空氣源熱泵空調技術應用現狀及發展前景

陳健勇，李浩，陳穎，趙軍

（1.廣東工業大學材料與能源學院，廣州510006；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京100013；3.天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津300350）

0 引言

在全球范圍內，建筑消耗約40%的一次能源，排放約30%的溫室氣體［1］。住宅和公共建筑供暖及制冷設備的覆蓋率逐年提高，能耗不斷提高。目前我國制冷制熱用電量占全社會用電總量的15%以上且年均增長速度接近20%，主要產品節能空間達30%～50%［2］。2019 年我國發布了《綠色高效制冷行動方案》，提出了綠色高效制冷產品市場占有率提高40%且能效提升30%以上的目標，對熱泵空調設備提出了更高的要求。2020 年提出的“碳達峰、碳中和”目標，定調了國家綠色低碳的高質量發展方向，熱泵空調行業迎來了新的機遇與挑戰。

空氣源熱泵空調以消耗少量電能為代價，將室外環境空氣中低溫熱源的熱能轉變為高溫熱源，達到對室內空氣進行調節的目的。與其他的供暖裝置相比，空氣源熱泵空調具有高效節能、綠色環保、安裝靈活、使用方便等優點，適用于分戶安裝。1981 年在內羅畢召開的“新能源和可再生能源”國際會議上，首次明確了可再生能源的定義［3］。歐盟2009 年發布可再生能源指令，將“空氣熱能”定義為“環境空氣中存在的能量”并將其納入可再生能源范疇［4］。2018 年全球熱泵總銷量約300 萬臺，其中歐洲市場和美國市場基本呈現穩步增長的趨勢，絕大部分歐洲國家都出臺了相應的補貼政策［5］。2015年11 月25 日，我國住房和城鄉建設部科技發展促進中心發布了《空氣熱能納入可再生能源范疇的指導手冊》。在中國“煤改清潔能源”等項目的推動下，空氣源熱泵空調迎來了高速發展，2013—2020年，空氣源熱泵空調市場規模增加了2 倍［6］。除了冷暖制備產品，空氣源熱泵烘干機和熱水器等產品也逐漸占據市場份額?？諝庠礋岜每照{在夏熱冬冷氣候區、寒冷氣候區、夏熱冬暖及溫和氣候區節能潛力共計1 620 萬t 標準煤/a，而在北方及長江中下游地區的節能潛力共計4 097 萬t標準煤/a［6］。

在新形勢下，高效環保的空氣源熱泵空調對節能減排減碳具有重要價值和現實意義。本文從空氣源熱泵空調研究進展、典型應用、挑戰和發展這幾方面對近年來相關技術進行分析，探討空氣源熱泵空調的優缺點，總結空氣源熱泵空調的節能減排潛力，為行業技術人員和學者提供參考。

1 空氣源熱泵空調的研究現狀

1.1 循環構建

空氣源熱泵空調兼具冬季供暖熱泵和夏季空調制冷的功能，冬季供暖時環境溫度可以從0 ℃以上變化到-15 ℃甚至更低，要應對極端惡劣天氣，熱泵需要有良好的低溫運行性能。為提高空氣源熱泵空調的低溫適應性和經濟性，學者們對單級壓縮熱泵循環進行改進，提出了準二級壓縮熱泵循環、雙級壓縮熱泵循環、復疊式熱泵循環、多源耦合熱泵循環及空氣源熱泵空調-蓄熱/冷系統等。

1.1.1 準二級壓縮熱泵循環

準二級壓縮循環的核心是中間補氣技術，以補氣壓縮機為基礎，通過中間壓力吸氣口吸入一部分中間壓力的制冷劑，與部分已壓縮的制冷劑混合再壓縮，增加冷凝器中制冷劑的流量，提升制熱能力。根據經濟器類型可將準二級壓縮熱泵循環分為過冷器循環和閃發器循環，如圖1 所示。由于閃發器循環的中間補氣狀態相較過冷器循環更接近飽和氣態，能夠進一步降低壓縮機的排氣溫度，因此可獲得更好的循環性能系數（COP）［7］。

