热泵除霜技术发展研究现状论文

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

近年来，基于空气源热泵具有环保节能等一系列优点，空气源热泵受到了人们广泛的重视，发展迅速，但这个还远远不如传统空调的知名度与普及度。制约空气源热泵的发展因素有很多，其中一个就是空气源热泵换热器结霜、除霜问题导致机组运行不稳定和可靠性差。空气源热泵在-5℃~5℃之间，相对湿度在70%以上的气象条件（低温高湿状态）下运行时其室外换热器表面是最易结霜的。室外换热器结霜后，霜层不断增厚，导致热阻增大，空气流动阻力也随之增大，使供热能力和机组的COP下降，运行费用增大，制热效果大大打折。空气源热泵室外换热器结霜与除霜牵涉到机组能效及稳定运行等关键要点，当机组结霜无法单靠人为进行干扰时，除霜（化霜）技术就显得尤为重要了，能够有效的延缓空气源热泵结霜和高效快速的实现室外换热器除霜减小因结霜和除霜过程对热泵机组和室内环境造成的不利影响，是关系到空气源热泵能否高效。

随着国家政策的扶持力度加大，北方地区能源结构变革，“煤改电”大势所趋，空气能热泵在北方的广泛应用，同时也带来了很多关键技术的革新。今天就带大家看一看低温空气能热泵系统的一些关键技术及发展趋势。

热泵机组由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀四大主要部件构成封闭系统，其内充注有适量的工质。机组运行基本原理依据是逆卡诺循环原理:液态工质首先在蒸发器内吸收空气中的热量而蒸发形成蒸汽(汽化)，汽化潜热即为所回收热量，而后经压缩机压缩成高温高压气体，进入冷凝器内冷凝成液态(液化)把吸收的热量发给需要的加热的水箱中，液态工质经膨胀阀降压膨胀后重新回到膨胀阀内，吸收热量蒸发而完成一个循环，如此往复，不断吸收低温源的热而输出所加热的水箱或地暖盘管中，直接达到预定温度。相比于普通热泵在-10℃及更低温度下，由于蒸发温度过低，引起蒸发量较少，导致压缩机回气量少，从而影响冷凝放热。超低温热泵增加了一条联通压缩机的补气增焓支路，当压缩机回气不够时，补气增焓支路会给压缩机补气，这样冷凝器的放热量就会提高，因此在极低的温度下仍能正常制热。

低温空气源热泵系统特点

低温热泵是以空气作为高品位(低品位)热源来进行供热的装置。以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。结合空气源热泵安装灵活、使用方便、初投资相对较低 ，且比较适用于分户安装的特点 ,目前我国北方地区的采暖大多使用高能耗的锅炉系统，锅炉能效低，排放物多，对环境造成了极大的浪费，超低温泳池热泵的横空出世，给北方地区的供暖提供了一种更好的选择，也使为子孙后代留下更多的蓝天白云成为了一种可能。

我国研究低温空气源热泵的时间较晚，但是有些企业的研发投入已经很大，使领域内同行也不断加快步伐，技术发展迅猛，从这两年北方空气能热泵应用的情况来看，低温热泵的应用完全适用我国北方气候。

1、系统环境设计温度是-25℃，称为低温环境。

2、实际应用中多种末端混合使用的情况很普遍

为满足人们不同的取暖、生活热水需求，热泵末端温度设计可以可以参考如下：

日常生活用水+50℃

房间暖气片+50/+60℃

空调风机盘管+40/50℃

盘管地暖+35/45℃

3、能效比

在COP＞的情况下，系统蒸发温度一般可低至-30℃，冷凝温度可高达65℃；如果制冷剂是R22，最大压差为25bar，如果制冷剂是R410A，最大压差是40bar，根据国际蒙特利尔议定书规定R22将被R410A等一些环保制冷剂取代。

