空气能热泵

空气能热泵，也称空气源热泵，是利用逆向热力学循环将热量从低温热源转移到高温热源的装置，是利用空气中低温热能的一种有效手段，并主要用于住宅供热、大型建筑物或建筑群供热、余热回收、干燥技术等领域。

空气能热泵的历史可追溯至18世纪初，当时卡诺循环的发表为其研究奠定基础。1852年，英国汤姆逊教授提出热泵设想，他利用蒸汽机驱动装置，以空气为介质进行热量转移。19世纪70年代制冷设备发展迅猛，但热泵进展缓慢，直到20世纪20-30年代，热泵开始快速发展。期间，英国J. B. S. 霍尔丹在1930年报道了家用热泵的应用，性能系数较高。随后，美国也开始热泵的设计与应用，并在20世纪50年代开始批量生产空气源热泵。到20世纪80年代，日本大规模生产空气源热泵式空调器。而中国热泵技术发展缓慢，直到90年代改革开放后，引进日本技术，热泵式空调器产量才得以迅速增加，更在进入21世纪后占据中国约70%的市场份额。

空气能热泵根据不同的载热介质，分为空气/空气型热泵和空气/水型热泵。主要由膨胀阀、蒸发器、压缩机和冷凝器四个部分组成。其工作原理基于热力学的两个基本规律：热传导和热对流。热传导是指热量从高温物体传递到低温物体的过程，而热对流是指热量通过流体传递的过程。在冷冻周期，空气能热泵通过制冷循环实现室内空气的热能传输到室外；而在供暖周期，它通过热泵循环将室外的热能传输到室内。空气能热泵时下已被应用于农业、工商业、建筑、生活等领域，而且，在未来，还将逐渐摆脱对天然气的依赖，发展以空气能热泵为主力的清洁能源。

历史沿革

空气能热泵的历史可以追溯到18世纪初叶。1824年卡诺循环的发表奠定了空气能热泵研究的基础。在卡诺循环理论基础上，1852年英国教授汤姆逊（W.Thomson）首先提出一种热泵设想，称为热量倍增器，该装置用蒸汽机驱动一个吸气缸和一个排气缸，工作介质为空气。装置运行时，外界空气进入吸气缸并在其中膨胀后降低压力与温度；低压、低温的空气从吸气缸排出后进入贮气筒吸收环境的热量后提高温度；温度升高的空气紧接着被排气缸吸入压缩，使其温度进一步升高，最后送至所需采暖的建筑物中。

在19世纪70年代，应用这些原理的制冷设备的开发工作得到了迅速发展。但热泵进展滞后。这主要因热泵研发受能源费用、能效及加热器替代方案影响。当时取暖方式多样且经济，故对热泵技术需求不高。直到20世纪20-30年代，热泵才开始快速发展。这得益于工业技术的进步，特别是制冷机的发展为热泵制造打下了基础，同时社会上也出现了对热泵的需求。期间，英国的霍尔丹在1930年报道了在苏格兰安装的一台家用热泵，以氨为工质，利用空气热量进行采暖和加热水。该热泵的性能系数达到了逆向卡诺机理论效率的1/3-1/2。霍尔丹还探讨了利用废水热量、低谷电力、废热回用的柴油机以及低温热源端制冰等方案。随后，美国也开始热泵的设计与应用，但试验装置较少。1931年，美国南加利福尼亚爱迪生公司的洛杉矶办公楼首次将制冷设备用于供热，供热量达1050kW，制热系数达2.5。到了20世纪50年代，美国开始批量生产空气源热泵。到20世纪80年代，日本已大规模生产各种空气源热泵式空调器。

而中国受到经济条件和技术水平的制约，热泵技术发展缓慢，直到20世纪90年代，情况才有了改变。中国改革开放以后，以引进日本技术和生产线为基础，房间空调器发展非常迅速，起初是以单冷式空调器为主，到20世纪90年代，各种热泵式空调器在中国的产量增加很快。进入21世纪以来，有热泵功能的房间空调器在中国市场占约70%的份额。

