空氣源熱泵作為一種以空氣為低溫熱源，通過(guò)少量高位電能驅(qū)動(dòng)，將空氣中的低位熱能提升成高位熱能加以利用的裝置。具有高效節(jié)能，環(huán)保無(wú)污染等特點(diǎn)。此外，空氣源熱泵熱水器作為空氣源熱泵的一種新興產(chǎn)品，被認(rèn)為是減少CO2排放和降低對(duì)化石燃料依賴程度最具有發(fā)展?jié)摿Φ沫h(huán)保產(chǎn)品。

 

  空氣源熱泵在環(huán)境溫度相對(duì)較高時(shí)，運(yùn)行性能良好，但是在室外環(huán)境較低情況下，熱泵系統(tǒng)并不能高效、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。這一直制約著空氣源熱泵的發(fā)展和推廣應(yīng)用。究其原因主要有:

 

  1) 當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時(shí)，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度降低，冷凝溫度不變的情況下，壓縮比增大，超出普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)正常運(yùn)行的臨界值，且壓縮比的增大引起排氣溫度過(guò)高，超過(guò)壓縮機(jī)正常的工作范圍，致使壓縮機(jī)頻繁啟停，系統(tǒng)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致壓縮機(jī)燒毀。

 

  2) 低溫環(huán)境下，壓縮機(jī)吸氣比體積增大，輸氣系數(shù)減小，此外，蒸發(fā)器表面容易結(jié)霜，換熱器傳熱效果惡化，且增加了空氣流動(dòng)阻力，使得機(jī)組制熱量減少，性能下降。

 

  3) 低溫工況下，大量的潤(rùn)滑油積存在氣液分離器內(nèi)而造成壓縮機(jī)的缺油，同時(shí)由于粘度增加，引起啟動(dòng)失油，降低潤(rùn)滑效果。

 

  1 國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究現(xiàn)狀

 

  針對(duì)空氣源熱泵在低溫環(huán)境出現(xiàn)的弊端，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，使得機(jī)組的穩(wěn)定性、制熱性能和COP 等都有了很大的提高。主要包括以下幾個(gè)方面:

 

  1. 1 補(bǔ)氣增焓熱泵系統(tǒng)

 

  補(bǔ)氣增焓技術(shù)能夠較好地改善低溫環(huán)境下壓縮制冷循環(huán)的效率，降低壓縮機(jī)排氣溫度，提高制冷設(shè)備的效率以達(dá)到節(jié)省能源的目的。

 

  申江等通過(guò)實(shí)驗(yàn)在－ 10℃ ～ － 15℃的低溫環(huán)境中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)仍然具有較高的制熱能力和供暖溫度，能夠滿足寒冷地區(qū)冬季的采暖要求，但隨著環(huán)境溫度的升高，補(bǔ)氣改善性能系數(shù)的效果變差。Ma 等［3］研究發(fā)現(xiàn)，帶閃發(fā)器的熱泵系統(tǒng)能夠滿足寒冷地區(qū)惡劣氣候的供熱要求。與帶過(guò)冷器的系統(tǒng)相比，在低溫環(huán)境下，帶閃發(fā)器的系統(tǒng)供熱效率更高。但是，該系統(tǒng)較適合于小型空氣源熱泵系統(tǒng)。楊麗［4］從壓縮機(jī)補(bǔ)氣口位置、經(jīng)濟(jì)器傳熱溫差、冷凝器出口過(guò)冷度和工質(zhì)類型對(duì)機(jī)組性能的影響。但所研究的噴液及補(bǔ)氣影響多集中于壓縮機(jī)本身，而且所研究的噴液基本是在吸氣結(jié)束后直接噴入壓縮腔。這樣，就需要采用有補(bǔ)氣孔口的專用壓縮機(jī)，提高系統(tǒng)的成本。費(fèi)繼友［5］認(rèn)為，在低環(huán)境溫度下，吸氣噴液可更有效地降低壓縮機(jī)的排氣溫度，但噴液對(duì)低環(huán)境溫度下的壓縮機(jī)高壓縮比惡劣運(yùn)行工況沒(méi)有改善。同時(shí)吸氣噴液降低了系統(tǒng)的制熱量和能效比，造成熱泵機(jī)組功耗上升，隨著環(huán)境溫度的提高，吸氣噴液對(duì)制冷量、功耗及能效比的影響增大。

