小型空气源热泵在住宅供暖中的应用研究

一、引言

空气源热泵机组适用于我国大部分地区的气候条件，因此在我国暖通空调领域中应用十分广泛。空气源热泵是一种将空气作为低位热源，从空气中获取热量，使热量从低位热源流向高位热源的能量利用装置，以实现制冷或供暖。通过消耗少量的电能，使空气中不能直接利用的低品位热能得到转换，具有节能环保、安全可靠等优势，近年来被广泛应用于住宅、商业、工业等多个领域。

随着对清洁能源的需求不断增加，小型空气源热泵在住宅供暖市场逐渐受到更多关注。热泵热风机或户用空气源热泵机组统称为小型空气源热泵。相较于大型空气源热泵，小型空气源热泵安装灵活性更高、成本投入更低、运行更节能灵活，更加适用于住宅领域。随着住宅能源消费升级与舒适性需求的提升，城镇化进程加快，各家庭对于供暖和制冷的要求从“基本满足舒适需求”向“既舒适又智能低碳”的方向转变。

传统空调在冬季制热时效率较低，能耗较高，而小型空气源热泵在 -10^∘C 以上仍能保持较高能效；同时随着低温热泵技术的迭代升级与相关政策补贴普及，加速了小型热泵在住宅中的推广。但由于小型住宅用空气源热泵系统性能实验数据等还较为匮乏，因此研究小型空气源热泵在住宅供暖中的应用是十分必要的。

二、小型空气源热泵工作原理与性能特点

（一）工作原理

小型空气源热泵机组主要用于家用或轻商场合，其以空气为热源，通过消耗少量电能，从空气中吸收热量向需要供暖的场合提供。其四大基本部件包括由铜管连接而成的室内换热器和室外换热器、压缩机、节流装置，而制冷剂充注在其中。供暖时，室外换热器吸收室外空气中的低温热量，使制冷剂蒸发为低温低压蒸汽，经压缩机压缩后成为高温高压蒸汽进入室内换热器，通过室内换热器将热量释放给循环水或空气，即向室内放热，从而为室内供暖；放热后制冷剂被冷凝为高压液体流入节流装置降压，变为低温低压状态，再次进入室外换热器，完成一个循环。因制冷剂温度相较于室外空气温度更低，所以能够吸收室外空气中的低品位热能，使液态制冷剂转换为低温低压气态，其核心原理基于逆卡诺循环，因此节能效率较高。

（二）性能特点

小型空气源热泵机组在实际安装中，具有安装方便、操作简单、占建筑有效面积小等优势。相较于常规空气源热泵机组，其室外换热器体积尺寸减小，可灵活安装于阳台、屋顶或外墙支架上；部分机型可将压缩机、室内外换热器集成于单一箱体内，一定程度上降低了管道安装的复杂性，减少了空间占用，因此适用于家庭住宅、小型商铺、办公室等场所。

因小型空气源热泵机组基于高效的逆卡诺循环，四大基本部件协同工作，其 COP 通常远高于常规电加热设备；随着低温适应性技术改进，部分现代机组采用变频技术或喷气增焓技术，使机组在低温下仍能保持较高 COP 运行，一定程度上减少了能效衰减。变频技术是通过调节压缩机转速匹配实际的负荷需求来避免频繁启停所造成能量浪费的一种技术方法，部分负荷运行时，比常规定频机组节能。

空气源热泵机组获取热源容易，可直接利用环境热能。其大多数能量来自空气中的免费热能，仅需消耗少量电能驱动压缩机；可利用可再生能源互补，如搭配光伏发电系统，能够实现进一步降低电网用电量，满足低碳目标；空气源热泵将周围空气中的热量转移至水中，具有绿色环保的特点。

三、不同气候区域适用性分析

（一）严寒地区

对于严寒地区小型空气源热泵机组的使用，因采暖季节室外温度极低，通常需要添加辅助加热设备，辅助加热设备工作时会大幅降低热泵的实际能效，因此在严寒地区使用小型空气源热泵机组应考虑其在低温环境下热量的输出表现，加入在低温环境中热量输出的评判标准，如给出各温度的发生时间，以作为该热泵的季节制热性能系数的一种评价方法。在室内温度恒定的情况下，室外温度越低，其热负荷越大，需要添加的辅助加热设备可采用以可再生能源为热源的辅助加热设备，例如生物质锅炉。小型空气源热泵与生物质锅炉耦合，显著提升了经济效益和环境效益，可在严寒地区进行推广使用。