圖1 準二級壓縮熱泵循環Fig.1 Cycle of a quasi-two-stage compression heat pump

石文星［8］認為中間補氣技術可使熱泵系統制熱量增加30%以上，COP 提高10%以上。申江等［9］通過試驗發現閃蒸器系統在-15～-10 ℃的低溫環境下仍有較高的制熱能力和供暖效率，能夠滿足寒冷地區冬季的制熱需求，而且隨著室外溫度的降低，準二級壓縮系統的優勢愈發明顯。Heo 等［7］對一種帶有閃蒸罐的準二級壓縮空氣源熱泵空調進行研究，研究結果表明中間補氣量越多，熱泵的制熱能力越好，但閃蒸罐的工作效率會隨之降低。馬國遠等［10］發現中間補氣技術能夠提高系統的COP，但隨著蒸發溫度的提高，補氣效果會減弱，當蒸發溫度高于-10 ℃時，中間補氣的效果可忽略不計。張劍飛等［11］將帶過冷器的準二級壓縮熱泵與單級熱泵性能進行了對比，對比結果表明當蒸發溫度從-5 ℃降低至-20 ℃時，準二級熱泵的制熱量增加15%～30%，COP 提高9%～19%，耗功僅上升約10%。艾凇卉等［12］通過測試總結出中間補氣的準雙級壓縮熱泵是優良的低溫熱泵，其實測性能良好、運行可靠。因此，準二級熱泵適用于低蒸發溫度、大壓縮比的場合，可在北方嚴寒地區室外溫度低于-25 ℃的環境下運行，但不能根本解決壓縮機壓比過大、排氣溫度高等問題，且隨著蒸發溫度的上升，準二級壓縮循環的優勢逐漸變小，目前研究范圍局限在低溫供暖。

1.1.2 雙級壓縮熱泵循環

雙級壓縮熱泵循環將壓縮過程分為2 段：低壓壓縮機先將制冷劑壓縮至中間壓力，經過中間冷卻后再進入高壓壓縮機將制冷劑壓縮至冷凝壓力，最后從壓縮機排氣口排出。雙級壓縮熱泵循環可以分為一級節流中間完全冷卻、一級節流中間不完全冷卻、兩級節流中間完全冷卻和兩級節流中間不完全冷卻，如圖2所示。

圖2 雙級壓縮熱泵循環Fig.2 Cycle of a two-stage compression heat pump

金旭［13］對特定工況下4種雙級壓縮循環分別進行了試驗分析，分析結果表明：盡管中間完全冷卻能夠獲得更低的排氣溫度，但補氣量的增加會使低壓壓縮機的循環量減少，導致整個系統的COP 降低；同時相較于一級節流，兩級節流能夠減少制冷劑在節流過程中的不可逆損失。兩級節流中間不完全冷卻可以作為一種比較理想的循環方式應用在低溫環境下的空氣源熱泵空調系統中，其COP 相對較好，見表1。

表1 雙級壓縮熱泵循環4種循環方式對比Tab.1 Comparison of four circulation modes of the two-stage compression heat pump

雖然雙級壓縮循環能夠降低各級壓縮的壓比以及壓縮機排氣溫度，具有更優的COP，但也存在高/低壓級壓縮機回油不均、最佳中間壓力難以確定和溫跨范圍受到限制等問題。

1.1.3 復疊式壓縮熱泵循環

復疊式壓縮循環由低溫級循環和高溫級循環構成，該系統通過蒸發冷凝器將2 個單級壓縮循環聯系起來，利用低溫級循環為高溫級循環創造運行條件，如圖3 所示。王林等［14］提出了一種復疊式熱泵循環，在低溫下可以減小各級壓縮機的壓比，降低壓縮機的排氣溫度，提高空氣源熱泵空調的制熱能力。周亮亮等［15］分別選取R134a 和R410A 作為高、低溫級制冷劑，構建了復疊式空氣源熱泵熱水系統樣機。室外溫度為-25 ℃時能正常制取85 ℃的熱水，同時解決了室外機結霜的問題。復疊式壓縮熱泵系統構建較為復雜，成本過高，夏季難以運行，僅在特定場合使用。

圖3 復疊式熱泵循環Fig.3 Cycle of a cascade heat pump cycle

1.1.4 多源耦合熱泵循環

空氣源熱泵空調在嚴寒地區的應用受到限制，存在低溫適應性差和負荷匹配性問題，而與其他可再生能源熱泵相結合，采用多源耦合的熱泵可彌補單一空氣源熱泵空調的不足，獲得高效復合熱泵系統。

太陽能熱泵系統利用太陽能為蒸發器提供熱源，只能在白天間歇性工作，空氣源-太陽能復合熱泵可持續供熱，實現高效運行。Odeh 等［16］提出了一種太陽能-空氣源雙熱源熱泵系統，如圖4所示。該系統采用雙套管蒸發器，太陽能熱水流經內管，制冷劑在內外管之間的環形通道流動，外管則從空氣中吸收熱量，實現太陽能、空氣熱能與制冷劑同時換熱，該系統的熱效率高于傳統太陽能熱泵系統。馬坤茹等［17］設計了一種新型的太陽能輔助空氣源復合熱泵，在室外溫度為-7 ℃時，復合熱泵較單一空氣源熱泵空調制熱量提高約24%，能效提高25%以上。

