在暖通工程中低温空气源热泵的应用探究

引言

伴随全球范围内的建筑能耗上升趋势和对环境问题的关注，如何降低建筑物能耗成为人们普遍关注的问题之一，而作为建筑能耗中占比较大的暖通空调系统的节能改造也备受重视。低温空气源热泵是一种新型高效的节能环保型供暖/供冷设备，在近几年来越来越被广泛的应用于实际工程当中。其通过吸收空气中的低温热能，经压缩提升温度后为用户提供冷暖服务，具有适应性强、运行稳定等特点。本文以某大型商业综合体项目为例，详细分析了低温空气源热泵的实际应用效果，并探讨了其在推广过程中面临的技术与经济挑战，旨在为相关领域的研究与实践提供参考。

1、低温空气源热泵的工作原理与技术特点

1.1 工作原理

低温低压的制冷剂蒸气从室外空气中吸取热量后，在蒸发器内沸腾变为低温低压的气体；该气体被吸入压缩机中，经过绝热压缩使其压力升高到高温高压状态。然后进入冷凝器将其中所含的大量热量传给供热回路中的热水，从而使热水得到加热，并达到所需供水温度，而制冷剂因放出大量的热量而在冷凝器中液化成高温高压的液体；最后通过节流装置如毛细管或电子膨胀阀等将其节流减压至低温低压的状态并送入蒸发器重复上述工作过程。在制冷过程中，制冷剂的流向正好相反[1]。制冷剂在不同的工质以及相同的工况条件下具有不同的物理性质及特性曲线，如临界温度 Tc、比容 v0、汽化潜热 L 等值，这些参数直接影响着整个循环的性能指标。

1.2 技术特点

1.2.1 高效节能

采用先进的压缩机技术和高效的换热系统，即使是在严寒的冬季也能保持较高的性能系数(COP)值；另外一部分配备了喷气增焓技术的产品能够在 .25^∘ °C 以下运行时保证机组正常工作且其 C.O.P 值可以高达 2.0 以上，与传统的电加热器产品相比具有明显的节能优势。比如某款常用的电加热型热水炉(标称功率为 7kW)，当要满足相同供热负荷要求的时候需要耗电量约为 6\~9 度/h，则此时使用一台同规格的低温空气源热泵热水器所耗电量只需大约 2\~3 度/h 左右就能完成同样的供热量，也就是说相当于用电加热型热水炉的 1/3 到 1/4。这是因为电加热设备是将电能直接转化为热能，能量转化效率最高只能达到 100% ，而低温空气源热泵是通过搬运空气中的热量来实现制热，消耗少量电能即可获得数倍于电能的热量。

1.2.2 环保无污染

由于其工作介质为空气，不需要进行任何物质和能量的转换，因此整个系统没有中间环节，且本身也不需要燃烧各种能源来获取热量，因而不会造成有害气体及固体废弃物的排出。因此，运行完全符合可持续发展的理念，并能有效降低碳排量。相对于燃煤锅炉来说，当消耗 1 吨标准煤时，对应的燃煤锅炉会排放出大约 2.6tCO_z 、 8-10kgSO₂ 、 4～5kgNOX 等大量污染性气体，而在运行中则几乎没有这类污染物的排放，这对提高空气质量具有积极意义[2]。

1.2.3 适应性强

合理地设计和改进压缩机组、选择高效的换热设备并采取合理的除霜方法可以有效地改善其工作状况以满足不同的应用场合要求；如针对北方严酷的冬季使用工况，开发出适合于北方使用的高温型及超低温型产品。目前已有部分厂家研制出了用于北方地区的低温(含超低温)型热泵产品，一般都对压缩机进行相应的结构改造或改变气缸容积来提高压缩比，并且有的还专门配备了除霜装置。

1.2.4 运行稳定可靠

具有先进的控制装置以及多级安全保护功能；主要元器件质量可靠，寿命长且不易发生故障，维修费用少。该系统中所使用的压缩机组、换热器、油水分离器及冷却塔等重要组件均选用国外著名品牌的优质产品，并经严格的出厂检验和性能试验合格后方可进入现场安装使用，在保证其正常运转的同时也提高了系统的安全性。同时，通过计算机的智能控制系统可以对整个制冷循环进行连续监控，并根据实际工况调节各环节的运行状态，延长设备使用寿命。

