空气源热泵技术与应用

 空气源热泵原理  

近年来，随着能源结构的变化，清洁能源发电的比例逐年增高，空气源热泵技术是利用空气热能实现供热，空气热能是贮存于大气中的热能，空气热能来源于太阳能，符合国际上对可再生能源的定义。

大家熟悉的空调制冷系统是运用了卡诺循环原理，而空气源热泵是运用逆卡诺循环原理，即用少量能源驱动压缩机，通过热泵系统，工作介质进行相变循环，从自然环境中的低温环境吸收热量，向室内放热，提升室内温度。利用电力使热量从低位热源空气流向高位热源，把不能直接利用的低位热能，比如空气、土壤、水中所含的热量，转化为可以利用的高位热能，这就是“热泵”一词的由来。

空气源热泵系统是以空气作为低温热源，由空气源热泵机组、输配系统和建筑物内系统组成的供热空调系统。该系统既可供冷也可供热，常见的就是家用分体热泵型空调器，冬季可以供暖，夏季可以制冷。 

 空气源热泵机组的分类与选用  

空气源热泵机组分为两大分类，风冷热泵机组与低环境温度空气源热泵机组，它们最大区别在于使用的环境温度的差异。

▲普通热泵系统原理图

风冷热泵机组制热名义工况是7℃，工作状态下环境温度是-7~43℃；低环境温度空气源热泵的制热名义工况是-12℃，工作状态下环境温度是-25~43℃，很明显它们应对低温环境的“本领”是不同的，反过来，它们的制冷“本领”也是不同的。

风冷热泵机与多种单元式空气调节机组合，形成了现在我们常用的“一体机”，比如风冷多联式热泵机组、风管送风式热泵机组、计算机和数据处理机房单元式恒温恒湿空调器，以及屋顶式直膨式空调机组等。过去，风冷热泵机由于冬季制热效果受环境温度影响比较大，虽然说可以一机冬夏两用，但是当环境温度低于0℃时，制热量衰减较大，低于名义制热量较多，限制了这种空调方式的使用范围。

▲带喷气增焓的热泵系统原理图

近些年，随着技术革新，特别是喷气增焓技术在低环境温度空气源热泵机组上的应用，在传统空调的核心四大件“压缩机、冷凝器、节流部件、蒸发器”基础上，又增加中间经济器或闪蒸器来给“喷气增焓”压缩机提供低温低压的冷媒“喷气”，冬季制热效果有显著改善，正常工作工况低至-12℃，使空气源热泵系统可以在严寒和寒冷地区的民用和工业项目中得到广泛使用。

▲喷气增焓技术的压焓图

简而言之，低环境温度空气源热泵（简称低温热泵）适合于低环境温度的场景，风冷热泵适合于常温的场景。

设计师在设计选型时要根据设计项目使用要求、空调系统类型等多方面，选用最适合该项目的设备。比如对于我们最常见的房间空调器来讲，就分为单冷式房间空调器、热泵型房间空气器、低环境温度空气源热泵热风机。

▲持续发热的设备用房适合单冷式空调器 ©瀚联设计

单冷式空调器适用于仅需要制冷而无需制热的环境，比如计算机房、变压器室等，设备运行持续发热，必须制冷降温，否则机房温度过高，设备运行会出现故障。

热泵型空气器则是用在夏季需要制冷降温、冬季需要供暖的有双向需求的房间，低环境温度空气源热泵热风机则是用在冬季室外温度-5℃以下且持续时间长的场所。在夏热冬冷地区，冬季室外温度一般在0℃以上，热泵型空调器偏重制冷，可以兼顾制热。

▼热泵型空调器偏重制冷 ©瀚联设计

低环境温度空气源热泵热风机制冷效率低些，但在冬季即使-15℃以下，制热效率衰减也比较少，适用于寒冷地区或者偏重于冬季制热、夏季冷负荷较低的场所。正因为这些差别，设计选用时，要根据使用特点，选用相应的设备。

低环境温度空气源热泵热风机偏重冬季制热 ©瀚联设计▼

冬季采用风冷热泵热风机供暖的缺点是室内比较干燥，因为供暖需求，加热后的出风温度比较高，在焓湿图上是“沿等湿线加热”过程，相对湿度锐减，室内送风状态点的相对湿度在25%以下。解决的方法是，有集中新风供应的系统，新风机增设加湿段，改善新风的湿度，提高室内相对湿度；没有集中新风系统，可在房间内放置加湿器，提高室内相对湿度。

风冷热泵热风机用于供暖时存在的这个缺点，催生了“热泵机组+循环水泵”供暖的方式。风冷热泵机组采用风冷冷凝器，而蒸发器是水冷的，夏天制冷时提供冷水，冬季制热时提供热水。装在室内的空调系统的末端装置采用地板辐射供暖盘管。（注：此时室内末端系统也可以采用风机盘管，但干燥的问题依然明显；而且此时风机盘管的供回水温度和温差非额定工况，风机盘管选型时应注意修正制热量。）

▲“热泵机组+循环水泵”供暖的方式

风冷热泵的供、回水温度一般是45~40℃，温差5℃，这个供水温度与低温热水地板辐射供水温度非常接近，这种供暖形式下，房间内的温度梯度由下至上温度递减，俗称“脚热头冷”，符合人体要求。地表面温度在25~27℃，这种温度下辐射供暖对湿度的影响较强制对流热风供暖对湿度的影响要明显减弱，提升了舒适度，被越来越多的用户接受，尤其在夏热冬冷地区，因为没有集中供暖系统，户内装修越来越多采用。地暖系统具有一定的蓄热能力，能有效抵消风冷热泵在极端天气时的制热功率波动（化霜停机期间，无法供热），热稳定性好。在进行设计时应该注意，风冷热泵设备提供的供回水温差一般是5℃，不同于《辐射供暖供冷技术规程》推荐的10℃温差，提供同样热量，水量要增加一倍，会对水力平衡计算影响比较大。

