北方地区低温环境下空气源热泵应用研究

雷军民 1，孙万来 2，卜宪标 3，潘有伦 1,高哲 1

（ 1.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730020； 2.克莱门特捷联制冷设备 (上海 )有限公司，上海 201419； 3.中国科学院广州能源研究所，广东 广州 510640）

摘要 随着清洁供暖深入推进和“煤改电”政策的落实，空气源热泵以优异的节能效果、良好的用户体验、使用维护方便等显著优点，成为热泵诸多型式中应用最为广泛的一种。空气源热泵在低温环境下应用时，突出问题是制热能力受室外温度波动和结霜严重程度的影响。本文结合低温环境下空气源热泵应用现状和典型问题，针对低温环境情况，进行空气源热泵应用的适宜性研究和应用时的关键技术指标计算方法的研究，提出提高低温环境下空气源热泵应用性能的建议和措施，以促进空气源热泵技术在清洁供暖应用领域的推广应用。

关键词 空气源热泵；低温环境；应用适宜性；计算方法；建议；措施

1 北方地区空气源热泵应用现状和典型问题分析

空气源热泵在北方地区低温环境下的推广和应用，关注的焦点就是它的应用受到气候条件的约束，热泵机组出现的突出问题是制热能力受室外温度波动和结霜程度的双重影响。

2 低温环境下空气源热泵应用的适宜性研究

2.1 低温环境下空气源热泵应用的适宜性研究

按照《民用建筑热工设计规范》（GB50716-2016）的建筑热工设计原则^[1]，建筑热工设计区划分为两级。其中，严寒、寒冷地区的建筑热工设计区划指标见表1所示。

表1 建筑热工设计区划指标及设计要求^[4]

一级区划 名称	区划指标		二级区划 名称	区划指标
	主要指标	辅助指标
严寒地区 （1）	tmin.m≤-10℃	145≤d≤5	严寒A区（1A）	6000≤HDD18
			严寒B区（1B）	5000≤HDD18＜6000
			严寒C区（1C）	3800≤HDD18＜5000
寒冷地区 （2）	-10℃＜tmin.m ≤0℃	90≤d≤5 ＜145	寒冷A区（2A）	2000≤HDD18 ＜3800	CDD26≤90
			寒冷B区（2B）		CDD26＞90

北方地区的严寒B区气候酷寒，极端最低温度低于-30℃，可选择-35℃超低温空气源热泵；严寒C区气候寒冷，极端最低气温在-25℃左右，宜选择-25℃超低温空气源热泵，可保证供暖期的正常启动和运行；寒冷A区和寒冷B区冬季平均气温在0℃左右，冬季供暖期气候整体比严寒地区温和，寒冷A区可选择配备低温空气源热泵以应对极端最低气温，寒冷B区选择常规空气源热泵即可。

2.2 低温环境下空气源热泵供暖期结霜评估方法研究

评估空气源热泵结霜程度的主要依据为空气源热泵结霜图谱，结霜图谱是来自文献[3,4]的最新成果——新型分区域结霜图谱，图2^[6]所示结霜图谱详细划分出空气源热泵在-15～11.5℃的温度范围内，不同的气象条件下的结霜和结露区域。

图1 空气源热泵结霜的室外空气参数范围	图2 空气源热泵分区域结霜图谱

3 低温环境下空气源热泵应用关键技术指标计算方法研究

3.1 低温环境下空气源热泵制热量计算方法研究

影响空气源热泵制热性能的两大室外气象参数是室外温度和相对湿度，空气源热泵机组设计选型时，需结合室外温度特征和拟选型的机组化霜要求。空气源热泵机组每小时化霜次数可按所选机组化霜控制方式选取或向厂家查询。

3.2 空气源热泵制热量与结霜程度的关系研究

文献[1]推导出室外空气温度在-15～-8℃时名义制热量损失系数^[5]的计算公式（1）。

（1）

式中： 为干球温度； 为相对湿度； 为干球温度为Ta时，临界结露线处的相对湿度。

实际空气源热泵项目中，分析机组制热量损失与结霜程度关系时，当室外空气温度低于-15℃或高于6℃时，机组可视为不结霜运行，此时结除霜损失系数ε为0，名义制热量损失系数 与制热量衰减系数 相等。

