空氣源熱泵應(yīng)用于寒冷地區(qū)冬季制熱時(shí)，系統(tǒng)制熱量隨著室外溫度的降低而迅速下降。同時(shí)，隨著吸氣壓力的降低，壓縮機(jī)壓力比迅速升高，導(dǎo)致排氣溫度急劇上升。解決空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性，主要應(yīng)從以下幾方面著手研究：增加低溫工況下系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)量、控制機(jī)組排氣溫度、優(yōu)化機(jī)組壓縮機(jī)內(nèi)部的工作過程、選用適用于大工況范圍的制冷劑。針對空氣源熱泵在低溫環(huán)境出現(xiàn)的弊端，眾多學(xué)者對其進(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)氣增燴技術(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。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)對單級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)的低溫適應(yīng)性有了一定的提高，但仍然無法從根本上解決壓縮比大和排氣溫度高的問題，系統(tǒng)的可靠性也沒有得到本質(zhì)提高，對于補(bǔ)氣增燴技術(shù)有待于進(jìn)一步的研究。

　　1.2 雙級壓縮熱泵循環(huán)系統(tǒng)

　　雙級壓縮式熱泵循環(huán)系統(tǒng)通過中間壓力補(bǔ)氣方式來提高系統(tǒng)低溫下的性能，同時(shí)可以有效的降低排氣溫度過高，壓比過大等帶來的一系列可靠性問題。但對于雙級壓縮而言，仍存在許多急需解決的問題: 如注油量，油平衡及油遷移，系統(tǒng)的控制策略，變頻壓縮低高壓級的合理的輸氣量比，最佳中間壓力的變化等問題。

　　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)，對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。

　　1.4 空氣源熱泵的除霜技術(shù)

　　除霜可以有很多方法實(shí)現(xiàn)：停機(jī)除霜，電加熱除霜、熱氣旁通除霜、逆循環(huán)除霜等。其中，逆循環(huán)除霜是目前最常用的除霜方式。逆循環(huán)除霜是通過使用四通換向閥，使制冷劑流向改變，將制熱過程轉(zhuǎn)換為制冷過程。在除霜期間，壓縮機(jī)排出的過熱狀態(tài)制冷劑蒸汽被送進(jìn)室外盤管進(jìn)行融霜。當(dāng)融霜完成后，熱泵運(yùn)行再次逆轉(zhuǎn)，重新開始供熱。這種方法無需附加任何設(shè)備，只需在需要除霜時(shí)調(diào)節(jié)四通換向閥即可。

　　逆循環(huán)除霜是一個(gè)復(fù)雜的過程，只持續(xù)幾分鐘的瞬態(tài)循環(huán)可能會(huì)導(dǎo)致制冷劑溫度、金屬盤管溫度、空氣溫度和其他因素的變化。

　　逆循環(huán)融霜過程的能量主要來自于儲(chǔ)存在室內(nèi)金屬盤管的能量和對壓縮機(jī)輸入的功，但對于快速除霜是不足的。在此情況下，除霜能量供給不足，除霜時(shí)間延長，并由此帶來一系列的運(yùn)行問題。另一方而，除霜過程中，對室內(nèi)無熱量供給，導(dǎo)致室內(nèi)溫度降低，影響室內(nèi)人員的熱舒適。

盡管除霜過程本身可能會(huì)引出很多問題，如：

　　(1) 需要額外熱量來融霜而降低了熱泵的COP;

　　(2)除霜過程中熱泵機(jī)組會(huì)中斷供熱，降低了室內(nèi)舒適度;

　　(3)由于額外輔助加熱元件而增加了設(shè)備投資，降低了設(shè)備可靠性等。但除霜可使熱泵機(jī)組重新回到額定工況運(yùn)行，其利大于弊。因此，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對此進(jìn)行了深入研究。縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，人們對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，除霜過程的穩(wěn)定性與可靠性也遠(yuǎn)沒有解決。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題，成為今后研究的重點(diǎn)方向。

　　1.5 空氣源熱泵中新型工質(zhì)的替代

　　由于R22?具有對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。目前對空氣源熱泵研究的新型制冷工質(zhì)主要有CO2，R32，8407C 和R410A，8290 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。

　　吳華根等[4,5]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，8404 在膨脹過程中要損失更多的蒸發(fā)比燴以冷卻通過膨脹閥的液體，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8407 C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，8407 C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，縱觀國內(nèi)外學(xué)者的研究，采用補(bǔ)氣增燴技術(shù)、雙級壓縮系統(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，不過尚處于理論和實(shí)驗(yàn)研究階段。同時(shí)由于系統(tǒng)過于復(fù)雜及成本因素，目前尚未有真正意義上的補(bǔ)氣增燴熱泵、雙級壓縮式或復(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)，利于產(chǎn)品的推廣應(yīng)用是亟待解決問題。

　　1.6 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)，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，可以有效地提高設(shè)備在低溫環(huán)境下的性能系數(shù)。

　　2 空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能措施

　　2.1 選用高效率低能耗的壓縮機(jī)

　　由空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的分析可以看出: 壓縮機(jī)的損失占機(jī)組能耗的20.5%，這是區(qū)為壓縮機(jī)進(jìn)行的是不可逆絕熱壓縮過程，由于不可逆引起了損失，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化為。由此在該系統(tǒng)中壓縮機(jī)節(jié)能尤為重要。這就要求在設(shè)計(jì)空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)選擇熱效率高的壓縮機(jī)，如螺桿式壓縮機(jī)或渦旋式壓縮機(jī)等。升壓比較大時(shí)還應(yīng)采用雙級壓縮，減少損。雙級壓縮過程分兩個(gè)階段進(jìn)行，來自蒸發(fā)器的氣態(tài)工質(zhì)先在低級壓縮機(jī)中壓縮，當(dāng)被壓縮到中間冷卻器的中間壓力時(shí)，便進(jìn)入中間冷卻器冷卻，然后再進(jìn)入高級壓縮機(jī)壓縮到冷凝壓力，雙級壓縮由于采取了中間冷卻，高壓級的排氣溫度不致過高，進(jìn)而減小了壓縮機(jī)的損失[9]。