工作原理

空气能热泵的工作原理基于热力学的两个基本规律：热传导和热对流。热传导是指热量从高温物体传递到低温物体的过程，而热对流是指热量通过流体传递的过程。在冷冻周期，空气能热泵通过制冷循环实现室内空气的热能传输到室外；而在供暖周期，它通过热泵循环将室外的热能传输到室内。

制冷周期

在制冷周期，空气能热泵将室内的热能传输到室外，实现室内空气的降温。其工作流程如下：

供暖周期

在供暖周期，空气能热泵将室外的热能传输到室内，实现室内空气的升温。其工作流程如下：

基本结构

空气能热泵主要由膨胀阀、蒸发器、压缩机和冷凝器四个部分组成。

膨胀阀

膨胀阀的主要作用是降温、降压，对制冷剂流量和压力进行调节，使制冷剂在较低的压力下更容易蒸发，蒸发效果越好就越能提升蒸发器吸收空气热量的效率，达到的能效越高，产生的热水更多。

膨胀阀主要是由感温包、阀体和平衡管三大部分组成。感温包里面充注的是处于气液平衡饱和状态的制冷剂，两者并不相通。感温包内的制冷剂一般是绑在蒸发器出气管上，与管子紧密接触以感受蒸发器出口的蒸气温度，由于它内部的制冷剂是饱和的，所以就根据温度传递温度下饱和状态的压力给阀体。平衡管的一端接在蒸发器出口稍远离感温包的位置，通过毛细管直接与阀体连接。平衡管的作用是传递蒸发器出口的实际压力给阀体。阀体内有二膜片，膜片在压力作用下向上移动使通过膨胀阀的制冷剂流量减小，在动态中寻求平衡。

蒸发器

蒸发器是实现从空气中吸收热能最关键的部件。制冷剂经过膨胀阀的节流、降压，喷出后的温度很低，在经过蒸发器的时候制冷剂就通过铜管和翅片吸收空气中的热量，带着这些吸收来的热量，制冷剂又进入压缩机进行下一次的循环。蒸发器主要是翅片式的，属于干式蒸发器。蒸发器使用的翅片形式有平片、波纹、百叶窗和桥片，不同的形式换热能力也不一样，换热能力越强风阻越大。不同样式的空气能机组蒸发器的安装位置不一样，一般来说分体空气能热水器的蒸发器安装在主机侧面，而一体机会安装在机组的顶部。

压缩机

在机组运行过程中制冷剂通过蒸发器吸收空气中的低温热量气化后，就要在压缩机的压缩作用下不断增压增温从而产生高温热能来加热水温。

冷凝器

冷凝器的作用刚好与蒸发器相反，在空气能热水器运行过程中，经过蒸发器、压缩机作用而形成的高压高温制冷剂蒸汽会在冷凝器中释放出热量被水吸收，实现蒸汽和水的热交换，水吸收热量后温度上升，而制冷剂在冷凝器中则会从高温高压气态变为高压的液态。

冷凝器有盘管式、板式、套管式和壳管式四种形式。盘管式主要使用在家用产品中，有放在水中传热，也有在水箱内胆外依靠内胆传热；板式冷凝器具有较好的换热性能，因体积小而具有灵活的安装性，但对水质要求高；套管式冷凝器对水质的要求没有板式换热器严格，使用时制冷剂与冷却水完全实现逆流换热，但套管式冷凝器金属消耗量较大；壳管式换热器即是高效换热器，对水质的要求也没有板式换热器严格，使用时制冷剂与冷却水完全实现逆流换热，体积比较小巧，具有明显的优势。

