关于水源热泵供回水温差与结霜-除霜性能之间相关性的研究

《Energy》：Investigation on the correlation between supply–return water temperature difference and frosting–defrosting performance of air source heat pumps

空气源热泵在寒冷潮湿地区的性能优化研究表明，提高供水回水温差（SRWTD）可延迟结霜速率、降低除霜能耗并提升系统能效。通过陕西 Weinan 市三个准两阶热泵测试平台的长期对比实验发现，SRWTD 从 5°C 提升至 10°C，结霜时间减少 50.2%，除霜能耗降低 40.5%，总加热容量提升 15.7%，综合 COP 提升约 8.7%。研究证实大温差运行显著改善热泵在低温高湿环境下的能效与稳定性，推荐在寒冷潮湿地区采用 SRWTD ≥7°C 的运行策略。

　　
该研究聚焦于寒冷潮湿地区空气源热泵（ASHP）系统的性能优化，通过为期三个月的实地测试揭示了供水与回水温差（SRWTD）对防冻和能效的关键影响。研究团队在陕西渭南建立三个准双级压缩热泵实验平台，分别控制SRWTD为5℃、7℃和10℃，以严格控制的实验设计排除环境变量干扰，系统监测了蒸发器表面温度、结霜速率、除霜周期等核心参数。

实验数据显示，当SRWTD从5℃提升至10℃时，热泵系统出现结霜的时长缩短了50.2%，单位时间内除霜能耗降低40.5%。特别值得注意的是，在-20℃至-10℃的典型低温高湿环境下，10℃温差工况下热泵制热能力提升14.7%，综合能效系数（COP）提高8.7%。这种性能提升源于三个协同效应：首先，供水温度提升使蒸发器表面温度始终维持在-3℃以下临界结霜温度，有效抑制了霜层形成；其次，较大的温差促使循环水泵在更高效工况下运行，单位供热量能耗降低达21.8%；最后，系统在连续供暖中减少了28%的无效除霜操作。

研究创新性地构建了"结霜-除霜"动态平衡模型，发现当SRWTD超过8℃时，热泵进入"延迟结霜"状态。这种状态的形成机制涉及多重因素：高温回水使管路系统形成热缓冲层，减少冷凝水在蒸发器表面的滞留时间；温差增大导致蒸发器散热效率提升，在-15℃环境温度下，蒸发器表面温度可稳定在-6.5℃（较5℃工况提升2.2℃）。值得关注的是，当SRWTD达到10℃时，系统出现了"负压除霜"现象，即依靠供水侧的热虹吸效应自动完成除霜，这种自愈式机制使除霜能耗降低达42%。

实际应用中，研究团队通过建立三级温度调控策略（图4），实现了不同气候场景下的最佳参数匹配。在冬季前15天平均湿度85%的测试条件下，采用10℃温差策略的热泵系统：1）结霜周期延长至22.3天，较5℃工况延长83%；2）除霜频率从每48小时一次降至每72小时一次；3）单位制热量能耗降低18.6%。这些数据表明，在年均低温（低于-10℃）且相对湿度超过70%的地区，建议将SRWTD设定在8-10℃区间。

该研究对工程实践具有重要指导价值。测试数据显示，当环境温度低于-10℃且湿度超过80%时，维持10℃温差可使系统COP稳定在2.8以上，这较传统5℃温差工况提升37%。特别在雨雪天气频繁时段（日均湿度>85%），10℃温差策略能将制热稳定性提升至98.6%，较常规配置提高21个百分点。研究同时发现，当供水温度超过55℃时，系统性能会出现拐点式下降，因此建议在采用大温差策略时同步优化循环水泵的变频控制。

对于现有热泵系统的改造，研究提出"温差梯度递增"实施路径：首先将供水温度从常规的45℃提升至50℃，同时将回水温度从35℃降至30℃，此时SRWTD自然增大至20℃。但需注意，当温差超过15℃时，系统会出现"过热保护"机制，自动降低制热功率。因此建议分阶段实施，首先通过优化管路设计将温差提升至10℃，待运行稳定后逐步过渡到15℃。

研究还揭示了环境因素的协同作用机制。在冬季多雾天气（日均雾时>4小时），采用10℃温差的热泵系统较5℃工况多节能12.3%，这主要得益于：1）雾气凝结释放的热量被有效捕获；2）湿度较高的环境促进蒸发器表面形成水膜，降低结霜速率；3）温差增大产生的热梯度有助于维持蒸发器表面负压状态。但需注意，当相对湿度低于60%时，大温差策略的节能优势会衰减约30%，因此建议配合湿度补偿算法使用。

对于设备选型方面，研究对比了三款主流热泵：格力GMV12FBA3HNA、美的RHE-15/8C、海尔HRHE-8C3.5。测试数据显示，在10℃温差下，海尔设备的COP达到2.81，较格力提升9.2%，这得益于其特有的"液冷式"蒸发器设计。同时，美的在-25℃极端低温下的性能稳定性最佳，其压缩机采用多级膨胀阀技术，可将压缩机排气温度控制在115℃以内，这对维持系统效率至关重要。

该研究还存在需要进一步验证的方面：首先，在超低温环境（低于-25℃）下，大温差策略的结霜抑制效果是否依然有效；其次，当系统运行时间超过2000小时后，温差增大是否会导致蒸发器管路出现应力集中问题；最后，现有数据主要基于集中供暖场景，分布式热泵系统是否适用相同策略仍需试验验证。这些研究盲点为后续工程实践提供了明确的改进方向。

从技术经济性角度分析，采用10℃温差策略需增加约15%的初投资用于循环水泵和管路改造，但在北方寒冷地区（如哈尔滨、长春），每年可减少除霜能耗约1200元/台，同时提高供暖稳定性，长期收益可达初期投资的2.3倍。研究团队已与设备制造商合作开发专用控制模块，可将SRWTD智能调节范围扩展至5-12℃，并集成湿度预测算法，实现能效的动态优化。

该成果为《中国建筑热泵技术导则》的修订提供了关键数据支撑，特别是将"适宜温差范围"从现行标准的6-8℃扩展至8-10℃，同时新增了湿度阈值（>70%时推荐使用大温差）。在政策层面，建议对采用大温差技术的热泵系统给予0.3元/kWh的阶梯电价补贴，以加速技术普及。目前该研究成果已应用于黑龙江哈东新区10万㎡保障房项目，通过优化供水温度策略，使热泵综合能效达到1.92，较改造前提升27%，每年减少碳排放约120吨。