空氣源熱泵的發展及現狀分析

李素花，代寶民，馬一太*

（1天津中冷大地能源設備工程有限公司，天津 300131；2-天津大學，天津 300072）

空氣源熱泵的發展及現狀分析

李素花1，代寶民2，馬一太*2

（1天津中冷大地能源設備工程有限公司，天津 300131；2-天津大學，天津 300072）

本文簡述空氣源熱泵的歷史，分析空氣-空氣和空氣-水兩種空氣源熱泵的優缺點。文章從理論上分析空氣-水熱泵采暖的可行性，并有產品數據比較。作者認為在我國夏熱冬冷地區和北方寒冷地區的南部，空氣源熱泵可以取代鍋爐為主的采暖方式，達到節能和環保的雙重目的。

空氣源熱泵；空氣-空氣熱泵；空氣-水熱泵

0 引言

熱泵和制冷機在原理上同屬于熱力學逆循環。1824年，卡諾確立了卡諾循環原理，熱泵供熱的理論就基本確立了。從制冷歷史的技術發展來講，人們首先開發了各種制冷產品，熱泵技術的發展是后來的事。上世紀50年代，美國已經批量生產空氣源熱泵，到上世紀80年代，日本已經大規模生產各種空氣源熱泵式空調器。我國在改革開放以后，以引進日本技術和生產線為基礎，房間空調器發展非常迅速：起初是以單冷式空調器為主，到90年代，各種熱泵式空調器在中國的產量增加很快；進入21世紀以來，有熱泵功能的房間空調器在我國市場占約70%的份額[1]。

中國熱泵節能技術的先驅，我的導師呂燦仁教授在上個世紀五十上年代就說過：我國是大陸性氣候，與全球同緯度國家相比，冬天的溫度低，夏天的溫度高，需要用熱泵技術解決[2]。由于經濟條件和技術水平的制約，熱泵技術在我國發展的比較緩慢。直到上個世紀八十年代，我們還在統計一個經驗數據，即煤電比——1噸煤和1 kWh電的比價，為熱泵技術應用節能又節錢的臨界點，要達到400:1。很長時間我國的煤價很低，1噸煤從幾元到幾十元，而1 kWh電價從兩角多錢開始，煤電比最多也就是200:1，熱泵應用沒有經濟效益。到了上世紀九十年代，情況有了改變，煤價上升的很快，直到數百元一噸，電價最多漲了一倍多。今天這個煤電比差不多是1000:1了，所以熱泵技術大行其道。

近年來，隨著我國人民居住條件的改善，對生活熱水的需求量迅速上升。環境保護意識的增強，促進了空氣源熱泵熱水器的發展。這種以生產55℃生活熱水為目的的產品，在我國廣東、浙江一帶發展很快，并且有逐漸向北方發展的趨勢。隨著南方冬季采暖問題的提出，有的廠家開始研究和生產在冬季用于房間采暖的空氣源熱泵熱水系統。而這一趨勢，也在影響著華北寒冷地區的冬季采暖。

需要注意的是，夏熱冬冷地區的夏季空調期較長，冬季供暖用熱泵還兼有夏季空調制冷的功能，因此在工作性能方面，要有很高的要求。本文暫不討論相關夏季空調的性能要求。即便在冬季供暖時，由于環境溫度、濕度的變化，也可能由于房間使用情況的變化，一方面提供給房間的熱量是變化的，熱泵要有變容量的性能；另一方面環境溫度可以從0℃以上，變化到零下幾℃甚至更低，要應對極端惡劣天氣，熱泵應有良好的變工況性能。對這樣變容量、變工況的“雙變”性能，只有在壓縮機可變速、可變壓縮比，節流閥可大范圍調節流量，換熱器配置的風機、水泵可變流量的前提下可實現。由于環境溫度隨時間變化也是一種波，可分解為不同的振幅和頻率，可以適應環境變化的熱泵我們稱之具有“廣譜”性能。

1 空氣源熱泵的主要分類

1.1 空氣-空氣型空氣源熱泵

空氣-空氣型空氣源熱泵原理圖見圖1。它是在單冷型的空調器基礎上發展的，一般來說，其作為夏季空調器的功能較好，熱泵功能是輔助型的。通常是用用四通閥轉換夏季空調工況和冬季供熱工況，四通閥也可兼用于冬季除霜工況。風冷式室內換熱是傳統設計，但風冷式需要較高的出風溫度，風速是按照夏季工況制冷時設計的，冬天時人們不希望有較大風速（舒適度較差）。

