合研制生产的ZYRB240 型热泵机组2台，服务面积6000m2。该项工程的成功实施必将为地源热泵在中原油田的推广应用起到有力的推动作用。

6 地源热泵的发展前景

符合政府有关部门的要求

地源热泵高效节能，环保效益好，符合我国的能源政策和环境保护政策，热泵技术的综合能源利用率约为120%～180%。所以国家把热、电、冷联产技术作为鼓励发展的通用节能技术促进了地源热泵技术的发展。

符合业主的利益

由于地源热泵即可供热，又可供冷。一套系统可以代替原来的两套系统，投资少。且地源热泵占地少，运行成本低，管理方便，这些都符合业主的根本利益。

符合用户的利益

地源热泵供热费用燃煤集中锅炉房供热费用的一半，夏季供冷费用约为冷水机组的60%，这就减少了用户供热供冷费用的支出，符合用户的切身利益。

适用地区范围广

冷水机组只能用于夏季供冷，风冷机组只适用于长江流域的供热供冷，而地源热泵除即无可利用地下水又不能埋管的极少数地区外，适用于其它绝大多数地区。

应用范围不断扩展

地源热泵不仅在建筑采暖和供冷方面得到迅速发展，目前在化工、食品、造纸、农业、冶金、木材干燥、制药等行业中也得到了｀广泛应用。据预测2000年这些行业应用地源热泵1200多台，且发展势头强劲。

综上所述，地源热泵技术以其独有的优点，近几年在国内得到迅速发展。随着我国能源结构政策的调整，我国以燃煤锅炉采暖和空气源热泵供冷的传统形式会被更加高效的地源热泵所取代。随着地源热泵技术的研究和发展，它比将成为21世纪最普遍最有效的供热供冷技术。