 

  綜上所述，采用噴液冷卻的壓縮機(jī)、引入輔助換熱器和性能優(yōu)良混合工質(zhì)對(duì)單級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)的低溫適應(yīng)性有了一定的提高，但仍然無(wú)法從根本上解決壓縮比大和排氣溫度高的問(wèn)題，系統(tǒng)的可靠性也沒(méi)有得到本質(zhì)提高，對(duì)于補(bǔ)氣增焓技術(shù)有待于進(jìn)一步的研究。

 

  Fig． 1 Schematic diagram of heat pump system witheconomizer of increasing enthalpy by supplying gas1. 2 雙級(jí)壓縮熱泵循環(huán)系統(tǒng)雙級(jí)壓縮式熱泵循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)中間壓力補(bǔ)氣方式來(lái)提高系統(tǒng)低溫下的性能，同時(shí)可以有效的降低排氣溫度過(guò)高，壓比過(guò)大等帶來(lái)的一系列可靠性問(wèn)題。

 

  王偉以Ｒ134a 為工質(zhì)，在蒸發(fā)溫度為－ 30℃，冷凝溫度為60℃下，通過(guò)計(jì)算得出: 兩級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻雙級(jí)壓縮循環(huán)系統(tǒng)的排氣溫度及壓縮比均優(yōu)于普通單級(jí)熱泵循環(huán)系統(tǒng)，且性能系數(shù)較高，但是，作者只是從理論角度進(jìn)行分析，并未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

 

  謝英等對(duì)雙級(jí)壓縮、利用噴射器代替節(jié)流閥的CO2跨臨界雙級(jí)壓縮和噴射制冷循環(huán)深入分析后，得出在給定條件下雙級(jí)壓縮/噴射循環(huán)的性能系數(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。但是沒(méi)有考慮壓縮機(jī)絕熱效率對(duì)其系統(tǒng)的影響。田長(zhǎng)青等把變頻技術(shù)和雙級(jí)壓縮技術(shù)有效結(jié)合，提出了雙級(jí)壓縮變頻空氣源熱泵系統(tǒng)。但是缺少對(duì)于低高壓級(jí)壓縮機(jī)合理的輸氣量之比，中壓力對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能影響。對(duì)此，金旭基于質(zhì)量與能量守恒方程，以轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)幾何模型為基礎(chǔ)，建立反映中間壓力形成過(guò)程的變?nèi)萘侩p級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)耦合模型，分析了中間壓力隨時(shí)間的變化及其變工況特性。盛健從供暖角度出發(fā)，以理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，分析中間壓力和高低壓級(jí)質(zhì)量流量比與COP 的關(guān)系。但是該實(shí)驗(yàn)依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)熱力膨脹閥來(lái)調(diào)節(jié)中間壓力，難以精確調(diào)節(jié)到其理論設(shè)定的中間壓力值。此外，對(duì)熱泵熱水器而言，其研究也有一定的局限性，因?yàn)闊岜?a href="http://yaoqilife.top/t/熱水器.html" >熱水器冷凝側(cè)所處的是一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境，其蒸發(fā)壓力、冷凝壓力和加熱功率隨著熱水溫度的升高而升高，箱內(nèi)熱水溫度分布對(duì)空氣源熱泵熱水器的制熱系數(shù)有很大影響。馬最良等［11］利用中間水環(huán)路將兩套單級(jí)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行耦合來(lái)提高空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性，提出單、雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)( 如圖2) 。通過(guò)低溫空氣/水熱泵從大氣中吸取熱量，提供10 ～ 20℃的低溫?zé)崴⒆鳛?a href="http://yaoqilife.top/t/高溫.html" >高溫級(jí)水源熱泵的低位熱源制備高溫熱水向建筑物供暖的，但中間水環(huán)路增加了系統(tǒng)的傳熱溫差，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合用作小型裝置。此外，蘭江華發(fā)現(xiàn)雙級(jí)壓縮空氣源熱泵熱水器存在啟動(dòng)異常故障現(xiàn)象，主要原因由工作環(huán)境和注油量造成，但是作者只對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析描述，并未給出解決方案。Zehnder對(duì)雙級(jí)壓縮系統(tǒng)油平衡、油遷移及其油分布規(guī)律進(jìn)行了研究，指出系統(tǒng)連續(xù)制熱1 ～ 2h，高壓機(jī)油位低于正常油位底線，運(yùn)行工況惡化。該作者提出一種回油方案，但此方案過(guò)于復(fù)雜，需要在壓縮機(jī)回油口設(shè)置電磁閥和油位傳感器以及在系統(tǒng)低壓側(cè)增加油泵。