圖4 太陽能-空氣源雙熱源熱泵系統Fig.4 Solar-air source heat pump system

地源熱泵將地下淺層土壤的熱能作為熱源，是一種高效、節能的熱泵系統，但長期不間斷運行會導致土壤出現取排熱失衡等問題，空氣源-地源復合熱泵可減小埋管面積，降低成本。周光輝等［18］將傳統的翅片管式換熱器與套管式換熱器相結合，作為空氣-地源雙熱源熱泵系統的復合換熱器，實現了不同熱源在同一換熱器中與制冷劑同時進行換熱。游田等［19］提出了一種耦合空氣源補熱器的地源熱泵系統，如圖5 所示。利用TRNSYS 搭建系統模型，從可靠性、節能性、經濟性3 個方面分析該系統在不同地區的適應性。結果表明，該系統能夠滿足北方地區的供暖、供冷和供生活熱水的需求，且初投資較低，能較好地維持土壤熱平衡，是一種值得推廣的供熱供冷形式。

圖5 新型地源熱泵系統Fig.5 New geothermal heat pump system

水源熱泵需要大量穩定的水資源，地區限制較大且地下水回灌技術不夠成熟，而空氣源-水源復合熱泵可減少這些問題的發生。徐俊芳等［20］對空氣-水雙熱源復合熱泵進行理論性研究，認為當環境溫度較高時，系統采用單一熱源即可實現供暖，當環境溫度降至0 ℃以下時，采用雙熱源比單一空氣源更具優勢。吳曉陽［21］針對船舶特殊的工作環境，設計了一種機艙空氣和海水復合的熱泵系統，如圖6 所示。該系統共有3 種運行模式，可根據實際情況進行選擇，在保證供暖需求的同時可實現較單一熱源熱泵更高的供熱效率，但該系統存在腐蝕、顛簸等問題且初投資較高。

圖6 空氣源-水源復合熱泵Fig.6 Air source-water source composite heat pump

1.1.5 空氣源熱泵空調-蓄熱/冷系統

為保證空氣源熱泵空調系統低溫效率，擴大運行范圍，常結合相變材料蓄熱技術組成空氣源熱泵空調-蓄熱系統。為了解決空氣源熱泵空調結霜問題，通過蓄熱延緩多變的室外空氣造成的空氣源熱泵空調制熱量的變化，平衡熱泵的供熱量與用戶需求，同時調節電力負荷［22］。韓志濤等［23］提出空氣源熱泵空調蓄熱熱氣除霜系統，除霜時間更短，節省了除霜能耗?？諝庠礋岜每照{蓄熱系統的供熱調節主要是將用熱需求低的多余熱量轉移至供熱不足的時間段，可以提高低溫下的制熱量和能效，解決空氣源熱泵空調低溫運行的問題。大型蓄熱式空氣源熱泵空調機組可實現電力調峰，雖然不是從節能角度出發，但通過低谷電價較低的特點實現系統經濟性并提高工程價值［22］。

通過將空氣源與太陽能、地源、水源等可再生能源進行耦合構建多源熱泵系統，提升系統性能?？諝庠?太陽能復合熱泵能夠實現太陽能與空氣熱能的優勢互補，使系統能夠在全年各工況下穩定運行，有效提高了系統的經濟性和節能性；空氣源-地源和空氣源-水源復合熱泵不僅克服了單一空氣源熱泵空調在夏季高溫和冬季低溫環境下換熱量小的缺陷，還可緩解單一空氣源熱泵空調地源或水源熱泵的水泵功耗大、地下水回灌等問題?？諝庠礋岜每照{與相變蓄熱系統結合，在除霜、供熱、熱水器以及電力調峰方面都能起到提高系統運行效率的作用。這些系統通過切換不同模式，實現不同工況下的更優匹配，更加節能環保，具有更廣泛的發展空間。

表2 對比了各種熱泵循環：準二級壓縮循環會在壓縮機偏離設計工況時出現效率下降、制熱/冷量不足的情況；雙級壓縮循環在蒸發溫度較低的工況下，可降低壓縮機的排氣溫度和減少壓縮機的能耗；復疊式熱泵循環能滿足特定的設計工況，同時滿足低蒸發溫度時的蒸發壓力和環境溫度條件下的冷凝壓力，但由于冷凝蒸發器中多了換熱溫差，系統效率相對較低；多源耦合熱泵循環能充分利用各種熱源，克服各種單一熱源熱泵的缺陷，拓寬了熱泵的應用范圍，但部分存在初投資較高的痛點；空氣源熱泵空調-蓄熱/冷系統保證了熱泵在低溫環境下的運行效率且充分利用了峰谷電價，經濟性有所提升。

表2 壓縮熱泵循環系統對比Tab.2 Comparison of the circulation systems of compression heat pumps

1.2 除霜

當冷表面溫度同時低于空氣露點和水的三相點溫度時，水蒸氣極易在冷表面上冷凝或凝華結霜。隨著霜層厚度的不斷增加，空氣側流阻和熱阻不斷變大，換熱器傳熱速率下降，此時，空氣源熱泵空調系統熱效率降低，耗能增加。學者們提出了許多解決方法，見表3。