主要分类

根据不同的载热介质，空气能热泵分为空气/空气型热泵和空气/水型热泵。

空气/空气型热泵

空气/空气型热泵是在单冷型的空调器基础上发展的，其作为夏季空调器的功能较好，热泵功能是辅助型的。通常是用四通阀转换夏季空调工况和冬季供热工况，四通阀也可兼用于冬季除霜工况。在该种热泵中，流经室内、室外换热器的介质均为空气。在制热循环时，室外空气流过蒸发器而室内空气流过冷凝器；在制冷循环时，室外空气流过冷凝器而室内空气流过蒸发器。风冷式室内换热是传统设计，但风冷式需要较高的出风温度，风速是按照夏季工况制冷时设计的，而冬天时人们不希望有较大风速，故舒适度相对较差。

空气/空气型热泵结构简单，安装方便。适用于既无热源，又无冷源的小型独立建筑以及白天运行为主的，如办公楼、商场、银行等建筑。对于室外空气温度较低的地区，而建筑物室内空气环境要求高的场合，常用空气源热泵冷热水机组作为夏季供冷，过渡季作为供热设备。

空气/水型热泵

与空气/空气型热泵相同，空气/水型热泵一般也是用四通阀转换夏季空调工况和冬季供热工况，四通阀也可兼用于除霜工况。它们的主要区别是室内换热器，不是风冷式而是循环水式。循环水式是以水为传热介质，冷凝器可在40℃的冷凝温度下，产生35℃的热水，提供给地板采暖，形成从下到上的自然对流，有较好的采暖舒适度，同时也提高了热泵的制热系数。到夏季，将冷水送入室内风机盘管，冷风从上至下，也有较好的舒适度。空气/水型热泵系统出现的较晚，在一定程度上克服了空气/空气型热泵的缺点，比较适合冬季供暖的要求。

主要特点

优点

空气能热泵作为一种高效环保的能源利用技术，具有以下特点和优势：

缺点

热泵使用过程结霜现象时有发生，是影响空气能热泵制热性能的重要因素。当环境温度降低时，热泵系统的蒸发温度也逐渐降低，当蒸发器表面温度降低到0℃时，在蒸发器表面便形成结霜。随着结霜层的不断加厚，蒸发器有效流通面积减小，降低了通过蒸发器表面的空气流量，影响了热量的传输过程，使系统效能下降。在结霜情况下，不仅影响系统效率，还可能导致液态的冷媒进入压缩机给设备造成损害。

产品应用

农业

在农业上，传统粮食烘干机的热源大部分为煤和稻壳，燃烧后污染很大。若改用天然气或商品蒸汽作为烘干热源，则会增加粮食烘干的成本，且很多发展农业的地区不具备这种条件，局限性很大，而空气能热泵能够很好地解决以上问题。在烘干领域中，空气能热泵机组具有运行成本低、能源清洁、可设计增加预热回收装置、烘干效果好、效率高和安装简单等特点。但是，空气能热泵设备前期投入较大，而且粮食烘干粉尘较多，还容易受到结霜问题的影响。

工商业

在工商业领域中，空气能热泵已经从实验室逐渐走向市场，研究人员设计出了太阳能辅助空气能热泵（Solar Assisted Heat Pump，SAHP）系统。SAHP系统能够将太阳能集热器与空气能热泵耦合成一个集成系统，但是夏季制冷效率较低，多用于冬季制热。因此，研究人员针对夏季制冷不足的问题，提出了正压均流太阳能辅助空气能热泵系统来实现夏季高效制冷。除此之外，空气能热泵还是代替燃油加热炉，是改进油田燃油加热炉技术的有效措施之一。使用空气能热泵可以很好地解决排放问题。

建筑

在建筑领域，相变储能双源热泵源耦合系统主要用来为建筑供暖。此系统主要由土壤源热泵、空气能热泵、光伏热（Photo Voltaic Thermal，PVT）空腔和相变储能系统组成。该系统能够通过相变储能水箱及控制系统切换工作模式。当空腔温度适宜时，开启热泵空气能模式，将热量储存在相变储能水箱中；当空腔温度不足时，将能量释放。能源的组合储存利用有效提高了能源使用率，改善了时间上的不连续性，为机组与供暖用户之间起到了很好地缓冲作用，而且可以通过储热缓解寒冷天气供热不足的情况。