 

  對(duì)于雙級(jí)壓縮而言，仍存在許多急需解決的問(wèn)題: 如注油量，油平衡及油遷移，系統(tǒng)的控制策略，變頻壓縮低高壓級(jí)的合理的輸氣量比，最佳中間壓力的變化等問(wèn)題。

 

  1. 3 復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)

 

  復(fù)疊式循環(huán)是將一種中、高溫制冷劑與一種低溫制冷劑相結(jié)合，以滿足系統(tǒng)在溫跨較大時(shí)，能效比低、單臺(tái)壓縮機(jī)的壓縮比大等要求，其最大的優(yōu)點(diǎn)是兩種工質(zhì)均在最佳的溫度范圍內(nèi)工作。

 

  目前，對(duì)于復(fù)疊式循環(huán)的研究，主要停留在利用熱力學(xué)理論循環(huán)方法，以制冷效率為目標(biāo)，選取最佳中間冷凝溫度和其他相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)［14-16］，對(duì)于制熱方面的研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段，尚缺乏基礎(chǔ)理論性以及指導(dǎo)方向性的研究。而復(fù)疊式制冷與復(fù)疊式熱泵相比，兩者差別較大。如工質(zhì)方面，低溫工質(zhì)已經(jīng)相當(dāng)成熟普遍，而高溫工質(zhì)的研究還處于較初級(jí)的階段，這是制約復(fù)疊式高溫?zé)岜?/a>發(fā)展的一個(gè)瓶頸; 針對(duì)這一缺陷，H． M． Getu 等［17］ 以Ｒ744 為低溫級(jí)制冷劑，Ｒ717、Ｒ1270 和Ｒ404A 分別為高溫級(jí)制冷劑復(fù)疊式系統(tǒng)做了研究，同時(shí)，利用多元線性回歸方式得出COP 與蒸發(fā)溫度，過(guò)冷過(guò)熱度等之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以及在最佳蒸發(fā)溫度下，Ｒ717 與Ｒ744 的最佳質(zhì)量流量比。A． Kilicarslan 等［18］利用熱力學(xué)第一，第二定律，分析了不同工質(zhì)耦合下系統(tǒng)COP 和不可逆性隨蒸發(fā)溫度，冷凝溫度，復(fù)疊溫差和壓縮機(jī)多變效率的變化規(guī)律。但是，該學(xué)者只是從熱力學(xué)理論循環(huán)出發(fā)，定性分析了對(duì)系統(tǒng)的性能影響，并未從實(shí)驗(yàn)角度進(jìn)行驗(yàn)證。Bertsch［19］對(duì)帶中間冷卻器的兩級(jí)壓縮、帶經(jīng)濟(jì)器的兩級(jí)壓縮和復(fù)疊式熱泵研究表明，0℃為三種系統(tǒng)性能的分界點(diǎn)，在0℃以下，帶中間冷卻器的兩級(jí)壓縮循環(huán)COP 最低，復(fù)疊式循環(huán)略優(yōu)于帶經(jīng)濟(jì)器的兩級(jí)壓縮循環(huán)。而在0℃以上，兩種兩級(jí)壓縮循環(huán)效率基本相同，COP 均高于復(fù)疊式循環(huán)。但是，該學(xué)者是以Ｒ410A 為工質(zhì)，對(duì)于單級(jí)，復(fù)疊式系統(tǒng)的溫度切換點(diǎn)具有一定的局限性，同時(shí)在優(yōu)化控制方面也并未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。再如潤(rùn)滑油問(wèn)題，除了考慮潤(rùn)滑油與工質(zhì)的相容性之外，復(fù)疊式制冷更多考慮的是潤(rùn)滑油低溫凝固的問(wèn)題，而復(fù)疊式熱泵更多需要考慮的是潤(rùn)滑油的高溫分解問(wèn)題。