表3 各種除霜方法的特點Tab.3 Characteristics of various defrosting technologies

除霜方法可分為主動除霜和被動除霜［24］：主動除霜是機組通過四通閥的切換變換蒸發器和冷凝器的位置，利用系統熱量除霜，著眼于系統研究；被動除霜是從觀察霜層生長過程的研究出發,分析總結霜層形成機理，通過改變冷表面特征來抑制或延緩霜的形成，偏向于微觀與幾何方面。目前實際應用中往往使用單一方法除霜，效果有限，應該深入研究不同的主動除霜方法并配合抑制霜層形成的方法，使霜層生長全過程都得到控制，考慮“抑霜為先，除霜為后”，完善評價體系，實現除霜性能和經濟最優化［25］。

1.3 系統控制

在空氣源熱泵空調系統中，通過耦合多種控制部件及控制機制（如控制壓縮機轉速、電子膨脹閥開度及制冷劑循環方向等）來滿足不同需求?，F有的空氣源熱泵空調仍存在寒冷地區供暖舒適性不足、壓縮機頻繁啟停以及除霜等問題，學者們提出了一系列控制策略以提升空氣源熱泵空調的能效，其中研究較多的是除霜控制［26］，見表4。

表4 低溫空氣源熱泵空調現存問題及解決辦法Tab.4 Problems and solutions of the low-temperature air source heat pump air conditioning systems

另外，空氣源熱泵空調的核心目標之一就是在滿足用戶需求的前提下，實現能耗可視化、節能可控化，這對于大型多聯機空調設備、共享辦公空調系統尤為突出。隨著云計算、大數據、邊緣計算、物聯網、人工智能、5G等智能技術的發展，市場上涌現了集中管理、分類統計的各種應用，但實現效果和運行水平有待進一步驗證，中國標準化協會也發布實施了相關標準［27］。

2 空氣源熱泵空調的應用場合及節能減排

2.1 空氣源熱泵空調制冷的應用

2.1.1 汽車空調

汽車空調是指對汽車內空氣的溫度、濕度、流速和清潔度等參數進行調節的裝置，預防或去除風窗玻璃上的霧、霜和冰雪，保證駕駛員和乘客身體健康以及行車安全。傳統燃油汽車空調系統制冷主要采用發動機驅動壓縮機制冷，制熱主要來自發動機余熱。而對于純電動汽車以及燃料電池汽車來說，沒有發動機作為空調壓縮機的動力源，不能利用其余熱，無法直接采用傳統汽車空調系統的解決方案。對于混合動力汽車，發動機的控制方式多樣，空調壓縮機也不能采用發動機直接驅動的方式。汽車空調系統主要由制冷系統、取暖系統、配氣系統和控制電路組成，如圖7所示。

圖7 汽車空調系統Fig.7 Air conditioning systems for vehicles

汽車空調打開時，空調壓縮機的運轉會導致發動機對外輸出功率提高，發動機單位時間內或單位里程內的燃油消耗量也隨之增加。有關數據表明，以私家車為例，2.0 L 排量的發動機，每行駛100 km的空調燃油附加量為3.43 L［28］。目前，大多數電動汽車均采用空調制冷和熱泵式空調或熱敏電阻（PTC）制熱的方式控制車內環境，空調系統消耗的能源在整車能源消耗中的占比約為33%；同時，在滿負荷運轉的情況下，制熱時電動汽車續航里程會降低近50%：因此，節能是新能源電動汽車空調的研究重點［29］。目前針對汽車空調的節能措施見表5。

表5 汽車空調的節能措施Tab.5 Energy-saving approaches for vehicle air conditioners

2.1.2 房間空調

我國是熱泵和空調制造大國，家用空調產量持續占據全球80%以上份額。新國標GB 21455—2019《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》于2020 年7 月1 日正式實施，在原標準（GB 21455—2013）基礎上能效有較大幅度提升，加快了高效節能空調的推廣和產品結構調整。提升房間空調器能效的主要措施包括采用變頻調速、優化冷凝器與蒸發器的強化換熱和流道、提高壓縮機效率、優化設計電子膨脹閥和家用空調器結構參數以及系統參數等。此外，研究人員還提出了一系列新技術：空調熱回收技術，包括空調冷凝熱回收加熱水；空調蓄熱技術，主要對電網削峰平谷，達到節能的目的；新材料研發技術，如采用親水膜鋁箔材料強化換熱以及新型制冷劑等；高效壓縮機，如采用變容量調節壓縮機等［30］。

房間空調附加功能成為當前市場新的突破點，目前附加功能可分為舒適類（濕度控制、風感控制等）、健康類（新風、空氣品質控制、換熱器／過濾網自清潔等）和智能類（遠程控制、智能控制、局部溫控、模式識別、人機交互、智能互聯等）［31］。附加功能的應用提升了用戶的舒適度和使用體驗，為空調器差異化發展提供了充分的空間，不同附加功能對房間空調能耗的影響如圖8所示。

圖8 不同類型附加功能對空調能效的影響Fig.8 Impact of different additional functions on the energy efficiency of air conditioners