参考文献

［1］刘兴中.水源热泵系统介绍.2001

［2］吴展豪.地源热泵空调系统.2001

注：本文引至全国油区城镇地热开发利用经验交流会论文集，冶金工业出版社，2003

Yokoyama（2007）采用数值模拟的方法分析研究了外界环境温度对家用风冷式热泵热水器性能的影响。Cavallini（2005）对基本的两级压缩机中间冷却跨临界CO2系统（无回热器）进行了试验测试，并根据实验数据建立了热力学模型，分析优化了两级压缩机中间冷却跨临界CO2系统。通过在回气管路上增加回热器和在气体冷却器后增加后冷却器，可提高COP25%。Agrawal N（2007）同样对两级压缩机中间冷却跨临界CO2系统进行了优化设计，提出了三种优化方式并得出相应循环的最优高压压力和压缩机级间压力的计算公式。Skaugen等人对CO2制冷系统进行了计算机模拟，此模型可以对系统进行稳态模拟，也可以对系统进行优化设计。既可以用于制冷计算，也可以用于制热计算，而且空气和水都可以用做热源和热汇，这样包括了热水加热、空调、制冷和热泵系统。Wang和Hihara对CO2和R22热泵热水器的性能进行了研究，对每个部件和整个系统建立了模型。结果显示，CO2热泵热水器的COP值低于R22装置；但是当系统中加入回热器后，CO2的COP与R22 相当，只不过CO2压缩机的排气温度增加很快，并且最佳高压压力时所对应的制热量明显降低。Sarkar（2006）建立了跨临界CO2热泵系统同时制冷和制热时的稳态模型，得出了最优的COP和高压侧压力的关系式。Skaugen和Svensson对CO2跨临界热泵装置进行了动态模拟。他们首先开发了一个稳态模型，以便为动态模拟提供相关的初始数据，以及为CO2热泵装置的设计和操作进行优化。结果表明，两者在定性方面符合得很好。Pfafferott和Schmitz开发了CO2制冷系统用Modelica程序库模型，并对其进行了稳态和动态模拟，数据进行了比较结果显示符合得很好。国内主要有上海交通大学的丁国良等人进行了CO2汽车空调的仿真研究。Ma?Y?T对膨胀机在跨临界两级压缩CO2制冷系统中的优化配置进行了研究。Yang JL对三种不同循环形式的带膨胀机跨临界两级压缩CO2制冷系统进行了热力学分析比较，得出了膨胀机在两级压缩CO2制冷系统中最优的配置形式。CO2膨胀机构研究现状1) 活塞式膨胀机1994年，德国Dresden大学Heyl P教授和Quack博士开始研制开发跨临界CO2循环膨胀机。Heyl?P教授和Quack H博士（1999）开发出的第一代自由活塞膨胀压缩机，采用双作用对称式结构，具有两个膨胀缸和两个压缩缸，在CO2制冷实验台上的测试结果表明，与采用节流阀时的系统COP相比可提高30%。Nickl（2002）在发表的论文中介绍了第二代自由活塞式膨胀压缩机。通过增加一个双臂摇杆，使膨胀机活塞和压缩机活塞的运动速度不同，从而解决了第一代中膨胀机活塞和压缩机活塞必须同步运转的问题，减小了效率损失，其系统性能比第一代提高10%。Nickl等（2003）开发的第三代自由活塞式膨胀压缩机重新采用了第一代的全压膨胀原理，但是通过三级膨胀的办法，提高膨胀功的回收，减小效率损失。Quack等（2004）对第三代膨胀压缩机样机成功进行了原理性实验。实验验证了膨胀机的控制机构完全可行，同时验证了CO2自身携带的润滑油就可满足机器的润滑需要，无需额外的润滑系统。Nickl（2005）给出了对样机进行进一步实验得出的P-V图，并估算出膨胀机等熵效率达到65%—70%，压缩机等熵效率超过90%。Li等（2000）对CO2循环系统中不同的膨胀设备进行了热力分析，提出采用涡管和活塞式膨胀机来减小节流损失。BaekS（2002）将一商用的四冲程两缸发动机改造成活塞式膨胀机，吸、排气口的开闭采用快速电磁阀控制，实验测得膨胀机的等熵效率为10%左右， CO2制冷系统COP可提高7%—10%。