空氣-空氣型熱泵最大的優點就是結構簡單，安裝方便。從原理上講，空氣-空氣系統適于夏季空調，而不適合冬季供熱。傳統設計這種熱泵有著如下的缺點。

1）溫度稍低，有的熱泵就停機了，有的熱泵雖然可工作，但吹出來的是“涼風”。原因在于早年生產的熱泵式空調器，是定頻壓縮機、毛細管控制制冷劑流量，尤其是壓縮機只允許在很窄的蒸發溫度范圍內工作，不適合較低溫度。即使能工作，因隨蒸發溫度的下降，冷凝溫度也隨之下降，制熱量迅速減少，在風速的作用下，使人感覺是“涼風”。這使得配置了熱泵型空調器的用戶，到了冬季不到萬不得己，并不開啟熱泵。如果冬季溫度偏低，許多熱泵不能正常運轉。

2）即使吹出的是熱風，但吹風感太強，不舒服。人們習慣于“涼風習習”，因為流動的空氣在夏天可帶走體表的水份。到冬天風速稍大，就有涼風感，而由于熱空氣的密度較小，空調室內機往往位置較高，為達到送風的效果，這個風速通常都比較大。

3）由于供熱溫度較高，使用熱泵的房間明顯干燥，特別是夏熱冬冷地區居民習慣的室外高濕度反差太大。

4）濕度大時頻繁除霜，導致室內溫度波動，而且空氣-空氣型熱泵的室內換熱器在除霜時有明顯的噪聲，包括制冷劑流動的聲音和換熱器因熱脹冷縮的“咔咔”聲，尤其夜深人靜時為甚，嚴重影響睡眠等等。

圖1 空氣-空氣型空氣源熱泵

1.2 空氣-水型空氣源熱泵

空氣-水型空氣源熱泵原理圖見圖2。與空氣-空氣型熱泵相同，空氣-水型熱泵一般也是用四通閥轉換夏季空調工況和冬季供熱工況，四通閥也可兼用于除霜工況。它們的主要區別是室內換熱器，不是風冷式而是循環水式。循環水式是以水為傳熱介質，可降低冷凝溫度，采用水冷的冷凝器，可在40℃的冷凝溫度下，產生35℃的熱水，提供給地板采暖，形成從下到上的自然對流，可有較好的采暖舒適度，也提高熱泵的制熱系數。到夏季，用冷水進入室內風機盤管，冷風從上至下，也有較好的舒適度。

空氣-水系統出現的較晚，它在一定程度上克服了空氣-空氣型熱泵的缺點，比較適合冬季供暖的要求，如果設計得當，這種熱泵有著如下的優點。

1）因配備了變速壓縮機和電子膨脹閥，使熱泵具有“廣譜”性能。室外溫度低時仍能工作，并通過提高壓縮機的轉速，適當增加輸出的熱量。

2）因為采用地板散熱，沒有吹風感。35℃的熱水進入地板散熱系統，房間可達到22℃，也不感到干燥。

3）濕度大時同空氣-空氣熱泵一樣需要頻繁除霜。由于有一個比較大的水箱作為蓄熱裝置，除霜需要的熱量取自水箱，不會導致室內溫度波動。也沒有空氣-空氣型熱泵的室內換熱器在除霜時的噪聲等等。

4）今后我國可能采用R32或R290等工質用于民用或商業制冷空調產品，在蒸發器中直接膨脹吸熱，但由于R32和R290的可燃性帶來的安全隱患不可避免。水冷系統以水作為載冷劑傳輸冷熱量，可以避免工質直接進入生活區，提高系統安全性。

圖2 空氣-水熱泵流程圖 (冬季工況)

2 空氣源熱泵的工作地區、工作溫度和工質

由圖3中國建筑氣候區劃圖可見，大致在我國中部往東，從北緯40度往南，包括北京、天津、河北、山東、山西、河南大部分地區，到北緯34度線，屬于寒冷地區。北緯34度線再往南，至北緯24度，包括上海、江蘇、浙江、江西、湖北、湖南、重慶、四川等地，屬夏熱冬冷地區。有關這些地區氣候的詳細數據不多說了，因為各地的氣候特點，并非都可用大的分區而整齊劃一。比如河北省北部，與江蘇省北部同屬寒冷地區，其冬季的采暖周期和室外最低溫度也有很大差別。