2.1.3 多聯機空調

多聯機空調俗稱“一拖多”，是指一臺室外機連接2 臺及以上室內機，通過控制壓縮機的制冷劑循環量和進入室內換熱器的制冷劑流量，實時滿足室內冷、熱負荷要求的高效率制冷劑空調系統，常用于數據機房、商業中心、醫院等功能性場所。其優點為：冷（熱）量直接由制冷劑輸送，不需要風管或水管系統，減少了輸送耗能及載冷劑輸送中的能量損失；冷（熱）量隨負荷調節，節能效果顯著，能效比相對較高。其缺點為：回油比較復雜；制冷劑管道安裝要求高，管路較長，制冷劑灌裝量大［32］。肖寒松等［33］總結了多聯機控制技術的進展，從循環、除霜、回油、舒適性及節能等方面提出了技術展望：系統優化控制、發展應用多聯機實現電力調峰、發展基于大數據的系統舒適性和節能控制以及系統故障診斷技術。多聯機將進一步與大數據技術交叉、融合，實現控制技術的創新，提升全工況性能，推動多聯機向高效節能、高舒適性、多功能和智能化方向發展［33］。

2.1.4 節能措施

研發和推廣高能效比的空調器可有效提高能源利用率，是目前我國空調行業發展的大趨勢?？照{節能技術主要包括建筑環境、系統設計和智能控制3方面，具體措施見表6。

表6 空調節能技術Tab.6 Energy-saving technologies for air conditioners

2.2 空氣源熱泵空調制熱的應用

空氣源熱泵空調因高效、環保、節能和緊湊等特點在很多行業得到應用，如農林牧漁業、采礦業、制造業、住宿和餐飲業、建筑業、交通運輸業等，其中普通家用制取生活熱水、建筑采暖、烘干等方面的技術相對較成熟。

2.2.1 農林牧漁

農林牧漁業對溫度的穩定性要求較高，如苗/種初期培育和溫室栽培需一年四季調整溫度，過低的溫度會導致生長發育緩慢，水養殖則需要穩定的水溫，其供熱溫度為10～35 ℃（熱泵技術在溫室中的應用），空氣源熱泵空調均能滿足需求［34］。廣東省佛山市三水陽特園藝有限公司是生產花卉種苗的企業，育苗所需溫室大于30 000 m2，組織培養車間約2 000 m2，年平均氣溫為21.9 ℃，最低為-0.7 ℃，最高為39.1 ℃。2013 年該公司引入空氣源熱泵空調模塊機組，3 a 運行期間冬季采暖運行費用減少了50%，溫室內部環境溫度得到精準控制，占地面積和員工數量減少，穩定性較傳統燃煤加熱方式高，無污染物排放，總體社會效益與經濟效益較好［35］。

2.2.2 采礦

煤礦供熱主要有建筑采暖熱負荷、井筒防凍熱負荷和生活熱水，而井筒防凍熱負荷占一半以上，主要供熱介質有熱水、蒸汽、熱風和導熱油。采用空氣源熱泵空調供暖時，用于建筑采暖的熱水溫度一般低于60 ℃，井筒防凍供水溫度高于50 ℃，嚴寒地區則高于75 ℃，雙級壓縮的低溫空氣源熱泵熱水器（準二級壓縮循環熱泵）能夠滿足低溫工況下制熱量大的需求［36］。以山西省臨汾市鄉寧縣的煤礦為例，該煤礦共布置141 臺空氣源熱泵空調機組替代燃煤鍋爐［36］，采用空氣源熱泵空調初投資較低，運行費用低，比燃煤鍋爐房節省3.36萬元。原油生產需要采用單井儲油罐貯存原油以方便外運，而油井生產的原油黏度較高，從儲油罐中向罐車里裝原油前需要加熱到一定溫度，采用空氣源熱泵空調加熱可滿足安全、環保、節能的要求［37］。

2.2.3 制造烘干

制造業的烘干技術要求干化過程耗能低、效率高且安全。物料對溫度較敏感且不同物料的烘干溫度不同，因此需要對溫度進行精準控制。相較于傳統烘干技術，空氣源熱泵烘干使用模塊化設計，溫度調整范圍大且精度高、效率高、安全性更好，能夠達到物料的烘干要求，有廣泛的應用，如圖9 所示。遼寧省鞍山市岫巖縣牧牛鎮香菇烘干項目中，在熱量需求、環境溫度、降水和產量等條件相同的情況下，采用空氣源熱泵單次烘干費用僅199.14元，低于燃煤鍋爐（271.56 元）、天然氣鍋爐（604.00 元）和電熱器（628.88 元）［6］。

圖9 空氣源熱泵空調用于制造業烘干Fig.9 Air source heat pump air conditioners used fordrying of manufacturing industry