BaekS（2005）对研制的活塞式膨胀机建立了详细的数学模型，并通过模型对样机进行了分析。2) 涡旋式膨胀机Preissner（2001）和HuffJ（2003）将两台半封闭式R134a涡旋压缩机改造成CO2膨胀机。样机Ⅰ的动盘盘高减小为，样机Ⅱ的动盘高度则保持不变，仍为14mm。但是因为内部泄漏比较大，样机Ⅰ的最大等熵效率和容积效率仅为28%和40%。对于样机Ⅱ，由于膨胀机的工作容积大，减弱了内部泄漏的影响，其性能高于样机Ⅰ，最大等熵效率和容积效率分别为42%和68%。Westphalen D（2004）也在理论上对CO2涡旋膨胀机进行了研究，提出了CO2涡旋膨胀机的设计方案和功回收的方式，预测其泄漏损失约为20%，摩擦损失约为15%，总效率可达到72%左右。3) 滚动转子式膨胀机天津大学的魏东，查世彤，李敏霞，管海清等人先后对CO2滚动转子式膨胀机进行了开发和研究。魏东开发了第一代型滚动活塞膨胀机。初步实验表明，膨胀机样机可以正常运转。查世彤在第一代的基础上开发了第二代型滚动活塞膨胀机，通过增加滚针轴承减小膨胀机内部的摩擦，为防止外泄漏，将发电机和膨胀机合并为一体。李敏霞在型膨胀机上进一步的改进成新型滑板滚动活塞膨胀机，型号，将线密封改为面密封，理论计算泄漏可减小50%。此外，李敏霞又设计开发了摆动转子式膨胀机，将滚动活塞与滑板做成一体，以减小膨胀机内部泄漏环节。样机的测试结果表明，型和型膨胀机效率均高于型膨胀机分别为33%—44%和35%—47%。管海清则在前人研究的基础上，设计开发了摆动转子式膨胀压缩机，测试出了样机中膨胀机和压缩机的效率分别为30%—50%和60%—80%。4) 其他膨胀机伦敦City大学的Stosic（2002）在理论上对CO2双螺杆膨胀压缩机进行了研究，膨胀机和压缩机的转子通过共轴方式连接，并置于两个独立的腔中，从而避免工质的内部泄漏。通过该配置方式，膨胀压缩机的轴向负荷可以完全抵消，径向负荷较小20%。Fukuta（2003）对滑片式膨胀机进行了研究，建立的数学模型模拟结果显示，泄漏是影响滑片式膨胀机性能的主要因素，传热的影响相对较小，模型预测滑片式膨胀机总效率在20%—40%，并随着转速的增加而增大。由滑片式油泵改造成的CO2滑片式膨胀机样机，在膨胀机进口压力，温度40℃，出口压力的工况下，总效率可达到43%。Fukuta（2006）研制了滑片式膨胀压缩机样机，其中压缩机部分作为CO2循环的二级压缩机。实验结果显示，压缩机部分的性能主要受压缩机前后压差和转速的影响。英国MIEE?Driver公司对普通的滑片式膨胀压缩机进行了改进，并申请了专利。5) 其它膨胀设备Li DQ建立了喷射器等压混合模型，并在2006年进一步建立了两相流动喷射器和相应的CO2循环系统的模型。计算结果发现，主喷嘴膨胀过程的等熵效率为95%，但副喷嘴的等熵效率很低只有26%。Tdell（2006）对CO2冲击式膨胀机进行了研究，目前这种膨胀机的效率非常低，喷管的等熵效率只有60%左后，能够回收的功仅占等熵膨胀功的20%—30%左右。CO2压缩机的研究现状1) 活塞式压缩机1998年，Süβ和Kurse对Bock公司生产的开启式CO2活塞压缩机和Danfoss A/S公司的斜盘式CO2压缩机进行了研究。Dorin公司在1998年IKK博览会上展示了开发的半封闭CO2活塞式压缩机，包括双缸单级和两级压缩机两种形式。瑞士苏黎世大学对应用在家用热水器上的半封闭小型无油活塞式CO2压缩机进行了研究开发。Nesk等人对半封闭式两级CO2活塞式压缩进行了研究，测试结果显示转速1450 r/min下，效率和等熵效率最大分别达到和，且在低温工况下，其性能要优于单级压缩。日本DENSO公司和静冈大学合作开发了活塞式CO2压缩机，对样机进行了测试并与理论计算结果进行了比较。研究发现活塞环的密封效果很好，但是存在通过气阀的反泄漏，这对相对较小的工作容积的压缩机效率影响很大。