空氣能以空氣作為熱源，經(jīng)過(guò)電能驅(qū)動(dòng)，吸取冬天戶(hù)外空氣中的低品位熱能，將其轉(zhuǎn)化為高品位熱能，以室內(nèi)空氣或水作為傳熱介質(zhì)，向建筑供暖。根據(jù)使用測(cè)傳熱介質(zhì)的不同，可以分為空氣源熱水熱泵（如空氣能熱水機(jī)組）和空氣源空氣熱泵（如分體式熱泵空調(diào)器）。
普通空氣能在長(zhǎng)江中下游等地區(qū)采暖中得到了廣泛應(yīng)用，但是在寒冷的北方地區(qū)使用效果不佳。我國(guó)寒冷地區(qū)冬天氣候干燥，即便氣溫較低，空氣能的結(jié)霜現(xiàn)象不太嚴(yán)重。制約空氣能在寒冷地區(qū)應(yīng)用的主要問(wèn)題是：
（1）熱量需求較大時(shí)，制熱量不足隨著戶(hù)外環(huán)境溫度的下降，建筑熱負(fù)荷是增加的，而空氣能的制熱量卻是隨之減少的。這是因?yàn)?，?dāng)戶(hù)外氣溫降低時(shí)，循環(huán)工質(zhì)的吸氣比容增大，導(dǎo)致機(jī)組吸氣量降低，系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)量減少，機(jī)組的制熱量會(huì)急劇下降。在低溫環(huán)境下，空氣能的制熱性能系數(shù)也急速降低。
（2）在低溫環(huán)境下，空氣能的可靠性差隨著環(huán)境溫度的降低，循環(huán)工質(zhì)的吸氣壓力降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)壓縮比不斷增大，排氣溫度迅速升高。當(dāng)室外溫度降到一定值時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度會(huì)超過(guò)允許的工作范圍，壓縮機(jī)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)，機(jī)組停止正常工作。同時(shí)，隨著壓縮機(jī)排氣溫度升高，潤(rùn)滑劑受熱后粘度急劇下降，潤(rùn)滑性能變差，出現(xiàn)壓縮機(jī)頻繁啟停的狀況。
將熱泵循環(huán)過(guò)程改進(jìn)為雙級(jí)壓縮循環(huán)，理論上可以解決空氣能在低溫環(huán)境下的上述問(wèn)題。雙級(jí)壓縮循環(huán)是將來(lái)自蒸發(fā)器的低溫低壓制冷劑蒸氣首先壓縮到中間壓力，經(jīng)過(guò)中間冷卻后再壓縮到冷凝壓力，這樣就可以降低壓縮機(jī)的排氣溫度，壓縮比控制在合理范圍內(nèi)，又可以減少壓縮機(jī)功耗，機(jī)組的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性都有所提高，熱泵可以在低環(huán)境溫度下運(yùn)行。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了機(jī)組設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化的研究，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中已經(jīng)得到了不錯(cuò)的運(yùn)行效果。
1993年，空氣能工程師提出了帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)，并應(yīng)用在螺桿機(jī)組中，COP可以提升5-11%。不過(guò)螺桿式壓縮機(jī)容量較大，一般不應(yīng)用于小型空氣能。
2001年，馬先生等研制了一款適合寒冷地區(qū)使用的空氣能原型機(jī)，利用帶輔助進(jìn)氣口的渦旋壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)了帶經(jīng)濟(jì)器的一次節(jié)流準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)。原型機(jī)額定制冷量為10kW，在-15℃環(huán)境下制熱量約6kW，滿足100m面積的空調(diào)需求。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，原型機(jī)在-15℃的低溫環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，測(cè)試COP為2.32，排氣溫度不超過(guò)130℃。
