高適應性空氣源熱泵技術(shù)研究及應用（2020年度《家電科技》優(yōu)秀創(chuàng)新團隊項目）

項目負責人：馬國遠

項目聯(lián)系人：周峰 zhoufeng@bjut.edu.cn

項目組成員：馬國遠、周峰、許樹學、李富平、孫晗、姜明健、晏祥慧等

單位：北京工業(yè)大學

項目背景及研究意義

空氣源熱泵是從室外環(huán)境空氣中獲取熱量并提升品位后用于供熱，以及從室內(nèi)環(huán)境中取熱并排放至室外環(huán)境空氣從而實現(xiàn)室內(nèi)制冷的裝置或系統(tǒng)。由于其適用性強、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)控方便、能源效率高等優(yōu)點，得到了廣泛使用。由于環(huán)境空氣溫度變化范圍大，空氣源熱泵性能在偏離設(shè)計工況時性能衰減嚴重。因此，發(fā)展能兼顧制冷和制熱性能的高適應性空氣源熱泵對于我國建筑節(jié)能至關(guān)重要。在此背景下，自1990年代末開始，項目完成單位在該領(lǐng)域開展了大量研究工作。

項目介紹

我國北方地區(qū)建筑冬季有較長時間的采暖需求，同時，近年來我國長江流域等地區(qū)的采暖需求也逐漸旺盛。研究表明：空氣源熱泵是適宜上述地區(qū)非集中采暖用戶的經(jīng)濟、環(huán)保的熱源形式。另外，隨著氣候變化加劇，全國各地夏季空調(diào)需求也不斷增加，預計未來夏季空調(diào)的需求將進一步快速增長。因此，高適應性空氣源熱泵在制熱工況下需要重點解決低環(huán)境溫度下的性能衰減問題，而夏季則需要提升其溫和環(huán)境下的能效水平。

針對北方寒冷地區(qū)熱泵供暖效率低的問題，項目提出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“帶噴射器和貯液過冷器的熱泵（制冷）系統(tǒng)”的復合循環(huán)新流程，在詳細研究該熱泵系統(tǒng)循環(huán)機理和性能特性的基礎(chǔ)上，歸納出其設(shè)計理論和方法；以此為指導研發(fā)出家用熱泵空調(diào)器和商用低溫空氣源熱泵機組，形成批量生產(chǎn)。該熱泵系統(tǒng)在極端工況下按照復合循環(huán)工作，提高工作性能和運行穩(wěn)定性，在普通工況下按照單機循環(huán)工作，保持傳統(tǒng)熱泵的特點。與普通系統(tǒng)相比，能夠很好地適應氣溫大范圍變化，保證在寒冷地區(qū)高效、穩(wěn)定地全年運行，解決了空氣源熱泵在寒冷氣候區(qū)制熱性能差、無法長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵問題。設(shè)備實物圖如圖1所示。

項目優(yōu)勢

（1）首次提出采用強化補氣壓縮機、貯液過冷器、噴射器構(gòu)成的新流程，建立了其通用特性方程，探明了其動態(tài)特性和匹配特性，確定出補氣壓力和噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)的適宜范圍，研制出的原型機可在低蒸發(fā)溫度下長期安全運行，具備優(yōu)良的低溫制熱性能。

（2）該技術(shù)用于家用熱泵，研制出在54℃至-30℃環(huán)境溫度中穩(wěn)定可靠運行的熱泵空調(diào)器，且形成批量生產(chǎn)。經(jīng)國家權(quán)威機構(gòu)檢測，該空調(diào)器額定工況制冷能效比為4.87，-15℃環(huán)境溫度的制熱能效比為2.18。

（3）該技術(shù)用于商用熱泵，研制出能在-20℃環(huán)境溫度中穩(wěn)定運行的低溫空氣源熱泵機組，并進行了工程應用，在-15℃氣溫下制熱能效比達2.15。

（4）該技術(shù)解決了環(huán)保替代工質(zhì)R32熱泵低溫工況下排氣溫度超限的問題，使其能夠長期穩(wěn)定運行，且制熱量高出常規(guī)熱泵系統(tǒng)4%～6%，制熱能效比高出3%。

圖1 設(shè)備實物圖

項目成果

項目累計發(fā)表論文40余篇，其中SCI檢索論文20余篇；授權(quán)專利20余項，其中發(fā)明專利10余項。2014年，教育部科技發(fā)展技術(shù)中心組織了對“適合首都圈氣候特點的帶噴射器和貯液過冷器的熱泵（制冷）系統(tǒng)”的科技成果鑒定會，鑒定意見為：該成果綜合技術(shù)水平處于國際領(lǐng)先。研究成果通過北京工業(yè)大學與珠海格力集團合作的項目于2014年獲得北京市科技獎（技術(shù)發(fā)明類）三等獎；與清華同方人環(huán)公司聯(lián)合申報的項目于2015年獲得中國制冷學會科學技術(shù)獎（技術(shù)發(fā)明類）一等獎。新型轉(zhuǎn)子補氣壓縮機已在全球第二大轉(zhuǎn)子壓縮機生產(chǎn)企業(yè)量產(chǎn)，并在強熱型熱泵空調(diào)器中批量應用。