国内上海交通大学的陈江平和上海易初通用合作开发了车用斜盘式CO2压缩机并进行了一系列的研究。2) 滚动活塞式和摆动活塞式压缩机日本三洋公司开发出了全封闭CO2双级滚动活塞式压缩机。这种气路设计，使得机壳内压力为一级排气压力，约为5-6MPa，减小了压缩机工作腔与机壳腔体之间的泄漏，有利于提高压缩机的效率，据报道其在50—80Hz的工作频率下，最高绝热效率可达到以上。日本大金公司设计开发了摆动转子式CO2压缩机。日本大金公司研究认为，由于CO2摆动转子压缩机的偏心距较小，虽然其工作压差很大，但设计强度要求与R410A压缩机相当。Hubacher和Groll对一台全封闭两级压缩CO2转子式压缩机进行了实验测试，结果显示压比在—5范围内，容积效率为—。Dreiman和Bunch开发了全封闭式CO2转子压缩机。Yokoyama等人对用于热泵系统的两级压缩级间补气滚动转子式CO2压缩机进行了开发并进行了实验研究，在高压比和低转速情况下，两级压缩型式的CO2压缩机在效率和供热能力方面均优于单级。在国内，庆安制冷从2004年开始对滚动转子式CO2压缩机做了详细研究。主要工作集中在压缩机耐高压整体结构设计、轴承系统可靠性设计、供油系统设计、零件静态和动态强度设计、关键部件耐磨设计、压缩机运行带油量研究和分析、润滑油评估、零部件材料选取、电机设计、集中绕组直流电机拖动控制方案研究、控制器设计和制造工艺技术研究。在2008年开发出样机，样机容积效率达到，并通过了可靠性评价实验。3) 涡旋压缩机日本DENSO公司研制了CO2涡旋压缩机用于CO2热泵热水器中。日本松下公司在410A涡旋压缩机的基础上，对涡圈、壳体等部件进行了重新设计，开发了CO2涡旋压缩机样机。对样机的实验结果表明，压缩机容积效率和绝热效率随转速增大而增加，在—工作频率范围内，容积效率在—之间，等熵效率为—。日本三菱重工也开发了用于CO2热泵热水器的涡旋压缩机，压缩机的绝热效率可达到。Yano和Nakao等人还开发了大容量的CO2涡旋压缩机。4) 滑片压缩机美国马里兰大学和日本静冈大学合作对CO2滑片压缩机进行了理论研究，包括可行性、压缩腔内的温度和压力等关键参数分析、容积效率和指示效率的估算、滑片的受力情况等。研究发现，泄漏损失是影响压缩机效率的主要因素。另还对两级压缩滑片式CO2压缩机和滑片式膨胀压缩机进行了分析。5) 螺杆压缩机日本Maycom公司开发了CO2单级螺杆压缩机，设计的机组同时进行制冷和制热，压缩机排出的CO2首先用来加热热水，节流后用于制冷。英国City大学开发了用于CO2螺杆式膨胀压缩机。CO2换热器的研究现状1998年挪威NTNU的Pattersen开发了CO2系统紧凑换热器，利用多个平板组成传热管，平板被挤压成微通道。Schonfeld和Kraus对超临界流体换热进行理论计算和实验研究，发现计算结果高于实验值，说明超临界不能用常规对流换热方法精确计算。Dang和Hiara也进行了上述工作，比较了多个关联式，并在Pilta方程的基础上建立了新的关联式，计算结果与试验结果误差为20%。东京大学的Hihara和Tanaka对高压下CO2流体沸腾做了大量的试验，由于在蒸发器内，流体涉及两相流换热，流体的流型对换热影响很大。挪威NTNU的Pattersen对CO2流体在微通道内低压沸腾流动流型进行试验研究，给出了流型图，同时对CO2蒸发流动压力降进行了测试。Grol和Kim都对CO2流体干度对水平管换热系数的影响进行了理论与试验研究，当CO2流体完全变为蒸汽，则换热器系数迅速下降，换热效果恶劣。Choi对CO2流体在垂直管道的蒸发换热情况进行了实验研究，发现低流体干度区，随干度的增大，换热系数增大，当干度超过某一值时，换热系数迅速下降。Kim等人对CO2多层微通道蒸发器进行理论和试验研究，所建理论模型与试验吻合较好。Kulkarmi等人对消除CO2微通道换热器各通道的干度不均有性方面进行了研究。