　　2.2 選用換熱效率高的冷凝器

　　冷凝器的損失接近總能耗的30%，這主要是由于制冷劑與空氣之間的溫差較大造成的，所以應(yīng)當(dāng)減小傳熱溫差。從傳熱過程可知，對于一定的熱負(fù)荷而言，要減小傳熱溫差，必須增大傳熱面積和傳熱系數(shù)，而傳熱面積的增大受到冷凝器體積和質(zhì)量的限制，所以只能增大傳熱系數(shù)。增大傳熱系數(shù)可采取如下措施：

　　(1)提高管內(nèi)水流速;

　　(2)采用高翅化系數(shù)的螺紋管;

　　(3)減小水垢和油垢熱阻，或者采用新型的板式熱交換器，以提高其傳熱系數(shù)和傳熱效率，使其體積和質(zhì)量大大減小。

　　2.3 對節(jié)流閥前液體采取過冷措施

　　由于對節(jié)流閥前液體采取過冷措施，所以節(jié)流閥損失所占比例不到10%。節(jié)流閥中制冷劑進(jìn)行的是不可逆絕熱節(jié)流過程，采取過冷措施后，既可以減少節(jié)流損失，又可提高熱效率。

　　2.4 減小蒸發(fā)器換熱損失

　　蒸發(fā)器的損失相對來講較小(10.32%)，主要是載冷劑的冷量得以利用。蒸發(fā)器的損失也是制冷機(jī)劑與冷凍水之間的溫差傳熱引起的。減小這部分損失也是盡量減小制冷機(jī)劑與冷凍水之間的傳熱溫差，提高其傳熱系數(shù)，或者采取新型板式換熱器。

　　2.5 其他方面的措施

　　除了上述的措施外，熱泵機(jī)組所處環(huán)境的通風(fēng)情況也是熱泵機(jī)組能否高效運(yùn)行，甚至是能否正常運(yùn)行的重要的條件。通風(fēng)良好的標(biāo)準(zhǔn)是：進(jìn)入熱泵的空氣為環(huán)境空氣，而熱泵排出的氣流又能及時(shí)排走、排遠(yuǎn)，熱泵機(jī)組排氣與吸氣不短路。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)應(yīng)努力確保熱泵與女兒墻的距離，或女兒墻上開足夠面積的進(jìn)風(fēng)口;其次熱泵與熱泵間也應(yīng)有一定的距離，一般在3m 以上。為了美觀及布置方便，熱泵機(jī)組大多對齊并列布置，為改善通風(fēng)，熱泵機(jī)組可錯(cuò)列。

　　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，受到越來越多的關(guān)注，但在實(shí)際推廣使用的過程中，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[10]。通過從補(bǔ)氣增焓技術(shù)、雙級壓縮系統(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)替代方面對國內(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，并對其系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)做了簡要剖析。指出上述系統(tǒng)對空氣源熱泵系統(tǒng)的低溫適應(yīng)性有一定的改善，但也存在一些不足之處。本文總結(jié)了空氣源熱泵除霜過程是實(shí)驗(yàn)與理論研究進(jìn)展，著重介紹了延緩除霜手段和改進(jìn)空氣源熱泵除霜過程方法的研究現(xiàn)狀[11]。從目前的研究進(jìn)展可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

　　(1)對于除霜的研究很多，空氣源熱泵除霜系統(tǒng)運(yùn)行特性研究與模擬方而已取得了很大成就。但融霜過程中，室外換熱器傳熱傳質(zhì)過程非常復(fù)雜，現(xiàn)有的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型較為簡化，還很不完善。因此，建立全而完整的室外換熱器的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型是今后研究的一個(gè)方向。

　　(2)融霜過程中能量分配的研究。目前已有一些關(guān)于能量分配的研究，但多是在特定實(shí)驗(yàn)條件下得到的，沒有廣泛適用性。將來可以在融霜能量分配上進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)和理論研究，提高除霜過程中的除霜效率。

　　(3)延緩結(jié)霜。現(xiàn)有文獻(xiàn)從室外環(huán)境、機(jī)組本身特性來研究防比和延緩結(jié)霜的可能性。但由于受到應(yīng)用條件、效率、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方而的制約，有待于進(jìn)一步的研究。

　　(4)改進(jìn)空氣源熱泵除霜方式。盡管研究人員提出了多種改善空氣源熱泵系統(tǒng)除霜方式，但多數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，因此，需要繼續(xù)探尋滿足經(jīng)濟(jì)性、有效性、實(shí)用性的除霜方式。同時(shí)，這些方法也為改善除霜方式提供了一些新思路。此外，通過從新型工質(zhì)替代問題，相變材料與熱泵系統(tǒng)的結(jié)合，新型熱泵系統(tǒng)的開發(fā)對今后的發(fā)展提出來展望。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。進(jìn)行了能量分析支出了壓縮機(jī)和冷凝器損失最大。因此，應(yīng)該選用高效率的壓縮機(jī)，應(yīng)采用強(qiáng)化傳熱措施，提高傳熱系數(shù)，減小傳熱溫差來減小冷凝器損失。同時(shí)還應(yīng)注意改善熱泵機(jī)組的周圍環(huán)境。相信隨著對低溫空氣源熱泵可靠性的深入研究，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“節(jié)能減排”目標(biāo)，以及建設(shè)科研創(chuàng)新型國家探索道路。