国家标准《低环境温度空气源（冷水）机组》GB/T25127-1规定了低温热泵对应不同末端装置的名义出水温度，即地板辐射型35℃、风机盘管型41℃、散热器型50℃，随着出水温度温度升高，制热效率呈下降趋势。目前市场设备供水温度可以到55℃，也有很少的机型出水温度达到60℃。现在使用空气源热泵机组制备生活热水已经非常常见，某些地区允许在太阳能热水器不能安装的情况下，允许安装空气源热泵机组作为替代。但是如果空气源热泵的出水温度低于规范要求时，一定要采取其他辅助措施，比如《综合医院建筑设计规范》规定综合医院生活热水系统的出水温度不应低于60℃，所以确定使用空气源热泵机组制备生活热水这个方案前，要确定是否有容量匹配的机型，或经技术经济比较，确定采取电辅加热是否合理。

选用空气源热泵的注意要点

空气源热泵供暖常见三种模式，除了前面提到的室内侧做风机盘管和地板辐射供热盘管两种形式外，室内侧也可以使用散热器供暖。风机盘管供热，属于强制换热，升温快，但室内干燥，并且有轻微噪声，散热器供暖是属于对流换热，升温比较慢，散热器表面平均温度越高，对流换热效果越好，因此当末端设备选用散热器供暖时，要选用低温热泵机组，不宜选用风冷热泵机组。

▲低温热泵供暖的使用场景

近些年，随着生活水平提高，低温供暖成为趋势，因为低温供暖提供的室内居住环境更舒适，规范上散热器供暖系统的供回水温度的也从二十多年前的95～70℃，降到75～50℃；同时，由于围护结构保温性能越来越好，围护结构的热负荷大幅降低，因此可以采用50～45℃热水进行散热器采暖，缺点是升温比较慢。确定散热器片数时，要注意计算设计工况下散热器的实际散热量；供暖系统形式尽量采用双管系统，不宜采用单管跨越式系统。如果采用跨越式系统，串联的组数要控制在6组以内，否则回水温度过低，末端散热器片数过多。从水力平衡计算的角度来分析，双管系统选用两通恒温阀，水阻力计算工作量也要明显低于使用带旁通的三通恒温阀的阻力计算。

空气源热泵机组，顾名思义，是利用风扇的强制对流作用，实现空气与冷凝器之间的热交换，因此压缩机、风扇以及水泵运行产生的热污染和噪声，就成为被诟病的主要原因，因此选用高效、低噪的机组的同时，还必须寻找机组布置在周围环境影响最小的位置，保证热量有效扩散和噪声自然衰减，否则难逃运行之后被用户投诉的“厄运”。

公共场所的室外机尽量集中放置在远离人们的窗口和疏散通道的地方，与设备基础连接部采取减震措施，必要时还可以设隔声罩或隔声间。循环水泵进出口处设软接头，可以隔断水泵振动的传播，另外选用合适的水泵减震基础，也是降噪减震的必要手段之一。

另外确定室外位置时，还需考虑设备主要是用于供暖、供冷还是冷暖兼供，以达到效率最大化。以供暖或供热水为主的，建议在阳面，反之以供冷为主，建议设在阴面。比如北方冬季有集中供暖，所以供暖需求一般是在过渡季节，室外温度在0℃以上，而阴面夏季温度明显低于阳面，所以首选阴面位置。如果是冷媒系统非水系统，还应考虑室外机的适度超配；室内侧是使用循环水时，则应考虑室内机同开率对室外机影响。

空气源热泵的室内用户侧有多种形式的末端装置，它们布置的位置也是非常重要的，直接影响舒适感。如果选用室内壁挂机或风机盘管，切忌将室内机或风机盘管设在床头对面的墙上；净高比较低的房间不要用条形风口顶送风，建议选用侧送风的方式，或者选用扩散性能好的方形散流器送风，做好室内气流组织，不要有通风“死角”。以供暖为主的风机盘管末端，可选上部设置（顶挂式），也可以选下部设置（落地式），建议采用下部设置。

公共场所同一房间设计采用多台室内机时，除要求冷热量满足额定工况外，还应该考虑灵活应对部分负荷运行，室内机噪声的叠加对环境的影响等诸多因素。

作为可再生能源“家族”的新成员，空气源热泵系统较其他供暖空调系统而言，既有其优势又有其局限性，作为设计师，一定要从环保、节能、可靠、舒适等多方面衡量和构筑系统，让系统更好地为用户服务。

记得江亿院士说过：热泵是电力高效转为热量的最佳途径，也契合终端用能电气化发展的要求。在有合适的低位热源的条件下，使用热泵替代燃煤、燃油锅炉来提供热量，并且与光伏发电、太阳能技术结合，为建筑供热、提供生活热水，减少化石燃料的消耗，热泵技术将是未来实现我国碳中和目标的重要技术之一。与此同时，未来电力更多来自风电、水电、光电，随着新型电力系统实现零碳化，热泵适用范围还将不断扩大。

热泵将是破解零碳能源的重要基础，发展电动热泵对于能源革命，实现双碳具有重大意义。