2.2.4 建筑

建筑的熱量需求主要是熱水和暖氣，小型建筑使用普通家用空調熱泵系統可滿足住戶供熱采暖需求。大型建筑如寫字樓、商場、教學樓等使用中央熱泵式空調系統，系統體積龐大、管路復雜，需要與建筑結構、電氣等配合，但具有經濟節能、管理方便等優勢。針對位置偏遠、無市政熱源和天然氣的區域，空氣源熱泵空調能夠有效解決熱水和供暖問題。甘肅嘉峪關繞城高速公路收費站管理所的宿舍樓和辦公樓采用超低溫空氣源熱泵空調機組，解決了冬天供暖問題。相較于電采暖，采用超低溫空氣源熱泵空調可節省58.3%的電量，節約標準煤94.6 t/a［38］。同樣，內蒙古北部的鐵路站段（冬季最低溫度為-23.0 ℃，夏季平均溫度為27.5 ℃）采用空氣源熱泵熱水系統，可滿足60.0 ℃的用水需求，日均能源消耗量為電鍋爐的30.4%，年運行費用是燃氣鍋爐的40.6%［39］?？諝庠礋岜每照{是“煤改電”采暖的最佳方式，催生33.6 億元的熱泵市場［40］。

2.2.5 交通運輸

在交通運輸業方面，除汽車外，船舶等也需要考慮行駛過程中的舒適性和節能性，空氣源熱泵空調在水上運輸的應用同樣有巨大潛力。船舶正常航行時機艙溫度一般在40 ℃以上，空氣源熱泵空調吸取船艙熱量，可同時實現降低船艙溫度和制取生活熱水。熱泵還可成為海水淡化的加熱器，是船舶海水淡化的發展方向之一。目前，空氣源熱泵空調在船舶的應用有限，主要原因是：機艙空間相對封閉，空氣不易流通；熱泵效率不高，結構需要更加緊湊；出水溫度低，無法滿足油類的余熱需求［41］。

2.2.6 住宿和餐飲

住宿和餐飲業對熱水的需求量較大且用水時段較集中，空氣源熱泵空調可錯開用水集中時間或在用水需求少的谷電時間段蓄熱水，顯著提高經濟性。由表7 可見，在制備同等體積和溫升熱水的情況下，空氣源熱泵空調運行費用約為電熱水鍋爐的19.6%，約為燃氣鍋爐的27.4%［42］。上海某酒店的生活熱水采用空氣源熱泵，其全年綜合能效比（SEER）為3.92，生產熱水的能耗費用為11.7 t/元，比改造前熱水鍋爐的費用低約36.4%［43］。浙江大學紫金港校區餐飲中心采用太陽能+空氣源熱泵供應熱水，4—10 月太陽能熱水加熱系統能夠滿足熱水使用需求，在平均溫度最低的1月，空氣源熱泵系統的月平均使用效率約為55%，節能費用達39.15萬元/a，每年可減少碳排放187.5 t，社會、經濟效益良好。

表7 空氣源熱泵空調與傳統熱水設備的運行費用Tab.7 Operating costs of the air source heat pump air conditioner and the traditional hot water equipment

2.2.7 衛生和社會工作

殺菌消毒是衛生和社會工作的重要方面，采用空氣源熱泵空調產生蒸汽的過程控制能力強、運行經濟性好、投資回收期短，能夠應對突發性殺菌場合。Yan 等［44］提出了一種復疊式空氣源熱泵空調，低壓級制冷劑采用R404A，高壓級制冷劑采用R245fa，產生的蒸汽量為0.5 t/h，溫度可達120 ℃，運行3 a以上的經濟性最好。

表8 總結了空氣源熱泵空調的具體應用案例，其應用行業廣、溫度范圍廣，可以低溫干燥物料高溫殺菌，溫度利用有即時型和蓄熱型，供暖方式分中央供熱式和模塊化供熱式，針對性強，安裝條件靈活，受地理條件和氣候影響小，在陸地和非陸地場合均能發揮作用。