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引言空气源热泵是以空气作为高温(低温) 热源来进行供热(供冷) 的装置。相对于其它热泵类型而言 ,我国对空气源热泵的研究起步较早 ,研究内容也较多。以环境空气作为低品位热源 ,可以取之不尽 ,用之不竭 ,处处都有 ,无偿获取。空气源热泵则安装灵活、使用方便、初投资相对较低 ,且比较适用于分户安装 ,目前我国室内空调器大都采用的是这种形式。这也就使得我国空气源热泵冷热水机组市场空前繁荣 ,生产研制已经比较成型 ,产品规格齐全 ,品牌繁多。据有关调查表明 ,目前我国空气源热泵冷热水机组生产厂家已由 1995 年的十几家发展到现在的四十多家 ,据不完全统计 ,国内销售的机组已逾45个品牌 ,其中国产机组约占 25 %左右 ,其余为合资产品 ,台资产品和进口产品。为了更好地了解我国空气源热泵方面的发展动态 ,本文将对近年来我国关于空气源热泵的研究进行分析 ,并在此基础上指出空气源热泵所存在的问题及有待改进的方向 ,希望以此来进一步促进空气源热泵在我国的研究和应用。1我国空气源热泵研究状况随着空气源热泵在我国应用的日趋广泛和研究的日趋深入 ,了解我国空气源热泵的研究状况对于后续研究而言具有重要的意义。下面重点介绍我国近年来关于空气源热泵的技术进展。1. 1 空气源热泵结霜、化霜问题的研究由于空气源热泵冬季采用空气作为热源 ,所以 ,随着室外温度的降低 ,其蒸发温度也随之降低 ,蒸发器表面温度随之下降 ,甚至低于0 ℃。此时 ,当室外空气在流经蒸发器被冷却时 ,其所含的水分就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。结霜对热泵是极其不利的。随着霜层的形成 ,蒸发器传热热阻增加 ,蒸发温度下降 ,机组的性能下降 ,工况恶化 ,制热量也将下降 ,这将严重影响压缩机以及热泵整体的性能 ,同时 ,除霜带来的额外费用还将降低空气源热泵的经济性 ,这也就是为什么空气源热泵在寒冷、潮湿地区的应用受到限制的原因。所以说 ,结霜机理、化霜方法一直是空气源热泵研究与应用中要解决的重点与难点。目前 ,有不少关于空气源热泵机组冬季运行状况的研究[1 ,2 ,3],主要分析供热时不同工况下空气盘管表面湿空气结霜、结露及干冷却特性 ,并结合结霜过程进行试验和模拟 ,分析了迎面风速、环境温湿度、翅片间距、管排数等参数对结霜性能的影响及其所可能产生的一系列后果。了解结霜的机理的主要目的是要解决如何除霜的问题。传统的除霜控制方法主要包括 :定时除霜法 ,时间 —温度(压力) 法 ,空气压差控制除霜法 ,霜层传感器控制除霜法 ,声音震荡器控制除霜法 ,最大平均供热量控制除霜法 ,最佳除霜时间控制法等。这些方法各有利弊 ,有待完善。近年来 ,由于计算机技术的发展 ,将模糊控制技术引入空气源热泵除霜问题的研究作为一项先进可行的新技术 ,逐渐引起了人们的注意。这主要是因为空气源热泵结霜问题的影响是多因素 ,非线性的 ,而模糊控制技术的优势就是处理多维、非线性、时变问题。这样一来 ,将模糊控制技术引入空气源热泵的除霜控制 ,通过对除霜过程的系统响应分析 ,可以使除霜控制能够自动适应机组工作环境的变化 ,达到智能除霜的控制要求。关于这方面的详细研究参见文献[4 ,5 ,6 ,7]。此外 ,还有考虑环境工况变化的双温度传感器智能化除霜控制方法等[8]。尽管空气源热泵具有很多优点 ,但受室外环境的限制也比较大 ,这也是空气源热泵目前仅在我国黄河以南地区得到了广泛应用的主要原因。而在黄河以北地区 ,应用空气源热泵则根据所处地区不同有其特殊要求。目前 ,关于西安、胶东以及寒冷地区空气源热泵的实际应用情况已有研究[9 ,10 ,11 ,12],并就所遇到的如压缩比过大等具体问题提出了一些相应的改进措施 ,可在相应地区的实际应用中作为参考。此外 ,为了对空气源热泵结霜除霜所带来的损失进行量化的分析 ,有研究提出了不同地区、不同使用情况下的平均结霜除霜损失系数的概念 ,平均结霜除霜损失系数越大的地区应用空气源热泵越不经济。据此,将我国空气源热泵使用地区根据平均结霜损失系数分成 4 类 :低温结霜区 :如济南、北京、郑州、西安、兰州等 ;轻霜区 :如成都、桂林、重庆等 ;重霜区 :如长沙 ;一般结霜区 :如杭州、武汉、上海、南京、南昌、宜昌等[13 ,14]。