低温空气源热泵技术

在这里，我们介绍下喷液冷却和补气增焓。

喷液冷却的工作范围更宽，回路简单，加额外电磁阀（1x额外的电子膨胀阀(压缩机)）、温度传感器、可能压力传感器，需曲轴箱加热。

补气增焓工作范围也较宽，但是回路复杂，加额外电磁阀（1x额外经济器膨胀阀）、额外经济器膨胀阀、额外板式换热器、额外温度传感器，制热能力提升。

可以预测，未来趋势是将以上的设计结合变频控制，变频机组运行高频时在相同匹数的前提下能增加40%以上的制热量。

化霜技术

1、逆回路和热气旁通

对于化霜技术我们来讲一下逆回路和热气旁通。

逆回路的优势是：化霜快速而且化霜完全，但是却可能从水箱带走热量，导致房间温度下降，逆回路在商用系统中比较受欢迎；

热气旁通的优势是：回路简单，可以稳定的房间温度，但是化霜慢且不完全，对压缩机有液击风险，需要较大的气液分离器。热气旁通通常使用一个换向阀，在小系统中被接受。

2、逆回路换向阀需要解决的问题

换向阀需要最小的压差来保证换向。在排气到吸气管旁通会窜气降低压差，从而导致滑块停留在中间位置，造成低质量流量工况、低频模式、低蒸发温度，因此需要限制窜气(中间流量)来保证足够的压差，用恰当的设计来实现较小的中间流量。

3、变频热泵系统

在这里再介绍一下变频热泵系统。变频热泵系统高频运行，运行过程中伴随着高质量流量和高压差；如果用过小中间流量换向阀，则四通阀有液击风险；因此建议选用中间流量较大的换向阀，不推荐换向阀在低频率模式下动作。

4、较高排气温度

空气源热泵换向阀中有一个薄弱部件——滑块。

滑块有两种选择：

选择1：尼龙

选择2：PTFE组合+尼龙

其温度极限一般< 120℃，尤其在R410A系统中，如果高压+高温，其极有可能产生形变，因此不推荐长期使用。建议的方案是：PPS+碳纤%PPS，它的温度极限是< 135℃，可以长期使用。

5、化霜优化建议

空气能热泵设备的结冰过程是这样的：

因此化霜我们可以从以下几方面来进行考虑：

开始/停止化霜的时机选择

使用蓄热器来避免房间温度下降

改进蒸发器的排水性能

膨胀装置

1、两种膨胀装置

空气源热泵系统中的膨胀装置有两种：热力膨胀阀和电子膨胀阀。

热力膨胀阀的特点：

市场存在双向的热力膨胀阀

冬季和夏季不同的性能（静态过热度需要微调）

电子膨胀阀特点：

真正的双向功能

所有季节相同的性能

更精确的控制

至少高出5倍的使用寿命

快速反应（在化霜期间全开）

成本优势，归功于更大的生产规模（含空调需求），几乎不增加控制的成本

2、电子膨胀阀&控制器的工作原理

其实就是一个复位过程：

一旦机组重启，电子膨胀阀将关闭至初始位置

为了确保电子膨胀阀完全关闭，一定的负脉冲是必要的

由于通过电子膨胀阀质量流量较低，阀将会润滑不足

传统的电子膨胀阀内部使用金属部件失步和卡死风险高

3、可能的电子膨胀阀解决方案

无接触设计(闭阀有流量)

改变控制模式：先全开500步，然后再关闭阀560步（最多只有60个负脉冲）

自润滑：使用PPS螺母

空气源热泵换热器

目前行业的痛点：目前的板式换热器生产多采用真空炉钎焊，效率低，板式换热器供应短缺；另外过去铝板换承压都较低，铜管与铅板的接口部位容易电位腐蚀。

蒸发器的换热性能和冷却液压降随冷却液流量变化的关系：

空气源热泵因具有获取能源方便、性能稳定、安装使用便捷等诸多优点而得到广泛使用，如家用空调和热泵热水器等。空气源热泵系统冬季运行时，受环境空气温湿度的影响，室外换热器表面会结霜，不断积聚的霜层会阻碍盘管间的空气流动，削弱换热性能，进而导致系统性能系数( COP) 和制热量减小。那么，该如何解决空气源热泵的结霜、化霜问题？

空气源热泵系统结霜问题

为保障空气源热泵系统的冬季运行效率，尤其房间空调器的舒适性与稳定性，需要采用适当的方法抑制换热器表面结霜，或进行周期性除霜。空气源热泵系统室外换热器表面结霜需同时满足两个条件:

1) 换热器表面温度低于0 ℃;

2) 换热器表面温度低于环境空气的露点温度。室外换热器表面温度取决于环境温度影响下的制冷剂蒸发温度，而空气的露点温度则受相对湿度的影响，所以空气温、湿度成为热泵系统室外换热器表面结霜与否的主要判断依据。

研究表明:

空气温度为－5 ～ 5 ℃，相对湿度＞70%的气候条件下，室外换热器表面最易结霜;

当空气温度＜－5 ℃时，即使相对湿度很高，空气中的含湿量也仅为2～ 3 g/( kg 干空气) ，不会导致严重结霜。

也有研究指出:

可能结霜的气象参数范围为－ ℃≤环境温度≤5. 8 ℃，相对湿度≥67%，空气温度＞5. 8℃时，可不考虑结霜对热泵的影响;

空气温度＜5. 8℃，但相对湿度＜67%时，由于空气露点温度＜室外换热器表面温度，不会发生结霜; 当湿球温度＜－ ℃时，由于空气含湿量过小，也不会发生结霜现象。

当结霜条件得到满足，会经过: 冷凝水滴、冰层、霜晶、霜枝、霜层的结霜过程，随着热泵系统的运行，霜层厚度也随之增长。

为解决室外机结霜问题，常用的除霜方法有：1）逆循环除霜法，2）热气旁通除霜法，3）加热除霜法，4）相变蓄能除霜法。

空气源热泵除霜方法

1、逆循环除霜法

逆循环除霜法也叫换向除霜法，是目前国内家用空调在系统上普遍采用的一种除霜方式，其基本原理是通过四通换向阀换向，从室内机吸热，把热量输送到室外机融霜。

主要实现方式为：空调器制热运行→判断需要除霜→压缩机停→四通阀换向→压缩机开→除霜完成→压缩机停→四通阀换向→压缩机开→正常制热。

这种除霜方式不增加空调器成本，实现起来最简单，所以得到广泛应用。换向除霜法主要存在下列缺点：1）除霜时房间的舒适性差，2）除霜时间长，3）系统运行可靠性差。

2、热气旁通除霜法

热气旁通除霜法也叫显热除霜法，是一种比较普遍的除霜方式，通过从压缩机排气口引出一支旁通回路将压缩机排气引到室外换热器内实现除霜。

热气旁通除霜的实现方式为：空调器制热运行→判断需要除霜→室内风机超低速运转→二通阀1、2开→电子膨胀阀开大→除霜完成→正常制热。

热气旁通除霜可以克服逆向循环除霜的部分缺点：由于在进行热气旁通除霜时，仍有一部分排气通入室内机，室内换热器的温度保持在较高水平，可以通过自然对流的方式向室内散热。有时甚至可以在除霜时开启内风机，实现在除霜的同时向室内供热，对于室内舒适性具有较大的贡献。另外，由于除霜时四通阀不换向，压缩机不停机，室内换热器在除霜时保持较高温度，除霜完成后室内可以立即送热风。

但是这种除霜方式应用于家用空调器仍然具有下列问题：1）除霜时间长，2）除霜时压缩机高负荷运行，3）压缩机可靠性运行问题。

3、加热除霜法

加热除霜法是将热气旁通除霜与冷媒直接加热技术相结合，基本解决了逆循环除霜和热气旁通除霜无法克服的问题。

加热除霜的实现方式为：空调器制热运行→判断需要除霜→室内风机超低速运转、二通阀开、加热器开→电子膨胀阀开大→除霜完成→正常制热。

加热除霜方式最关键的技术就是在压缩机吸气端增加了一个加热器。化霜时，四通阀不换向，压缩机不停机，室内可以实现持续供热。加热除霜方式具有如下优点：1）除霜时房间的舒适性好，2）化霜时间短，3）压缩机运行可靠。

加热除霜方式克服了逆循环除霜和热气旁通除霜方式的一系列缺陷，但是也带来了一些新的问题：1）耗电量高，2）成本较高。

4、相变蓄能除霜法

相变蓄能除霜法是在热气旁通除霜方式的基础上增加一个相变蓄热器作为空气源热泵除霜时的低位热源，采用供热时相变材料蓄热，除霜时相变材料释热除霜的方式。

相变蓄能除霜（串联蓄热模式）的实现方式：空调器制热运行、相变蓄热器串联蓄热→判断需要除霜→室内风机超低速运转→相变蓄热器释热除霜→除霜完成→正常制热。

采用相变蓄能除霜方式化霜时，四通阀不换向，压缩机无需停机，并且室内仍然可以持续供热。由于增加了相变蓄热器作为低位热源，克服了传统热气旁通除霜法的诸多缺点，具有除霜是房间舒适性好、化霜时间短、压缩机运行可靠等优点，且节能效果明显优于加热除霜法。

5、其他除霜法

（1）室外换热器表面处理

此外，对空气源热泵室外侧换热器表面进行处理也可以抑制霜层生长的作用，例如，对室外换热器表面添加疏水层，可以促进水滴从室外机壁面脱落，减缓霜层的生长速度。有休斯顿大学的科学家研发了一种称为磁性光滑表面（MAGSS）的材料，当冰晶接触到磁流体中时，磁流体会形成一层屏障，致使冰晶无法附着在物体表面，或许也可为空调室外机除霜开辟新思路。