表8 空氣源熱泵空調的應用Tab.8 Application of air source heat pump air conditioners

在現有技術條件下，單級空氣源熱泵空調仍面臨低溫結霜、排氣溫度高等問題，導致其在某些場合應用受限，如船舶機艙、高溫蒸汽殺菌等。

2.3 空氣源熱泵空調對節能減排的貢獻

2.3.1 空氣源熱泵空調在農村的覆蓋情況及經濟性

近些年，作為大氣污染防治重要措施的清潔取暖工作開展得如火如荼。北京市因其重要的城市作用，在清潔取暖工作方面發揮了排頭兵作用。2013 年啟動了農村地區“減煤換煤清潔空氣”行動，自2016 年以來，大規模開展整村的清潔取暖工作［45］。截至2020—2021 年供暖季，北京市農村地區“煤改電”約90萬戶，其中近90%采用空氣源熱泵空調。國家空調設備質量監督檢驗中心空調設備檢測部團隊從2016 年開始連續5 a 開展北京市農村煤改清潔能源供暖運行監測［46］，目前已有超過300 個空氣源熱泵空調供暖項目在線運行。檢測數據顯示，2 個供暖季的最高功耗為105.2 kW·h/m2，最低功耗為21.6 kW·h/m2?？諝庠礋岜每照{機組的COP 值（≥0.95）高于普通電熱鍋爐和燃煤鍋爐［45］。2020—2021 年供暖季（2020-11-15—2021-03-15），北京市平原農村地區室外平均溫度為0 ℃，所監測的空氣源熱泵熱水機系統供暖效果較好，能夠在極寒天氣滿足農戶基本供暖需求，室內溫度平均為18.4 ℃，供暖系統COP 平均值為2.13（含水泵能耗），供熱量平均值為44.7 W/m2。運行費用受系統耗電量和谷電率（供暖季谷電時段為21：00 到次日06：00，其余年份供暖季谷電時段為20：00 到次日08：00；谷電率指整個供暖季谷電期間的耗電量與總耗電量的比值）的綜合影響，政府對谷電補貼（谷電價格為0.1 元/（kW·h），補貼上限為每個取暖季10 MW·h）后84%的空氣源熱泵熱水機供暖系統日均運行費用集中在10～25 元，94%在25 元以下，表明空氣源熱泵供暖系統具有良好的經濟性。

2.3.2 空氣源熱泵空調的碳足跡

碳足跡指的是系統運行過程中的溫室氣體排放量，用CO2當量表示［47］。根據燃料、電、熱水或蒸汽的消耗量與當地排放系數得到各種溫室氣體的排放量，然后根據其全球變暖潛能值（GWP）轉化為CO2當量，具體計算公式為［48］

式中：ECO2，i為某種溫室氣體的CO2當量，kg；G 為燃料、電、熱水或蒸汽的消耗量，kg；Ef，i為某種溫室氣體的排放系數，定義為消耗單位燃料或生產單位產品時某種溫室氣體的排放量，kg/kg 或kg/（kW·h）；PGW，i為某種溫室氣體的GWP。

樣本分布在北京市農村平原地區（大興區、通州區、順義區、房山區、朝陽區、豐臺區和海淀區）?？紤]到人口密度、經濟因素和個人習慣等因素，根據實際運行時間選擇了50 戶家庭進行性能測試。北京市供暖從11 月15 日開始，到次年3 月15 日結束，共4 個月。在120 d 的供暖季中，2016—2017 年和2017—2018 年供暖季的平均供暖需求為61 d，耗電量分別為61.3，65.3 kW·h/m2，最冷的一天耗電量分別為79.5，89.7 kW·h/m2［45］。由此可以計算出采暖季日平均CO2當量，如圖10 所示。由圖10 可見，相比于電熱鍋爐，空氣源熱泵空調機組在常規天氣和最冷天氣的CO2當量較低。

圖10 空氣源熱泵空調與電熱鍋爐的碳足跡Fig.10 Carbon footprint of air-source heat pump airconditioners and electric boilers

2.3.3 節能與減排

圖11a 為北京市平原地區（山區）循環水溫為38.7 ℃、室內溫度為18.9 ℃時，空氣源熱泵空調機組和電熱鍋爐采暖季的逐時耗電量和逐時耗煤量。通過對比可知，空氣源熱泵空調的逐時耗電量與逐時耗煤量總是低于電熱鍋爐。由于空氣源熱泵空調的制熱效率要高于電熱鍋爐，因此在相同的制熱量前提下，空氣源熱泵空調相比電熱鍋爐更為節能、環保，其日耗電量比電熱鍋爐少127.80 kW·h。圖11b為空氣源熱泵空調機組和電熱鍋爐采暖季的CO2排放趨勢。在相同熱負荷下，相比于電熱鍋爐，空氣源熱泵空調機組的高COP、低耗電量的特點使其CO2的逐時排放量更少，平均減少了43.95%，具有節能減排的作用。

圖11 空氣源熱泵空調與電熱鍋爐的逐時耗電量、耗煤量及CO2排放量Fig.11 Hourly electricity consumption，coal consumption and CO2 emissions of air-source heat pump air conditioners and electric boilers

目前，空氣源熱泵空調供暖系統平均COP 為2.13，若平均COP 提升15%，根據已經實施改造的區域測算，以空氣源熱泵空調供暖系統供暖季單位面積供熱量平均值為44.7 W/m2、整個供暖季供暖120 d計，單戶（按120 m2供暖面積核算）現有供暖能耗為7 252.7 kW·h，空氣源熱泵空調能效提升后，可節省電量946.0 kW·h，單戶節約費用473.0 元（按電價為0.5 元/（kW·h）計）。北京市現有81萬戶采用空氣源熱泵空調供暖系統，根據GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》提供的常規能源替代量的評價方法，能效提升后預計可節約電量770.0 GW·h，相當于每年可以節約標準煤13.4 萬t，可實現CO2減排33.21 萬t，SO2減排0.30萬t，粉塵減排0.10 萬t。