这些都可以作为今后热泵设计选用中重要的参考依据。1. 2空气源热泵节能问题的研究火用是对系统能的质与量的综合评价。对系统进行火用分析可以揭示出系统中火用损失的部位、类型和数量 ,以便设法减少这些损失。通过火用计算分析可知 ,压缩功只有 20 %被利用 ,而有 80 %被损失 ,其中 ,压缩机火用损失占 30. 7 %,冷凝器占2014 % ,蒸发器占 1715 % ,毛细管占 10 %[23]。由此我们可以看出 ,空气源热泵系统节能的主要部件是压缩机 ,提高压缩机本身的技术指标 ,是提高整个系统火用效率的关键 ,而冷凝器和蒸发器火用优化措施主要是设法降低传热温差。当然 ,系统的节能改进与经济性是相互制约的 ,仅从能效进行分析有一定的局限性。从这个角度出发 ,有关研究人员提出供热最佳经济平衡点的概念 ,以期在此最佳经济平衡点温度条件下 ,整个供热系统(热泵 + 辅助热源) 的初投资与运行费最少 ,从而合理实现热泵节能优化[15 ,16]。此外 ,通过空气源热泵机组与水冷冷水 + 锅炉机组、溴化锂吸收式机组( + 锅炉) 这 3 种方案的经济性比较可以得出 ,空气源热泵相对于其它两种形式而言 ,经济性上具有显著的优越性[17]。1. 3 空气源热泵各部件性能、工质等对整个系统的影响有限时间热力学方法在空气源热泵的研究中应用较多。用有限时间热力学方法可以从理论上研究热阻对空气源热泵循环性能的影响 ,并由此得出对应于最大供热系数的最佳压比和供热率、供热系数之间的关系[18]。而通过有限时间热力学方法对回热式空气源热泵循环性能进行的分析 ,可以导出变温热源不可逆闭式回热式空气热泵的供热率和供热系数与循环压比间的解析式[19]。这可以对实验研究起到一定的指导意义。四通换向阀是热泵机组中用来改变制冷剂流向的一个关键控制阀件 ,上海交通大学陈芝久等人就四通换向阀的性能对热泵的影响进行了一系列详细研究 ,根据对四通换向阀的动态模拟和测试 ,就其容量的测定与换算等方面给出了一些较为合理的建议[20 ,22 ,23 ,24 ,25 ,26]。关于热泵启停机特性问题 ,有研究分析了热泵停机时系统压力平衡导致的制冷剂迁移和汽液分离器的机理 ,并指出启动时制冷剂迁移和汽液分离器将导致系统 COP 的下降[27]。随着人们对生存环境的日益重视 ,近来开展研究与探讨了不少关于空气源热泵替代工质的研究 , 如 :R410A、R134a、R744、非共沸混合溶液等。例如 ,有文献通过对 R410A 和 R22 在回热循环中的性能研究表明 ,在回热式空气源热泵循环中应用R410A 作为制冷剂对整个系统性能更为有利[20]。这种研究方法也可在其他替代工质的比较研究中作为借鉴。空气源热泵机组的噪声来源有很多方面 ,受各方面的因素影响也比较多 ,但一般来说 ,压缩机和风机是主要的噪声源 ,相应地 ,我们应该合理设计压缩机和风机的结构 ,并采取一定的隔音措施以便尽可能减少噪音。此外,合理布置机组间距离也可以有效减小噪音[28 ,29]。1. 4 计算机模拟在空气源热泵系统中的应用随着计算机技术的不断普及,计算机在暖通空调中的应用也日益广泛。前面所述及的一些研究中有很多也都应用了计算机技术 ,但关于计算机模拟在暖通空调中具有代表性的应用主要有以下几个方面 :①对压缩机的计算模拟采用神经网络法对空气源热泵中螺杆式压缩机的冬季运行特性进行模拟 ,并结合误差反向传播算法(BP 算法) 进行调整 ,结果表明 ,采用该方法对压缩机进行建模模拟可以达到较高的精度要求。模拟结果与实验结果吻合较好[30]。②对蒸发器的计算模拟通过对空气源热泵的蒸发器结霜问题进行动态模拟计算,可以详细分析蒸发器结霜和制冷剂充灌量对系统性能所产生的影响[31 ,32]。另外 ,对于采用ε2NTU 法 (效率 —传热单元数法) 对空气源热泵蒸发器肋片管在干工况、湿工况及结霜工况下的传热传质计算方法也有相关探讨[33]。③系统仿真研究通过建立房间空调器热泵运行时的瞬态仿真的数学模型,可以得出房间空调器热泵运行时的制冷系统参数及房间温度变化的曲线[34],这对实现空气源热泵系统的自控有很大的意义。