（2）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。

空气源热泵系统除霜实际操作方法

1、开机前后，先检查

开机前

1.检查各项电压是否平衡

2.检查机组电压和电气系统接线是否牢固

3.检查机组安全保护装置有无拆装或调整

4.检查氟系统有无泄漏

5.检查主机出风口有无堵塞或通风不畅

6.检查蒸发器是否需要清洗

7.检查主机运行及安全保护设定参数是否有改动

开机后

1.检查主机各部件工作是否正常

2.检查主机系统工作压力是否正常

3.检查主机运转时是否有异常响声和振动

4.检查压缩机是否有不正常噪音和震动

5.检查及记录相关运行数据

6.检查主机控制器是否可正常操作

7.主机启动后，仔细观察压缩机电流是否正常

8.检查主机出水温度与显示数值是否一致

9.开机时先预热

10.试运行过程中勿手动开、停机

2.降温前巡检工地，注意清洗机器

不应该是客户出现问题才上门维修，而是把服务赶在问题发生前。在冬天来临之际，或在平常日子，主动清洗和检查机组，洗重要部件，检查机组线路等，确保机组平时不会出现故障，以保证能顺利过冬。

3.加强管道的保温效果

管道保暖对工程质量来说，非常重要，很多经销商都意识到管道保暖的重要性。因此，应尽早为管路穿上“衣服”。

4.保持热泵和系统通电

空气源热泵制热是以水作为中间介质进行热量的传递，如果天气温度比较低，一旦我们出门时给空气能热泵断了电，那么有可能导致管路内的大量水流温度急剧下降，温度过低的话，就有可能冻坏设备，导致设备出现故障。空气源热泵设备都具有防冻功能，在水温低至一定温度时，设备会自动启动，防止设备及管路结冰。

5.不用时应及时放水排空

若空气源热泵在冬季不运行或需要长时间停机，比如长期外出机组不经常使用时，应当将机组、水泵、室外管路内的水全部排空，以防机组冻坏，并切断电源。然后再运行时要对空气源热泵系统进行一次全面的检查，确保没有出现故障。

6.冷凝水应妥善处理

空气源热泵在供暖时有着大量的冷热变化，因此在供热的过程中，无疑会有大量的冷凝水排放。

大家都知道水往低处流的道理，如果在冷凝水的排放上略有疏忽，那么冷凝水通过管道往外排，会流到地面上，气温低于零度的话，冷凝水容易结成冰，有可能将排水管冻住，进而沿着排水管往上攀升，最后导致设备无法正常运行。

而且对“煤改电”的农村用户来说，由于主机都安装在路边或院内，冷凝水无序排放的话，很可能造成路面光滑，进而导致人行走之时摔倒摔伤，导致不必要的经济损失。所以冷凝水的管道位置一定要合理地的设计，自己也要不定期清理冷凝水。

7.热泵周围杂物和积雪及时清理

如果热泵安装位置通风不好，将会影响热泵的制热效果，因此要多清理，还要注意的是主机风扇吹出来的是冷风，如果前面有杂物阻挡，会影响到冷风的排散，这样就会导致空气中热量不足，影响到制热效果。如果雪过大的话，积雪要及时清除。

8.如果主机结霜，需要彻底化霜

冬天主机必须彻底化霜，如果霜未完全化完就启动主机，会使主机结冰，而且会越结越多，进入恶性循环，导致主机无法正常工作。机组结霜，无非有正常和非正常两种状态。

实际化霜过程记录

正常结霜，当冬季室外温度低于0℃时，制热运行时间长，室外机组整个换热器表面均匀结霜，这是正常的现象。原因是：换热器温度低于环境空气的露点瘟度时，整个换热器上散热片表面会产生凝露水，当环境空气温度于0℃，凝露水就会凝结成薄霜。当然结霜严重时会影响机器制热效果。一般热泵产品都有自动化霜功能，确保机组正常运行。

非正常结霜，这是导致空气能运行故障的主要原因，这也是所有经销商必须高度注意的地方。判断步骤及排除方法如下：

首先检查设置是否正确，化霜启动时间、启动温度、化霜时间、化霜结束温度等设置是否合理。一般情况下，化霜出厂设置启动温度是2～4℃，化霜间隔时间为30～45分钟，化霜结束温度一般为10℃左右。先检查这些设置是否合理，然后再进行下一步的判断。

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。

现在的空气源带基本上带有自动除霜功能