3.3 低温环境下空气源热泵辅助热源的配置

空气源热泵供暖系统设计中辅助热源制热量按公式（2）计算。

（2）

式中： 为辅助热源制热量； 为建筑在冬季空调室外温度计算干球温度下的热负荷； 为机组在冬季空调室外温度计算干球温度下的热负荷。

严寒寒冷地区的辅助热泵配比为10%～25%之间，即辅助热泵和主热泵的比值在1/9～1/4之间，平均值在1/6左右。若采用电辅助加热系统，配置制热量一般占空气源热泵名义制热容量的比例在6%～15%之间，平均为9%左右^[5]。

4 提高低温环境下空气源热泵应用性能的技术措施研究

针对空气源热泵在低环境温度下应用出现的突出问题，在提高低温环境下应用空气源热的应用性能可从提高热泵机组技术水平、优化系统设计等方面进行。

4.1 提高低温环境用空气源热泵机组技术水平

（1）在低环境温度应用时，选用CO₂热泵。CO₂热泵机组原理图如图3所示，在环境温度为-20℃的严酷工况下，CO₂热泵系统仍可稳定制取9O℃的热水，而压缩机排气温度不超过120℃，体现出较好的低温运行和高温制热优势^[6]。图4为双级压缩空气源热泵系统示意图，与常规单级压缩循环系统相比，双级压缩热泵具有每级压缩比小、排气温度低、制冷效率高、低温适应性强等优点。

图3 CO2空气源热泵循环温-熵图与系统图

图4 双级压缩空气源热泵示意图

（2）空气源热泵在低温环境中运行时，室外环境温度＜5℃，湿度＞65%时，机组蒸发器表面易出现结霜，国内外提出热气旁通法、反向除霜法、四通阀切换运行法、显热除霜法、自然循环除霜法和电加热辅助除霜等多种除霜方案^[7,8]。

4.2 优化低温环境下空气源热泵系统设计

（1）在方案论证阶段，在系统性对项目地气象参数进行梳理和分析的基础上，应调研使用地既有空气源热泵项目并掌握项目运行情况，综合项目地气象特征，进行低温环境下空气源热泵应用的适宜性评估分析。

（2）设计中除严格遵循除按照相关国家规范和标准执行外，还需反复对系统进行优化设计。

（3）主机安装在屋顶时，基础应坐落于建筑立柱或承重梁上；主机安装在室外空地时，主机基础应牢固坚实；主机与基础之间装配减震装置。空气源热泵主机底部与基础之间要留有不应低于300mm的安装距离。空气源热泵主机装设满足现场适用的防护设施。调试前，须进行系统的测定和调整，在各独立系统作好调试的基础上，进行系统联合试运转及调试。

（4）供暖期空气源热泵运行阶段，开机前提前通电，预热24小时。主机运行期间，周围严禁堆放杂物，严禁主机“带病”运行，并定期做好系统的维护保养。

5 结论

（1）低温环境下空气源热泵制热能力受室外温度波动和结霜程度的双重影响，使用地环境条件和气象参数，是进行空气源热泵相关计算和选型时不可忽视的关键因素。

（2）我国北方严寒A区不适合、也不推荐该地区选用空气源热泵进行供暖，严寒B区、严寒C区、寒冷A区选用适宜的超低温空气源热泵，寒冷B区选择常规空气源热泵即可。

（3）空气源热泵系统设计应优先保证系统在最常运行时间段下所对应的经济性,并满足低环境温度情况下正常工作。

（4）空气源热泵主机的设计选型应结合建筑的保温情况、结构类型、采暖系统使用情况及应用场所的室外环境等因素作为设计专项进行。

（5）空气源热泵技术的发展必将提高其运行性能，实现低环境温度下推广和应用，促进北方地区我国清洁供暖目标。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 民用建筑热工设计规范（GB50716-2016）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2] Zhu J H，Sun Y Y，Wang W，et al. Developing a New Frosting Map to Guide Defrosting Control for Air-source Heat Pump Units[J]. Applied Thermal Engineering，2015，90（5）：782-791.

[3] Zhu J H, Sun Y Y, Wang W, et al. A Novel Temperature-Humidity-Time Defrosting Control Method Based on a Frosting Map for Air-source Heat Pumps[J].International Journal of Refrigeration，2015，54：45-54.

[4] 吴钥，刘馨，梁传志等.低温空气源热泵的发展现状与关键技术指标[J].建设科技，2019（5）：20-28

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[7] 杜玉清，左自豪.空气源热泵机组除霜过程研究[J].制冷与空调，2015,(9):21-25.

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