④系统能耗分析软件关于空气源热泵全年能耗分析应用软件的开发应用在相关文献中有所介绍[35],该软件在求解热泵供冷全年能耗时,综合考虑了空调冷负荷、室外干球温度、热泵出水温度这 3 个因素 ,在求热泵供热能耗时 ,还将室外空气相对湿度这个重要参数考虑进去,这就使得热泵供热能耗计算更为准确 ,也为空气源热泵的应用提供了一个很好的分析方法。1. 5 其它近来针对热泵分户计量的需要,有观点在对传统的计量方法进行比较分析的基础上提出了用比率法测量热泵制热量的新思路 ,并结合实际测量给出了应用评价[36]。变频技术在空气源VRV热泵中的应用是一项新技术。根据对大金变频控制热泵式 VRV 空调系统夏季制冷运行时的节能特性所做的一系列实验研究,可以获得夏季部分负荷运行特性。通过在节能方面与普通空气源热泵进行比较,证明应用变频技术以后的空气源热泵机组比普通机组更加节能[37]。客车空调也是空气源热泵应用的一个主要方面。关于空气源热泵应用于空调客车的可行性、经济性以及所遇到的诸如融霜等问题,已有相应的探讨和试验研究[38 ,39 ,40 ,41],具体地 ,关于压缩机转速对机车热泵空调系统制冷量、输入功率及COP 等性能的影响等问题, 也有相关文献介绍[42]。此外 ,从一些空气源热泵在一些公共场所、大中型商场、毛纺厂等大型建筑中的工程应用实例介绍文献可以看出,空气源热泵不仅理论研究相对已经比较成熟 ,而且已在我国的实际工程中得到了广泛的应用。2空气源热泵有待解决的问题及改进方向对于空气源热泵而言,除了具有种种优点之外 ,仍存在很多不足及有待解决的问题。空气源热泵的性能受室外气候条件变化影响较大 ,随着室外环境的恶化而恶化。夏季 ,随着室外空气温度的升高,制冷负荷增大 ,但热泵系统冷凝温度升高 ,热泵温差增加 ,机组整体效率降低 ;冬季 ,随着空气温度的降低 ,供热负荷增大 ,而蒸发温度随之降低 ,热泵温差增大,导致机组整体效率降低。同时 ,随着室外条件的恶劣 ,热泵的工作性能急剧下降,又反过来加剧了室外环境的恶劣程度。进一步研究应考虑采取相应措施来合理改善机组的性能。空气源热泵另一个突出的问题就是蒸发器冬季结霜问题。这不但导致系统供热性能的急剧下降,还将对压缩机等重要部件产生不良影响(如冰堵) ,严重时将损坏压缩机 ,使系统不能正常运转 ,同时 ,结霜还将使机组运行费用增加。尽管我国在这方面已经做了很多研究工作,但关于结霜的控制措施及除霜技术的研究方面 ,还需要进一步进行深入研究和实验论证。如 :有研究认为,空气源热泵工作性能的平均水平是对其结霜过程进行控制、充分发挥热泵系统技术性能的关键 ,同时还指出 ,关于如何得到最佳的工作特性平均水平点,得到尽可能短的除霜周期和最佳工作效率的问题,可通过热泵系统设计中对各设备性能和循环参数的最佳耦合得到[31]。但究竟如何实现最佳耦合却缺少详细的说明和深入研究。另外 ,如何对机组本身进行优化设计,减少结霜 ,如何采用更好的除霜方式来提高空气源热泵的运行效率 ,节约机组的费用 ,这些都仍值得探讨。目前空气源热泵机组中大都采用的是一些含CFCs 或HCFCs 的等具有臭氧破坏潜能 ODP 或地球变暖潜能 GWP 的制冷剂 ,对环境的负面影响较大 ,而且 ,根据蒙特利尔议定书 ,各国将限制具有ODP和GWP 的卤代烃 CFCs 或 HCFCs 的使用 ,并规定了到 2030 年完全禁止使用的日程表。由此看来 ,对新型环保替代工质 (如 : R410A , R134a ,R744 等) 的特性的研究很有必要 ,相应地 ,采用新工质后系统的优化匹配问题也应进行详细实验和研究。由于室外空气一年四季甚至一天当中的温度波动较大 ,这就对实现整个空气源热泵系统的自动控制提出了很大的挑战 ,关于这一方面的研究尚不多见 ,还有待于逐渐探索和完善。此外 ,关于在我国北方地区应用空气源热泵的可行性问题,还需要根据各地区具体气象条件进行更为详细的实际论证和分析。3结语本文对近年来我国在空气源热泵方面的研究进展从各个方面进行了比较全面的分析。总的看来,我国空气源热泵的研究和应用工作已经取得了一定的成就 ,但仍存在一些不足之处 ,如:节能除霜方法、新工质新循环的替代、系统的智能控制等方面仍有待改进。在今后的研究中应努力解决好这些问题 ,以此促进空气源热泵在我国更广泛的应用。