生活

随着空气能热泵的发展，越来越多的热泵被应用到日常生活中，如为居民取暖和制成热水器。由于影响空气能热泵性能的主要因素为冷凝温度，冷凝温度越低越机组的运行效率更高，而冷凝温度和采暖末端相关，因此热泵取暖系统的理想末端为地暖等低温末端。目前，空气能热泵在供暖方面联合地板辐射进行供暖已经在青岛某在建公建项目实现，同时有研究人员对气候补偿技术进行研究。除了供暖，空气能热泵还被应用到了热水器上，目前已经有很多研究人员进行了试验。例如：胡韩莹等对外盘管空气能热泵热水器的实验；徐言生等建立了对空气能热泵热水器的热能系数（Coefficient of Performance，COP）随工况变化的动态模型等。

市场情况

研究数据显示，2013年到2022年，空气能热泵行业迎来了三个爆发拐点：2016年中国“煤改电”政策利好下迎来首次爆发，同比增长高达63.4%；2020年，受疫情影响，行业迎来第二次爆发，同比增长30.1%；2022年，受益于欧洲能源危机，空气能热泵行业持续提速，同比增长达到15.2%。

发展趋势

未来发展

随着能源危机、环境污染和气候变化等问题日益凸显，以空气能热泵为主力的清洁能源发展成为了全球关注的热点。截至2023年12月，全球有超过30个国家在通过补贴的方式鼓励推广空气能热泵，包括美国、法国、德国、意大利、荷兰、西班牙等。其中，德国在9月初通过的“供暖法案”中明确规定，自2024年起，将逐步淘汰传统的壁挂炉和锅炉作为供暖方式。该法案还明确要求，新安装的供暖系统必须使用至少65%的可再生能源，如热泵或生物质锅炉。鉴于热泵利用清洁电力，供热效率更高，且具备环保和经济双重优势，德国政府期望将热泵打造为主要的供热系统。为此，德国计划从2024年起，每年新增安装50万台热泵，并预计在2030年使市场保有量达到600万台。由此可见，在全球能源转型的大背景下，多国都在积极推广空气能热泵，这一趋势预示着市场将逐渐摆脱对天然气的依赖，空气能热泵市场迎来了黄金发展期。

面临的问题

空气能热泵主要采取的控制方式为本地监控，制水温度由人工设定为某一固定值，系统的制热效率没有最优化，运行过程造成电能的浪费。由于环境温度复杂多变以及用户需求的不确定性，和系统匹配的最优制水温度是一个复杂的、时变的参数，若要实现系统高效的运行必须为系统引入高效的控制程序。空气能热泵在结霜的工况运行时，影响的主要因素为环境温度，系统需根据实际情况做出判断。当结霜很薄或没有结霜时，系统误判进行结霜操作，不仅影响系统的制热性能，造成电能的浪费，还有可能造成设备的过热。当结霜很厚时，系统没有启动结霜操作，将导致系统性能迅速下降，甚至丧失制热性能。建立良好的除霜策略和控制手段对提高空气能热泵效能具有重要的意义。

参考资料

空气能热泵工作原理解析.百家号.2024-03-06

科普:空气能热泵的“四大件”.ne01.2024-03-07

空气能热泵:全球清洁能源高速发展的新引擎 第A7版:能源·化工·材料 20231219期 中国工业报.zggyb.2024-03-06

科普热泵常识:揭秘空气能“四大件”之蒸发器.ne01.2024-03-07

科普:揭秘空气能“四大件”之压缩机.ne01.2024-03-07

科普:空气能热泵“四大件”之冷凝器.ne01.2024-03-07