（二）寒冷地区

寒冷地区虽不比严寒地区，但在最冷的三个月中，人们也需要大量热量。所以针对寒冷地区冬季温度较低的情况，需要研究低温空气源热泵系统。该系统是结合双级压缩和变频技术提出的，具有运行稳定、在零下十八摄氏度以上满足室内取暖需求的优势。近年来，对于提高小型空气源热泵机组在寒冷地区的低温适用性研究受到极大关注。针对目前的研究工作，提高小型空气源热泵低温适用性的主要措施有：室外换热器采用变速风机、用非共沸制冷剂替代传统制冷剂、压缩机采用变频技术、采用双级压缩或复叠系统等。

部分寒冷地区冬季雾霾问题严重，因此为响应国家可持续发展的号召，小型空气源热泵在满足人们取暖需要的同时，也应加强设备设施的科学化管理，降低对环境的破坏。

（三）夏热冬冷地区

小型空气源热泵机组在我国夏热冬冷地区住宅应用广泛。夏热冬冷地区冬季温度一般不会低于零下五度，人们需要的热量相对不大，因此热泵供暖效果良好且机组运行稳定，仅消耗较少的能源和较低的费用便可满足取暖需求。且该建筑分区约占我国陆地总面积 1/5，包含人口数量达全国人口 1/3 以上，所以研究小型空气源热泵机组在该区域的适用性，具有一定的经济性和工程实践性。

除了冬季供暖，小型空气源热泵机组针对该建筑分区夏季制冷也表现出显著优势，主要体现在具有高效节能、运行成本相较于传统空调更低的等优势，同时还兼顾环保性。在“煤改电”政策推广后，该区域也享受着电价补贴等红利。

四、现存问题与优化建议

小型空气源热泵在室外高湿低温环境运行时，室外换热器会结霜。结霜会导致热泵供热性能下降，若不能及时除霜或发生重度结霜现象，将严重影响热泵的运行。因此除霜是保证空气源热泵正常运行的关键问题。在除霜运行实践中，对除霜时的能量来源进行分析有利于解决除霜不干净以及室内换热器吹冷风的问题。对于复叠式空气源热泵，若增设蓄热器，采用蓄能除霜方法，可比常规采用旁通除霜的复叠式空气源热泵能耗更低、除霜运行时更稳定可靠。若搭配智能控制系统，采用智能判断除霜，可极大降低不必要的除霜能耗。

目前许多农户里安装的小型空气源热泵多为定频率运行。定频率运行会浪费电能或出现房间过冷问题，将无法达到节能目的和满足舒适度的要求。针对定频率运行出现的弊端，若改用变频调节，实现电机和压缩机转速的自动调节，将不会发生停机情况，这样既提高运行效率又节省电费。变频热泵也兼顾着温度适用性强的特点，使温度控制更精准，提高室内人员的舒适度。

小型空气源热泵机组还可从换热器、低能耗部件、冷媒等方面进行优化。如采用更高效的换热器，提升空气与制冷剂的换热效率；选用电子膨胀阀等低功耗部件，降低辅助设备的耗电；选用更环保的制冷剂，提升系统能效。

五、结论

本文聚焦小型空气源热泵在住宅供暖中的应用，先介绍其工作原理，即利用逆卡诺循环从空气中吸热供暖，具有安装灵活、节能等性能特点。接着分析不同气候区适用性，严寒地区需辅助加热，寒冷地区需提升低温适应性，夏热冬冷地区应用广泛。最后指出结霜、定频运行等现存问题，并给出优化建议，如蓄能除霜、变频调节等。

参考文献：

[1] 杨欧翔 , 苗朋柯 . 小型空气源热泵在寒冷地区应用的标准研究 [J]. 建筑热能通风空调 ,2018,37(1):64-67.

[2] 封家平 , 许涛 , 杨飞 , 等 . 空气源热泵在我国暖通空调中的应用与发展 [J]. 建筑热能通风空调 ,2005,24(5):20-23.

[3] 鲁祥友 , 凌帆 , 唐景春 , 等 . 小型复叠式空气源热泵采暖系统性能影响因素的实验研究 [J]. 制冷技术 ,2019,48(4):47-51.

[4] 凌帆 . 夏热冬冷地区小型复叠式 R404A 空气源热泵采暖性能影响因素的实验研究 [D]. 安徽建筑大学 ,2020.

[5] 低环境温度空气源热泵 ( 冷水 ) 机组第 1 部分 : 工业或商业用及类似用途的热泵 ( 冷水 ) 机组 :GB/T 25127.1—2010[S]. 北京 : 中国标准出版社 ,2010.

[6] 秦冰月 , 韩志涛 , 徐萌 , 等 . 小型分体式空气源热泵除霜能耗来源分析与计算 [J]. 山西建筑 ,2014,40(23):169-170.

作者：张尹宣 性别：女 民族：汉 籍贯：四川成都 出生年月：2004 年2 月 学历：本科 职称：学生 研究方向：能源与环境