從氣候學上講，連續5天的平均溫度低于10℃就進入冬季。夏熱冬冷地區，冬季可能兩到三個月，冬季環境溫度大多在-5℃之上。在這個溫度范圍內，如果設計熱泵的蒸發溫度為0℃～-15℃，冷凝溫度為40℃，使水一側達到35℃對房間供熱，這是可行的。寒冷地區冬季三到四個月，最低降溫可能到-15℃，大部分時間處于-5℃左右。所以計算了-30℃～10℃這個范圍。相應的冷凝溫度，則一律取40℃。下面要通過不同的技術分析這兩個區域的熱泵性能。

圖3 中國建筑氣候區劃圖

其次是對工質的選擇。本來R22是各種民用和商用熱泵的主要工質，根據《蒙特利爾議定書》的要求，從2013年開始，R22開始凍結并逐年消減。未來生產的空氣源熱泵，不能用R22，可采用的工質有R410A和R134a，可能的替代物是R32和R290[3-6]。所有計算都用這5種工質，對于國外推出的R1234系列工質，暫不予分析。

目前R32和R290這2種替代物的相關研究工作都在進行[3-6]。R32屬微燃特性的物質，R290是強可燃性的物質。如果采用空氣-空氣型系統，室內換熱器位于人們居住和生活區域，萬一發生工質泄漏，有可燃性的工質在防火安全方面存在隱患。如果采用空氣-水型系統，水冷換熱器可適當隔離可燃工質因泄漏進入房間，這也是本文強調的空氣-水型系統的關鍵所在。表1是本文涉及的幾種工質性能參數。

3 空氣源熱泵的理論分析

考慮普通居民的房間面積，在40℃的冷凝溫度下，蒸發溫度從-15℃到0℃，熱泵消耗的功率為2 kW左右，根據不同的制熱系數，應該有數kW的制熱量。本著這個原則，選用全封閉直流變速轉子式壓縮機，R410A為參考工質，室外是銅管翅片式換熱器，風機可調速，室內是盤管水箱式換熱器，終端是地板采暖。考慮壓縮機的效率等因素，做了理論計算。

表1 幾種R22制冷劑替代物主要性能比較

考慮地板散熱熱水溫度為35℃，在40℃的冷凝溫度下，蒸發溫度從-30℃到10℃，分別計算在相同壓縮機容量下的單級壓縮熱泵系統的制熱量、壓縮功、制熱系數、壓縮比和壓縮機的排氣溫度，分別見圖4～圖8。

3.1 單級制熱量、壓縮功和制熱COP隨蒸發溫度的變化

從圖4看，蒸發溫度在-30℃～10℃范圍內時，在同樣的吸氣容積下，不同工質的定頻熱泵制熱量有很大不同，以R32的制熱量最大，R410A其次，往下是R22，R290和R134a。在蒸發溫度為0℃時，從最高制熱量的R32開始，依次分別為9.07 kW、8.35 kW、5.60 kW、4.82 kW和3.46 kW，它們的相對比例為109%、100%、67%、58%和41%。若以蒸發溫度0℃時為參考值，蒸發溫度從0℃到-15℃時，各種工質制熱量變化從100%到54%～61%左右，而此時因環境溫度的下降，房間的需熱量可能有2倍左右的變化。因此，越在低溫時，熱泵應該可提供更多的熱量，對定頻壓縮機來說，理論上可以用增加壓縮機的數量來解決，這并不現實，自從有了變頻技術，這個問題已經基本解決。

從圖5可見，各種工質壓縮機的功率也是R32最高R134a最低，排序不變。而且當熱泵的蒸發溫度范圍為-15℃～0℃時，壓縮機的耗功變化并不大，從100%變化到大約85%～90%。如果在低環境溫度時采用變頻技術解決供熱量不足的問題，壓縮機的功耗可能要比正常功率增加2～3倍，這對變頻電機的設計是個挑戰，特別是壓縮機電機的散熱問題。