  在熱泵方面，陳光明等［21］提出一種新型空氣源熱泵裝置，該裝置既可按傳統(tǒng)單級(jí)空氣源熱泵方式運(yùn)行，又可按復(fù)疊循環(huán)方式運(yùn)行。但該學(xué)者只是提出優(yōu)化方案措施，并沒(méi)有對(duì)其產(chǎn)生的效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)熱泵熱水器而言，由于水箱里的水存在較明顯的分層現(xiàn)象，導(dǎo)致冷凝換熱欠佳。為解決此問(wèn)題，Wu，J． 等［22］在復(fù)疊式熱泵熱水器系統(tǒng)中加入相變材料，以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)系統(tǒng)有無(wú)相變材料兩種情況下的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了研究，并給出不同蒸發(fā)溫度下復(fù)疊式系統(tǒng)與單級(jí)系統(tǒng)的切換條件。此外，隨著蒸發(fā)溫度的降低，高溫部分和低溫部分壓縮機(jī)耗功之間的比值不斷提高，而并非定值。對(duì)于傳統(tǒng)復(fù)疊循環(huán)系統(tǒng)而言，一般以低溫級(jí)達(dá)到最低溫度來(lái)匹配兩臺(tái)壓縮機(jī)。這樣，當(dāng)?shù)蜏卣舭l(fā)溫度高于設(shè)計(jì)最低溫度運(yùn)行時(shí)，低溫級(jí)壓縮機(jī)功率相對(duì)偏小，高溫級(jí)壓縮機(jī)功率偏大，中間溫度會(huì)發(fā)生偏移，中間溫度的偏移會(huì)導(dǎo)致低溫級(jí)達(dá)不到該蒸發(fā)溫度的最佳性能系數(shù)［20］。變?nèi)萘繅嚎s機(jī)有助于低高壓級(jí)匹配，使中間溫度在變工況下始終處于最佳值，此方面已成功運(yùn)用于單雙級(jí)壓縮系統(tǒng)，但對(duì)具有變?nèi)萘刻匦缘膹?fù)疊式系統(tǒng)及高低壓壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)耦合過(guò)程優(yōu)化鮮有報(bào)道。

 

  1. 4 空氣源熱泵的除霜技術(shù)

 

  空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫工況下運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器表面霜的形成導(dǎo)致換熱器傳熱效果惡化，且增加了空氣流動(dòng)阻力，使得機(jī)組制熱能力下降，嚴(yán)重時(shí)機(jī)組會(huì)停止運(yùn)行，因此，提高蒸發(fā)側(cè)的除霜和延緩結(jié)霜技術(shù)是提高空氣源熱泵在低溫環(huán)境下制熱性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效途徑之一。

 