趙女士對(duì)渦旋壓縮機(jī)準(zhǔn)二級(jí)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了更為詳細(xì)的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)最佳補(bǔ)氣口位置等機(jī)組性能進(jìn)行優(yōu)化，并且提出閃發(fā)器比過(guò)冷器更適合寒冷地區(qū)用小型空氣能系統(tǒng)采用。龐衛(wèi)科以帶閃發(fā)器的渦旋壓縮機(jī)準(zhǔn)二級(jí)熱泵系統(tǒng)為基礎(chǔ)，選用毛細(xì)管作為節(jié)流元件，設(shè)計(jì)了一臺(tái)樣機(jī)并在北京地區(qū)運(yùn)行測(cè)試，機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，在環(huán)境溫度-15℃時(shí)COP為1.88。
Bertsch提出了帶經(jīng)濟(jì)器的雙級(jí)壓縮一次節(jié)流系統(tǒng)，建立模型模擬設(shè)計(jì)，并且搭建了實(shí)驗(yàn)室原型機(jī)，機(jī)組設(shè)計(jì)制熱量為17kW，可以在-20℃環(huán)境溫度下提供50℃的熱水。雙級(jí)壓縮系統(tǒng)采用兩臺(tái)單機(jī)壓縮機(jī)，環(huán)境溫度較高時(shí)可以獨(dú)立單級(jí)運(yùn)行，環(huán)境溫度較低時(shí)系統(tǒng)按雙級(jí)壓縮運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，機(jī)組排氣溫度始終不超過(guò)105℃，熱力完善度達(dá)45%，可以在低至-30℃的環(huán)境溫度下運(yùn)行，COP為2.1。
田先生等提出一種帶中間冷卻器的雙級(jí)壓縮變頻空氣能機(jī)組，并以16kW制冷量的渦旋壓縮機(jī)組為例進(jìn)行了試驗(yàn)研究和模擬計(jì)算。試驗(yàn)驗(yàn)證，在-18℃以上的室外氣溫環(huán)境中，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，制熱量滿足要求。在蒸發(fā)溫度-25℃、冷凝溫度50℃的工況下，COP高于2.0，壓縮機(jī)排氣溫度低于120℃。
王先生對(duì)兩級(jí)節(jié)流雙級(jí)壓縮的低溫空氣能系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行性能測(cè)試和系統(tǒng)優(yōu)化。樣機(jī)具有單雙級(jí)兩種循環(huán)運(yùn)行模式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樣機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行，在環(huán)境溫度-20℃下，制取50℃的采暖熱水，機(jī)組制熱量為4.65kW，COP為2.01，壓縮機(jī)排氣溫度低于100℃。
低溫空氣能技術(shù)已經(jīng)取得大量理論研究和樣機(jī)開(kāi)發(fā)的研究成果，小型低溫空氣能機(jī)組在實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試中可靠穩(wěn)定運(yùn)行，在低溫環(huán)境下制熱性能良好。
目前市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出性能穩(wěn)定的小型低溫空氣能家用設(shè)備，適宜在農(nóng)村住宅中安裝使用。一類(lèi)是小型熱水型低溫空氣能，能夠提供30℃~50℃的采暖熱水，連接地板輻射盤(pán)管、散熱器等采暖末端系統(tǒng)可以給整戶(hù)農(nóng)宅供暖，自2012年開(kāi)始在北京農(nóng)村地區(qū)陸續(xù)建立了幾處地板采暖系統(tǒng)的示范工程。一類(lèi)是小型熱風(fēng)型低溫空氣能，2015年剛剛推出針對(duì)農(nóng)村地區(qū)的價(jià)格低廉的分體式空調(diào)器設(shè)備，還沒(méi)有示范實(shí)踐。
北京農(nóng)村地區(qū)燃煤采暖的改造工作勢(shì)在必行，刻不容緩；另一方面，目前已有的采暖技術(shù)都不能十分理想地替代燃煤采暖，小型低溫空氣能可能是適宜推廣的一種替代方式。因此，需要盡快建立農(nóng)宅示范，驗(yàn)證小型低溫空氣能用于農(nóng)宅采暖的可行性，并且通過(guò)實(shí)際運(yùn)行效果和運(yùn)行能耗的測(cè)試，研究小型低溫空氣能是否適宜作為北京農(nóng)村燃煤采暖替代方案加以推廣。
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