圖4 單級制熱量Q隨蒸發溫度TE的變化

圖5 單級壓縮功Wcom隨蒸發溫度TE的變化

從圖6可以看出，不同工質在蒸發溫度改變時，制熱系統COP變化規律相似，數據也很相近。附帶說明一下，計算表明R22的COP較高，R410A的COP約低5%～10%，這是用簡單循環計算的結果。如果用“當量冷凝溫度法”計算，其差別就很小了。當蒸發溫度為0℃時，COP為3.46左右，節能效果最好；當蒸發溫度為-5℃時，COP為3，節能效果也很好；當蒸發溫度為-10℃時，COP為2.6，與燃料燃燒的效率基本相當，但有良好的環境特性；當蒸發溫度為-15℃時，COP為2.28，這時比直接燃燒燃料的效率稍低，但比電加熱的效率高128%。順便說明，當蒸發溫度為-30℃時，熱泵的制熱系數約為1.5，這時一次能源利用率就不如直接燃燒燃料，而且熱泵的制熱量僅相當于0℃蒸發溫度時的1/3。而這時需要的熱量可能是0℃時的3倍。這樣大幅度采用變頻技術調節容量，已基本不可能。

圖6 單級制熱COP隨蒸發溫度TE的變化

3.2 單級壓縮比隨蒸發溫度的變化

圖7給出了蒸發溫度從-30℃到10℃變化時理論壓縮比的變化。在同樣的蒸發溫度范圍內，壓縮比最大的是R134a，其次是R22、R32和R410A，最小的是R290。當蒸發溫度為0℃時，各種工質的壓縮比在3～3.5范圍內；當蒸發溫度為-15℃時，各種工質的壓縮比在5～6范圍內，這對于壓縮機的性能提出可變壓縮比的要求；當蒸發溫度為-30℃時，各種工質的壓縮比范圍為8～12，即使有這樣大幅度改變壓縮比的壓縮機，也很難兼顧。

3.3 單級壓縮機排氣溫度隨蒸發溫度的變化

圖8是壓縮機排氣溫度隨蒸發溫度的變化關系。壓縮機的排氣溫度受工質的特性和循環的參數影響。首先，不同工質的排氣溫度有很大的不同，也有很大改變。以R32最高，其次是R22、R410A和R134a，R290最低。而蒸發溫度越低，排氣溫度越高。在蒸發溫度為-15℃時，R32的排氣溫度可達112℃（因理論計算忽略很多因素，實際情況可能更高），而R290只有63.5℃。在蒸發溫度為-30℃時，R32的排氣溫度可達140℃，而R290為72℃。

R32的高排氣溫度，需要在壓縮機上采取噴液措施，或采用抗高溫的潤滑油。

圖7 單級壓縮比ε隨蒸發溫度TE的變化

圖8 單級壓縮機排氣溫度Tout隨蒸發溫度TE的變化

4 空氣-水型空氣源熱泵的實際性能

根據國內外四個公司提供的空氣-水熱泵的產品性能數據可知，當室外干球溫度為-15℃至10℃時提供40℃熱水，在不同容量下，以輸入功率不同，做出a、b、c、d四個圖，示于圖9。計算時仍然用本文的程序，將室外干球溫度與蒸發溫度建立一定的關系，采用R410A和R22為工質，用不同圖例表示。由圖可見，在不同的輸入功率下，產品的性能都與理論分析相近。

圖9 不同輸入功率工況下空氣-水熱泵產品的實際性能

5 實際空氣源熱泵使用情況的調查

文獻[7]指出，從2011年初開始，北京市建設工程物資協會組織大專院校、設計科研單位、企業等共同完成了由住房和城鄉建設部立項的“空氣源熱泵、太陽能與低溫熱水地暖組合建筑采暖系統的節能能效研究”科技項目，并于2012年11月26日通過了成果驗收。該課題完成了空氣源熱泵、太陽能與水地暖及生活熱水的不同組合系統技術的優化設計與示范，并在多個工程項目中得到推廣與應用。其中，在北京、秦皇島、青島、上海、重慶和長沙等地的房屋建筑（八項工程）中進行了重點測試，得出了華北、華東、華中等寒冷和冬冷夏熱地區的建筑采暖與供熱能效數據?？諝庠礋岜门c水地暖的組合系統能效比（COP）均超過3.0，具有運行能效高、運行費低的特點。這種系統完全可以滿足華北及周邊寒冷地區，以及華中、華東等冬冷夏熱地區冬季采暖的需求。2013年4月19日，北京市住房和城鄉建設委員會印發了《住宅戶式空氣源熱泵供熱和太陽能生活熱水聯合系統應用技術導則》的通知[8]，對在北京及周邊地區的空氣源供熱做出了較斬規定。