2、应用案例分析

2.1 项目概况

该商业综合体位于我国南方某城市，建筑面积为 5 万平方米，涵盖了商场、酒店、写字楼等多种功能区域。由于南方地区夏季气温高、湿度大，冬季气温相对较低，对冷暖空调系统的需求较高。为了实现高效、节能的冷暖供应，项目采用了低温空气源热泵冷暖一体化系统。

2.2 系统设计

根据商业综合体的不同功能区域和负荷需求，设计采用了分布式低温空气源热泵冷暖一体化系统[3]。在商场区域，共安装了 10 台大型低温空气源热泵机组，单台机组的制冷量为 200kW，制热量为180kW，通过风管系统将冷暖风输送到各个店铺。而在酒店与办公楼部分则采用户式低温空气源热泵机组作为末端设备直接连接于室内空调器上，由其自身来完成客房内所需冷热水供应，并且可以根据用户的要求单独控制其冷暖工作模式。为了提高系统的能效和稳定性，系统还配置了智能控制系统，能够根据室内外温度、湿度等参数自动调节热泵机组的运行状态。

2.3 运行效果

经过测试与分析，本系统在夏天空调工况时可以实现室温恒定于 24\~26°C、相对湿度维持在50%～60% ，使顾客及工作人员拥有一个较为舒适的工作场所；而在冬天采暖工况时可以使室内温度维持在 18\~20°C 左右，达到人们所需要的供暖要求。通过对系统运转参数进行实时监控并对其进行相应的数据分析处理后得出:该低温空气源热泵冷暖一体机系统在制冷工况下的综合性能系数(COP)值大于等于 3.5，而在供热工况下的 COP 值则大于或等于 3.0，COP 值是评价热泵机组工作效能的重要指标之一。由此可见，相比于传统中央空调系统而言，其具有较好的节电功效。

2.4 经济效益分析

该低温空气源热泵冷暖一体化系统的投资成本约为 1000 万元，包括设备采购、安装调试、控制系统等费用。运行成本方面，夏季制冷期间的电费支出约为 30 万元/月，冬季制热期间的电费支出约为 20 万元/月，相比传统中央空调系统，每年可节省电费约 50 万元。此外，由于系统的维护保养相对简单，维护成本也较低。从长期来看，该系统具有较好的经济效益和投资回报率。

3、低温空气源热泵在应用中存在的问题

3.1 低温环境下性能衰减

尽管低温空气源热泵在设计上能够适应低温环境，但是由于换热系数随温度变化而改变，随着室外气温的进一步降低，机组制冷量和性能系数均会有所下降[4]。特别是当环境温度低于零度以后，在蒸发器表面上很容易出现结霜现象，并且由于空气湿度的影响使得除霜过程比较困难，能效比降低。

3.2 除霜问题

传统低温空气源热泵采用逆向循环法除霜或者热气旁通除霜，在保证系统正常工作的前提下可以避免因蒸发盘管结霜而引起的制热能力不足的问题；但是这种除霜方式对房间的影响较大，使室温大幅变化从而严重影响用户的生活质量。而且除霜时机的选择不够合理会造成除霜次数过多或者不能完全化霜的现象发生，进而降低了整个系统的综合性能及稳定性。

3.3 系统匹配与优化问题

低温空气源热泵系统是一个复杂的工程系统，它涉及很多方面的内容，比如:建筑本身的散热/冷量分布情况及其规律、室外气象参数、采暖/空调负荷特征、建筑围护结构的保温隔热性等等诸多因素都直接影响着系统整体的工作状态。如果系统匹配不合理，如热泵机组选型过大或过小、管网设计不合理等，会导致系统运行效率低下，能源浪费严重。

3.4 初始投资成本较高

与传统空调及采暖设备相比较而言，低温空气源热泵的投资费用要高于后者，这是由于其自身的技术水平要求较高(目前主要依靠进口)、生产设备较为精密、加工难度较大；以及其中的关键零部件价格较高等原因造成的。而高昂的初期投入是制约低温空气源热泵推广使用的主要因素之一。