  目前常用的除霜方式主要有電熱除霜，逆循環(huán)除霜，熱氣旁通和蓄熱除霜幾種方式。電加熱除霜是用電加熱提供化霜熱，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、除霜完全、實(shí)現(xiàn)控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在小型裝置上廣泛采用，但缺點(diǎn)是耗電多，不宜在大型裝置上采用［23］。逆循環(huán)除霜通過(guò)四通閥換向使制冷劑沿環(huán)路反向流動(dòng)，將熱泵從制熱工況轉(zhuǎn)換成制冷工況，熱泵從室內(nèi)吸熱排到室外換熱器以融化其表面結(jié)霜。研究表明，逆循環(huán)除霜簡(jiǎn)單易行，除霜效果良好［24］。然而，在除霜時(shí)高低壓對(duì)接過(guò)程會(huì)對(duì)系統(tǒng)各部件產(chǎn)生比較嚴(yán)重的沖擊，系統(tǒng)可靠性受到影響，除霜控制系統(tǒng)不完善，甚至造成誤除霜［25］。此外，逆循環(huán)除霜時(shí)為了避免向室內(nèi)吹冷風(fēng)而必須關(guān)閉室內(nèi)機(jī)所導(dǎo)致的除霜缺少低位熱源的本質(zhì)問(wèn)題仍沒(méi)有得到解決。

 

  熱氣旁通法是在壓縮機(jī)出口與蒸發(fā)器入口之間設(shè)置一根旁通管，通過(guò)增加旁通管內(nèi)的熱氣( 制冷劑) 來(lái)抑制蒸發(fā)器表面結(jié)霜［26-27］。Byun，J． 等［28］研究表明: 旁通管的流量占總流量的20% 時(shí)系統(tǒng)的性能最好，與一般系統(tǒng)相比，熱氣旁通方式是系統(tǒng)的平均COP 和制熱量分別增加8. 5% 和5. 7%，但是由于蒸發(fā)器入口溫度的提高，導(dǎo)致了系統(tǒng)制熱量的下降。

 

  熱氣旁通除霜的能量主要來(lái)自壓縮機(jī)的輸入功，而且制冷劑流過(guò)分液器和分液毛細(xì)管的能量損失較大，除霜時(shí)間比逆循環(huán)除霜長(zhǎng); 同時(shí)，除霜時(shí)，導(dǎo)致蒸發(fā)壓力變低，吸氣比容變大，系統(tǒng)中制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量隨之變小，供給除霜用的熱量變少?；诖巳秉c(diǎn)，胡文舉等［29-30］將相變蓄能裝置引入到熱泵系統(tǒng)中，提出空氣源熱泵蓄能熱氣除霜新系統(tǒng)( 見(jiàn)圖4) ，該系統(tǒng)把熱泵平時(shí)高效運(yùn)行時(shí)的余熱轉(zhuǎn)存到蓄熱器內(nèi)，使之作為熱泵除霜工況下的低位熱源，有效的解決了熱氣除霜時(shí)能量來(lái)源不足的問(wèn)題?；诔獣r(shí)間、除霜時(shí)壓縮機(jī)排氣壓力、室內(nèi)溫度波動(dòng)等特性，張杰等［31］分別對(duì)逆循環(huán)除霜系統(tǒng)、熱氣旁通除霜系統(tǒng)和相變蓄能除霜系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)表明，相變蓄能系統(tǒng)除霜有利于縮短除霜時(shí)間，且室內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，能耗較少，但是，該系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度比另外兩種系統(tǒng)高，對(duì)壓縮機(jī)的安全性提出更好的要求。

 

  JIA 等利用室外換熱器的除濕劑首先對(duì)被處理的空氣進(jìn)行干燥去濕，從而抑制或延緩結(jié)霜，然而隨著除濕劑吸收水蒸汽能力的減弱，抑制結(jié)霜的作用也逐漸失效。為解決此問(wèn)題，Zhang 等提出一種新型干燥除濕無(wú)霜空氣源熱泵 ，該系統(tǒng)利用冷凝后的余熱加熱空氣來(lái)對(duì)固體吸濕劑進(jìn)行解析。

 

  但是，在解吸模式下，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于0℃時(shí)，該系統(tǒng)依然存在結(jié)霜的問(wèn)題。同時(shí)，該學(xué)者并未對(duì)新型系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及固體吸濕劑的材料和用量進(jìn)行分析，對(duì)該模型和系統(tǒng)有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