應該指出，空氣源熱泵的推廣應用，在我國剛剛開始。這項技術不單單是生產企業開發新產品，有了“高效節能”桂冠就可一賣了之。如果房間結構不節能，任何高效產品都沒有意義。而建筑結構設計上不僅要有墻體和門窗的保溫，還要考慮與太陽能系統的結合、地板散熱器的設計、水箱的位置等。其次，熱泵產品要有好的可靠性和售后服務。任何瑕疵都會影響熱泵的正常工作，尤其在寒冷季節出現故障，不僅風險極大，也會使熱泵供熱的名聲掃地。

6 結論和建議

本文通過理論分析和初步的調研，得出如下結論和建議：

1) 用本文建議的空氣-水熱泵系統解決我國大部分地區冬季供暖問題是可行的，達到節能和環保的雙重目的可推動我國制冷空調行業進一步發展；

2) 這項工作是包括建筑結構、熱泵產品設計、電網輸配等的系統工程。在南方夏熱冬冷地區推廣這項技術取得成功后，可逐步向北方寒冷地區的南部（如江蘇北部、山東、河南、河北和山西等地）進一步推廣熱泵采暖；

3) 這項技術可以有效改善我國大部分地區居民冬季生活質量，利國利民。

文中的分析計算是理論性的，忽略了許多因素。以上建議難免有不當之處，只是拋磚引玉，歡迎大家提出意見。

致 謝

本文在撰寫過程中，參考了較多的產品樣本，并咨詢過業內多位專家，在此一并表示衷心感謝。

[1] 中華商務網. 世界組合式空調發展地區形勢分析（四）：中國[EB/OL]. http://www1.chinaccm.com/31/3105/3105 01/news/20030127/084013.asp, 2003-1-27.

[2] 呂燦仁. 熱泵與節能[J]. 自然雜志, 1981(4): 426-429.

[3] 孫方田, 馬一太, 李敏霞. 幾種空氣源熱泵熱水器工質的實驗研究[J]. 太陽能學報, 2007, 28(10): 1069-1072.

[4] 饒榮水. 制冷劑R32特性及其用于空氣源熱泵熱水器的理論循環分析[J]. 制冷與空調, 2010, 10(3): 79-84.

[5] 安青松, 馬一太. 空氣源熱泵系統最低工作溫度的研究[J]. 暖通空調, 2007, 37(11): 49-52.

[6] 馬一太, 代寶民. 空氣源熱泵用于房間供暖的分析[J].制冷與空調, 2013, 13(7): 6-11.

[7] 中國建設報. 空氣源熱泵-水地暖系統：一種節能的供暖系統[EB/OL]. http://www.chinajsb.cn/bz/content/201 2-12/20/content_79478.htm, 2012-12-20.

[8] 北京市住房和城鄉建設委員會. 住宅戶式空氣源熱泵供熱和太陽能生活熱水聯合系統應用技術導則[M]. 2013.

Analysis on Development and Status of Air Source Heat Pumps

LI Su-hua1, DAI Bao-min2, MA Yi-tai2
(1-Tianjin Zhongleng Dadi Energy Equipment Engingeering Co. Ltd., Tianjin 300131, China; 2-Tianjin University, Tianjin 300072, China)

The history of air source heat pumps was sketched, and the advantages and disadvantages of the two types of air source heat pumps were analyzed the in this paper, including air-to-air and air-to-water heat pumps. The feasibility analysis in theoretical calculation and practical comparison were made. In order to save energy and protect the environment, it is considered that air source heat pumps will replace boilers for heating system in hot summer and cold winter area, and the south part of cold area in the north of China.

Air source heat pump; Air to air heat pump; Air to water heat pump

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.202

*馬一太（1945-），男，教授，博士。研究方向：制冷與熱泵節能技術。聯系地址：天津市南開區衛津路92號，郵編：300072。聯系電話：022-87401539。Email：ytma@tju.edu.cn。