4、改进措施

4.1 优化系统设计与配置

为了克服或减轻低温下热泵空调系统的运行特性下降问题，应该从系统的设计入手。首先是在选型上要充分考虑当地室外温度及建筑冷(热)负荷的情况来确定所选用的热泵机型；其次是对热泵系统中主要设备的选择提出一些要求，如尽可能地使用高效能的压缩机与换热器，并且进行合理的系统配置等以改善热泵系统的运行特性。比如可以利用带喷射制冷剂旁通回路的涡旋式压缩机制取热水，这种压缩机通过向吸气口注入少量高温高压制冷剂蒸气而增加其排气量并使单位容积制冷量增大[5]。另外还可以将热泵中的换热器改为高性能的微通道换热器，由于微通道内的流体流动速度高，可增强传热效果，减少蒸发器结霜对系统性能的影响。

4.2 改进除霜技术与控制策略

从除霜的技术上讲，进一步研究开发及应用更有效的除霜方式和除霜控制策略是非常重要的。比如:利用智能化的除霜控制手段，运用传感器采集并测量蒸发器表面上的温度场分布信息(包括各测点的温度值)、相对湿度以及结霜厚度的信息；然后利用模糊控制理论或者人工神经网络模型来处理这些信息，并以此作为输入信号输出相应的指令到压缩机控制器中，以达到合理的除霜目的，从而避免不必要的频繁除霜造成的能耗浪费和室温大幅度下降的情况发生。另外还可以针对不同的环境条件寻找一些新的除霜模式，如采用电加热线圈辅助除霜的方法或采用超声波振荡除霜法等。以上几种方法可以单独应用也可以和其他除霜方式结合起来加以综合利用。

4.3 加强系统匹配与优化控制

在工程项目设计阶段，利用仿真软件对低温空气源热泵供热空调系统进行全面细致地模拟计算，并在此基础上优化整个系统的性能；针对不同类型的建筑空间及不同的用户需求特点，将该建筑按照其主要用途划分为若干个具有相同或相似性质的功能区，并对其进行合理的负荷分区，采用分区控制以及分时控制等方式来进一步细化系统的运行管理模式。引进先进的智能化监控管理系统，比如楼宇自动化(BAS)，通过对热泵系统相关运行参数的在线检测和动态调控，根据现场的实际负荷情况及时地调节各个热泵机组的工作状况，包括启动停机的数量、工作频率等等，以使系统能够始终保持在最经济有效的状态下运行，从而最大限度地提升系统综合节能效果。

4.4 降低初始投资成本

通过对关键技术研发及应用、技术升级与改造以及大规模产业化生产的实现来降低成本。一是加强低温空气源热泵核心技术的研发力度，并不断创新，使产品具备良好的使用性能，在生产过程中减少不合格产品的产生数量以达到降低生产成本的目的；二是扩大市场对低温空气源热泵的需求量，带动低温空气源热泵产业的大规模化生产，利用集群优势进一步降低低温空气源热泵的原辅材料采购成本、加工制造成本、营销费用等等一系列的成本支出；三是政府可以通过制定政策的方式，例如:提供资金支持(财政拨款)或减免税负等方式来刺激低温空气源热泵企业的自主研发热情，进而促使用户购买价格更低廉的产品，加速推广进程。

5、结束语

低温空气源热泵应用于暖通领域的优点和意义十分明显，不仅可实现冬季供热(冷)和夏季供冷(热)，而且具有良好的节能效果以及明显的减排效益。尽管其在低温环境下的性能衰减、除霜问题及初始投资成本等方面仍存在挑战，但通过技术创新与系统优化，这些问题有望得到有效解决。未来，随着技术的进一步成熟与政策的支持，低温空气源热泵将在暖通领域发挥更加重要的作用，为建筑节能与可持续发展贡献力量。

参考文献

1]张彦桥.在暖通工程中低温空气源热泵的应用探究[J].建材发展导向，2025，23(02):121-12

[2]牛晓文，郭扬，罗田彦，等.超低温空气源热泵（冷水）机组标准制定探讨[J].制冷与空调，2025，25(03):101-105.

[3]陈闪南，张华玲.寒冷地区农村低温空气源热泵运行特性试验研究[J].制冷与空调，2024，24(05):87-95.

[4]骆名文，张光鹏，陈梦羽，等.低温空气源热泵系统新型节能技术研究[J].制冷技术，2024，44(02):47-52.

[5]李杰.超低温空气源热泵与太阳能供热系统在寒冷地区的优化应用[J].能源与节能，2024，(01):37-40.