 

  縱觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，人們對(duì)空氣源熱泵的除霜有了很大的改進(jìn)，但是在實(shí)際運(yùn)行中常規(guī)除霜性能仍難以令人滿意，除霜過(guò)程的穩(wěn)定性與可靠性也遠(yuǎn)沒(méi)有解決。究其原因，所做研究在特定實(shí)驗(yàn)條件下，其應(yīng)用是否具有廣泛性還需要進(jìn)一步研究。此外，融霜機(jī)理十分復(fù)雜，從傳熱傳質(zhì)的機(jī)理上揭示蒸發(fā)器的除霜過(guò)程有待于進(jìn)一步的深化和完善。因此，如何從根本上解決除霜問(wèn)題，成為今后研究的重點(diǎn)方向。

 

  1. 5 新型工質(zhì)的替代

 

  由于Ｒ22 具有對(duì)臭氧層的破壞作用及溫室效應(yīng)，使全世界空調(diào)和熱泵行業(yè)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，研究開(kāi)發(fā)、尋找新型環(huán)保制冷劑替代傳統(tǒng)的高ODP、高GWP 值的制冷劑是一項(xiàng)急需研究的課題。目前對(duì)空氣源熱泵研究的新型制冷工質(zhì)主要有CO2，Ｒ32，Ｒ407C 和Ｒ410A，Ｒ290 等。

 

  綠色環(huán)保天然工質(zhì)二氧化碳以其優(yōu)良的熱物性成為熱泵系統(tǒng)中合成工質(zhì)最有潛力的替代物之一，在熱水器應(yīng)用方面尤為突出。其吸熱過(guò)程( 蒸發(fā)、壓縮) 在亞臨界條件下進(jìn)行，換熱主要依靠潛熱來(lái)完成; 而冷凝過(guò)程則是在接近或超過(guò)臨界點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，放熱依靠顯熱來(lái)完成，是一個(gè)伴隨有較大溫度滑移的變溫過(guò)程。這正好可與水加熱時(shí)的溫升相匹配，自然可減少高壓側(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬哪芰繐p失。因此，這種特殊的勞倫茲循環(huán)，特別適合于家用熱水的加熱，由于其高容積制冷量，優(yōu)良的傳熱性能和節(jié)能性能，CO2熱泵熱水器在日本贏得“ECOCUTE”( 生態(tài)精靈) 的稱號(hào)。

 

  由于CO2熱泵制熱循環(huán)的工作壓力比氟利昂熱泵循環(huán)高5 ～ 7 倍，李濤等利用噴射器提高跨臨界二氧化碳系統(tǒng)的性能。但是，隨著蒸發(fā)溫度的提高，對(duì)系統(tǒng)的性能提高有限。Goodman 等通過(guò)內(nèi)部換熱器來(lái)提高在低溫環(huán)境下CO2熱泵熱水器性能，此外，由于CO2節(jié)流損失及放熱滑移溫度相對(duì)較大，增加氣冷器水流量可有效提高系統(tǒng)的制熱系數(shù)。

 

  程林等通過(guò)使用Simulink 建立PID 控制和模糊控制的模型并進(jìn)行對(duì)比分析，得出使用模糊控制方法時(shí)蒸發(fā)器的過(guò)熱度響應(yīng)時(shí)間更快，且過(guò)熱度在控制過(guò)程中變化更為平穩(wěn)，適用于跨臨界CO2熱泵這種具有強(qiáng)烈非線性特性的系統(tǒng)。但是其仿真結(jié)果未經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模型尚有待進(jìn)一步完善。

 

