美国热泵技术的研究重点

　　研发先进的热泵技术———变速集成式空气源热泵（air-source integrated heat pump，IHP）

　　橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）和美国一家热泵制造商正在进行先进的IHP完全变速版的开发，以适应美国市场的需求。IHP朝多元化一体化的方向发展，包含一个提供暖通空调（Heating，Ventilation and Air Conditioning，HVAC）及热水供暖服务的高效系统，例如，通过水加热功能，利用其冷却模式，被压缩的制冷剂向热水器水箱的水和室外热交换器散热。根据空间冷负荷和热负荷的需要，IHP身兼数职，或充当水源热泵，或空气源热泵热水器，或者是两者的组合。这个过程将使用适当的控制机构、变频压缩机、泵和风扇来实现，以满足负荷的需要量。

　　ORNL的目标是开发一个比最低效率系统的节能效果高出50%的IHP系统。初始的实验室原型已建造成并进行了测试，结果表明它在HVAC和热水供暖方面分别节能约30%和70%。根据最初的设计，测算表明每年可为亚特兰大节约54%的总能源。

　　ORNL是美国DOE所属的一个大型国家实验室，成立于1943年，使命是攻克美国当下面临的最严峻的科学难题，并且开发新技术，为人类创造更加美好的生活。ORNL主要从事跨越广泛领域科学学科的研发活动，其中包括中子科学、复杂生物系统、能源、先进材料、国家安全和高性能计算等。ORNL在许多科学领域处于国际领先地位，主要成就之一体现在对能耗低热效高的能源效率的开创性研究。研究人员发现，地球几乎储存从太阳接收能量的一半，起码高于人类每年需要能量的500倍。通过开发这个巨大的能源储存能力，利用不影响环境流体的地下管道，地源热泵技术在冬天可将来自地里的热量传送到建筑物，夏天将建筑物里的热量散发到较凉的地里，为建筑物供热制冷，并提供热水。

　　用于寒冷气候的热泵

　　空气源热泵技术是一项节能技术，推广其应用对于环境保护具有重要的意义。冬季的环境温度低，会使压缩机吸入管路的制冷剂密度变低。这极大地降低了通过室内热交换器的制冷剂质量流率，使热泵的能效大打折扣。为了使寒冷地区能正常使用空气源热泵技术，BTO采用了双级压缩(包括准二级压缩)和复叠循环来降低压比，利用变频压缩机在制热时加大制冷剂的循环量，引进Turbo技术、高效压缩机技术、高效换热器技术等来提高空气源热泵的低温制热性能，用电加热气液分离器以及它到压缩机之间的吸气管路提高蒸发温度和蒸发压力等。研究人员指出，空气源热泵用于寒冷地区的采暖在技术上是可行的，但是需要付出代价。在此基础上，他们开发出一种可以充分利用室外侧换热器的复叠循环系统。

　　在寒冷地区，当冬季环境温度达到－5℃的时候，如果需要产生50℃左右的热水，其能量与热量之间的转换比率，简称能效比（coefficient of performance，COP）要求达到4.06，可以选用耦合双级供暖热泵系统。该系统用水循环管路将两套单级热泵系统耦合起来，考虑到空气源热泵优越的提升能量特性，第一级常选用空气源热泵作为预热系统，制备20℃左右的温水。而第二级多选用水源热泵，通过从水中吸取热量，再制备成45～55℃热水，由风机盘管或辐射采暖系统加热室内，实现采暖需求。

　　多功能燃料燃烧热泵

　　ORNL和其他制造商以及燃气公用事业公司联手合作，正在开发一种住宅多功能燃料燃烧热泵。多功能热泵配备有一个天然气发动机驱动的压缩机、一个1.5千瓦的发电模块、用于空间..暖和把水加热的废热回收系统以及实现最佳效率的智能控制器。发电模块将提供辅助负载和应急备用所需要的全部电能，从而减少在电力高峰时期对电网的需求。

　　实现推荐的1.3冷源COP、1.5热源COP和保持40加仑的热水容量，将使每年用于空间调节和把水加热的一次能源比分开的HVAC和热水器设备分别减少30%和80%。

　　BTO致力于研究燃料燃烧吸收式空气源热泵、先进的地源热泵技术、用于寒冷气候的可变速热泵技术、天然气热泵和空调，这些项目在BTO今年4月召开的审核会得到进一步的更新。

　　新制冷剂的相关研究

　　制冷剂R-410A常用于蒸汽压缩式热泵，但是现在由于对气候变化的关注而受到严密的监视。为此，业内人士和政府实验室都在进行新制冷剂的相关研究。AHRI目前正在主持一项名叫“全球低温室升温潜能值替代制冷剂评估程序”（the Low Global Warming Potential Alternative Refrigerants Evaluation Program，Low-GWPAREP）的全行业合作研究计划，旨在识别和评估主要用于空调和制冷产品的有前途的低GWP制冷剂替代品。有11种空调？？机调节器和热泵（空气源和水源）用不同的低GWP制冷剂进行了测试。这些制冷剂与R-410A相比拥有不同的性能，其中大多表现出供热季节性能系数（HSPF）有所好转，季节能效比或季节性冷却特性相当或略有下降。

　　美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）对低GWP制冷剂进行广泛的热力学评估。研究人员探讨了4种不同的蒸汽压缩循环的热力学性能的限制，并确定导致性能最佳制冷剂热力学参数。此外，他们采用筛选标准，从合适的56000多种低GWP制冷剂中挑出62种最理想的待选制冷剂，以缩小制冷剂的名单。

　　根据美国采暖、制冷与空调工程师学会（American Society of Heating Refrigerating and Air-conditioning Engineer，ASHRAE）的34-2013标准，对大多数用来取代热泵使用的R-410A的候选低GWP制冷剂进行了分类，或打算归类为A2L。这些制冷剂的易燃性适度，燃烧速度低。ASHRAE经过研究，科学开发出有效的输入数据，用于对住宅中央空调和热泵以及小型商业制冷应用程序使用2L级可燃性制冷剂的情况进行风险评估。这项研究能识别潜在的引燃源，并测试其中一些潜在的泄漏情况。与此同时，AHRI还完成了一个研究项目，采用故障树分析法（FTA）评估住宅热泵系统使用A2L制冷剂的点火风险。这项研究包括制冷剂在不同泄漏情况下分散模式的CFD建模，通过实际测试来验证CFD的结果，用FTA评价制冷剂点火的可能性。这项研究得出的结论认为，制冷剂排放和点火的危险因素远远低于大众常常所接受的其它危害的风险，如需要治疗的坠落伤。

　　为了评估住宅热泵的寿命期气候性能（the Life Cycle Climate Performance，LCCP），研究人员进行了多项研究。AHRI开发一种标准化的方法和基于Excel的工具，用来评估住宅热泵一生中在不同地区使用不同制冷剂时直接和间接的碳排放。马里兰大学与ORNL和DOE合作，进一步扩大了AHRI的研究成果，推出一种用于设计热泵最佳LCCP的开放源码工具。目前，国际制冷（IIR）工作小组正在积极工作，对旨在评估制冷系统LCCP的不同方法的优劣进行评价。

　　文/美国空调供热制冷协会 卡里姆·阿姆兰 （李忠东编译自《国际能源署热泵中心通讯》No.2，2014，www.heatpumpcentre.org）