  作為Ｒ410A 一個(gè)組成部分的Ｒ32，具有較好的傳熱性能、較高的能效和良好的應(yīng)用前景。黃玉優(yōu)等通過(guò)對(duì)Ｒ32 替代Ｒ410A 空氣源熱泵熱水器研究后，得出在3℃低溫環(huán)境下，Ｒ32 樣機(jī)的性能系數(shù)提高31. 1%，但排氣溫度達(dá)到101. 9℃，不利于Ｒ32制冷劑在低溫條件下的應(yīng)用。史琳等［42］對(duì)家用/商用空調(diào)中Ｒ32 替代Ｒ22 的可行性進(jìn)行分析，同樣發(fā)現(xiàn)Ｒ32 存在排氣溫度高的問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，矢島龍三郎等［43］利用膨脹閥控制壓縮機(jī)吸氣干度，同時(shí)使用Ｒ32 專用的潤(rùn)滑油來(lái)降低排氣溫度，但是此方法對(duì)壓縮機(jī)的安全性存在一定安全隱患。秦妍等［44］以理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，分析了Ｒ32 替代Ｒ410A后，提出采用補(bǔ)氣方法，能夠有效降低排氣溫度，同時(shí)在一定程度上增加換熱量及COP。但是最佳補(bǔ)氣量與環(huán)境的變化關(guān)系未進(jìn)行分析，有待進(jìn)一步的研究。

 

  吳華根等認(rèn)為，與使用Ｒ22 相比，使用Ｒ134a會(huì)導(dǎo)致樣機(jī)制熱量、COP 和功耗降低。且Ｒ134a 屬于中壓制冷劑，Ｒ404 在       膨脹過(guò)程中要損失更多的蒸發(fā)比焓以冷卻通過(guò)膨脹閥的液體，使制熱量受到更大的影響，兩者均非Ｒ22 的理想替代工質(zhì)。而Ｒ407C與Ｒ22 的工作范圍和制熱量基本相當(dāng)，是Ｒ22 比較理想的替代工質(zhì)。但是，作為非共沸制冷劑，Ｒ407C在傳熱表面上的傳質(zhì)阻力會(huì)增加，從而可能造成蒸發(fā)、冷凝過(guò)程的換熱效率降低。

 

  以上研究推動(dòng)了空氣源熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的應(yīng)用，縱觀國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)、雙級(jí)壓縮系統(tǒng)或復(fù)疊式制冷系統(tǒng)是解決空氣源熱泵低溫適應(yīng)性的有效途徑，不過(guò)尚處于理論和實(shí)驗(yàn)研究階段。同時(shí)由于系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜及成本因素，目前尚未有真正意義上的補(bǔ)氣增焓熱泵、雙級(jí)壓縮式或復(fù)疊式泵產(chǎn)品。因此，如何進(jìn)一步提高空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性，利于產(chǎn)品的推廣應(yīng)用是亟待解決問(wèn)題。

 

  2 展望

 

  空氣源熱泵作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的裝置，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，熱泵熱水器的出現(xiàn)，更使空氣源熱泵有著巨大的市場(chǎng)潛力。此外，隨著技術(shù)進(jìn)步日新月異，空氣源熱泵的產(chǎn)品和功能也將趨向多樣化，對(duì)產(chǎn)品的可靠性也會(huì)提出更高要求。因此，提高空氣源熱泵低溫環(huán)境下的制熱能力和運(yùn)行可靠性，已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員非常重視的研究課題，作者對(duì)空氣源熱泵未來(lái)的發(fā)展做出一些展望。

 

  2. 1 新工質(zhì)替代問(wèn)題

 

  作為過(guò)度替代的制冷劑Ｒ22 會(huì)引起溫室效應(yīng)和破壞臭氧層，因此，尋找一種能夠替代Ｒ22，并且具有更高能效、更加環(huán)保，適應(yīng)于低溫環(huán)境的制冷劑顯得尤為迫切。另外，HCFCs 替代技術(shù)涉及到的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂是行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，應(yīng)該受到特別關(guān)注。我國(guó)與美國(guó)、歐洲等相關(guān)組織正在共同制訂CO2制冷壓縮機(jī)性能測(cè)試方法等標(biāo)準(zhǔn)，將推動(dòng)我國(guó)CO2制冷技術(shù)的發(fā)展。目前，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、合肥通用機(jī)械研究院等進(jìn)行新型制冷工質(zhì)及其系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。西安交通大學(xué)，上海交通大學(xué)，天津大學(xué)，North Dakota State University，United TechnologiesＲesearch Center ( USA) 等對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的研究工作。

 

  2. 2 相變材料與熱泵技術(shù)的結(jié)合

 

  蓄熱技術(shù)是提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境的重要技術(shù)，可用于解決熱能供給與需求失配的矛盾。華南理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)，University of Ulster( UK) 等在蓄熱型熱泵做了大量的研究工作，蓄熱型熱泵經(jīng)常處于滿負(fù)荷運(yùn)行，有利于系統(tǒng)高效能運(yùn)行，因此，將相變儲(chǔ)能技術(shù)與熱泵技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，可以有效地提高設(shè)備在低溫環(huán)境下的性能系數(shù)。

 

  2. 3 空氣源熱泵系統(tǒng)新型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)適合于低溫環(huán)境的熱泵循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)完善系統(tǒng)的仿真模型，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)空氣源熱泵機(jī)組在低溫環(huán)境下的工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，并與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，使系統(tǒng)制熱效率和穩(wěn)定性達(dá)到最佳狀態(tài)。上海交通大學(xué)，西安交通大學(xué)，北京工業(yè)大學(xué)，University of Vigo 等一直從事相關(guān)的研究工作。

 

  3 結(jié)論

 

  空氣源熱泵作為一種高效節(jié)能、綠色環(huán)保裝置，受到越來(lái)越多的關(guān)注，但在實(shí)際推廣使用的過(guò)程中，低溫環(huán)境下影響了系統(tǒng)可靠性和制熱性能，制約了空氣源熱泵的推廣應(yīng)用。通過(guò)從補(bǔ)氣增焓技術(shù)、雙級(jí)壓縮系統(tǒng)、復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵除霜技術(shù)、新型工質(zhì)替代方面對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)的研究進(jìn)行了總結(jié)，分析了低溫環(huán)境下系統(tǒng)所存在的弊端，并對(duì)其系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)做了簡(jiǎn)要剖析。指出上述系統(tǒng)對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)的低溫適應(yīng)性有一定的改善，但也存在一些不足之處。

 

  補(bǔ)氣增焓技術(shù)存在壓縮比較大和排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題。注油量、油平衡及油遷移、系統(tǒng)的控制策略、變頻壓縮低高壓級(jí)的合理輸氣量比、最佳中間壓力的變化等問(wèn)題也存在于雙級(jí)壓縮系統(tǒng)中。對(duì)復(fù)疊式系統(tǒng)而言，分析了復(fù)疊式制冷與復(fù)疊式熱泵存在的區(qū)別，對(duì)復(fù)疊式熱泵的應(yīng)用有待于進(jìn)一步深入研究。在延緩結(jié)霜和除霜方面，對(duì)新型除霜技術(shù)，即熱氣旁通除霜，蓄熱除霜，干燥除濕系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的總結(jié)。同時(shí)，對(duì)新型環(huán)保工質(zhì)如: CO2，Ｒ32，Ｒ410a 等的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比分析。

 

  此外，通過(guò)從新型工質(zhì)替代問(wèn)題，相變材料與熱泵系統(tǒng)的結(jié)合，新型熱泵系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)對(duì)今后的發(fā)展提出來(lái)展望。指出尋找高效、環(huán)保低溫制冷劑尤為迫切，相變材料與熱泵系統(tǒng)的結(jié)合有助于解決熱能供給與需求失配的矛盾，提高空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性。

 

  開(kāi)發(fā)適合低溫的熱泵循環(huán)系統(tǒng)，完善系統(tǒng)的仿真模型，能夠提高系統(tǒng)制熱效率和穩(wěn)定性。相信隨著對(duì)系統(tǒng)可靠性的深入研究，必將提高其運(yùn)行性能，減輕城市環(huán)境污染，為創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)我國(guó)“節(jié)能減排”目標(biāo)，以及建設(shè)科研創(chuàng)新型國(guó)家探索道路。