3 空氣源熱泵空調面臨的挑戰及未來發展趨勢

3.1 面臨的挑戰

隨著國際上對環境問題的日益關注以及我國“雙碳”目標的提出，空氣源熱泵空調潛力將會被進一步挖掘，市場將進一步擴大。但空氣源熱泵空調的推廣應用面臨各種挑戰，包括技術、經濟、監管、政策和公眾接受等問題，如圖12所示［49］。政策不確定、無明確的低碳路線和技術革新是熱泵發展面臨的主要問題。

圖12 空氣源熱泵空調發展面臨的挑戰Fig.12 Challenges faced by the air-source heat pump air conditioning systems

（1）政策的制定很大程度依賴用戶末端的用能形式和供熱技術，普適性的政策對目標達成效果并不好。雖然各國出臺了各種鼓勵政策，如英國空氣源熱泵空調補貼為0.60～1.15 元/（kW·h），法國空氣源熱泵空調可獲得25%的設備金額減免，日本和歐美各國都給予了購買價25%的政策性補貼，我國各省也陸續出臺了相應的空氣源熱泵空調補貼政策，但總體來說，補貼不足也是熱泵技術不能廣泛應用的一個障礙。

（2）公眾對熱泵不熟悉、不了解對環境的意義和成本效益、熱泵存在噪聲、運行費用高、初投資高、不推薦在保溫不好的建筑物使用等，導致公眾對熱泵的接受度較低。

（3）缺乏標準和相關強制性政策也限制了熱泵的發展，雖然有相關熱泵設計和安裝規范，但缺乏安裝和維修的專業人員，不能滿足一些行業的特殊需求。

（4）熱泵的大規模使用會增加高峰期的電力需求量，在英國，熱泵的使用可能會導致峰值電力需求增加14%［49］。因此，熱泵的使用規模與峰值電力需求之間存在一定的匹配問題，有學者提出采用蓄熱來解決該問題。

總的來說，空氣源熱泵空調的發展面臨各種挑戰，但在減少溫室氣體排放和對供暖和制冷行業可持續發展的貢獻已毋庸置疑。

3.2 發展趨勢

為提高空氣源熱泵空調的性能，可通過優化系統部件、優化系統、改進除霜方法、采用新工質等實現。通過采用高效的壓縮機和換熱技術，擴寬系統運行范圍，在大溫差工況下保持系統的穩定性和可靠性；通過深入研究熱泵系統理論機理，優化設計空氣源熱泵空調系統，開發新型空氣源熱泵空調系統等，使制熱量、COP 等得到提升；通過深入研究結霜機理、提出新的除霜方法、優化除霜控制等措施來改善低溫運行性能；通過研究制冷劑的熱物性、研發綠色高效的新型制冷劑來促進空氣源熱泵空調技術的發展。

近年來，隨著新材料的發展以及大數據、人工智能概念的提出，空氣源熱泵空調技術迎來了新的發展機遇和新的經濟增長點?？諝庠礋岜每照{與儲熱技術結合是實現節能、調節電力負荷、減少運行費用的重要技術路線。材料的傳熱傳質特性嚴重制約了能量的儲存和傳遞，相變儲熱材料在應用過程中仍存在諸多問題，如相分離、過冷、導熱性能差、儲熱密度低、腐蝕性強、相容性差等，這些問題都迫切需要解決；另外，多數儲熱材料的熱導率均較低，導致蓄、放熱速率慢，不能滿足工業應用需求，傳熱強化技術已經成為相變儲熱系統的研究重點［50-51］。在空氣源熱泵空調系統的運行過程中，利用數據挖掘技術，根據系統的歷史運行數據建立模型，通過實時數據的接收和計算，可對設備進行監控，在故障發生前及時預警，找出故障源并實現維護預測，進而達到節省能耗、節省維護時間、降低人工維護成本的目的。另外，運行效率與運行環境、用戶使用習慣等密切相關，通過大數據長期分析與監測，對系統的運行數據、能耗數據、當地氣象數據和環境數據等進行分析，采用數據挖掘算法和人工智能，建立制冷空調系統能耗預測模型，提前預測系統未來的能耗，精確匹配機組運行參數，優化系統控制，提高運行效率，使系統始終在滿足室內負荷的條件下最優化運行，從而達到節能的目的［52］。

4 結論

近年來，空氣源熱泵空調技術迅猛發展，中國、日本、歐洲和美國是核心熱點區域。在我國，供暖和熱水占空氣源熱泵空調應用的92.7%?？諝庠礋岜每照{的研究工作主要圍繞循環構建、除霜、系統控制等方面開展。準二級壓縮熱泵循環在低溫空氣源熱泵空調產品中應用最廣泛；與太陽能、地源和水源等耦合的多源熱泵系統可實現系統能效提升，彌補單一熱源的不足，但有些問題仍待解決，實際應用相對較少；空氣源熱泵空調結合相變蓄熱在電力負荷調節和熱量匹配方面具有優勢。比較了主動除霜和被動除霜的優缺點，指出系統控制是保證系統運行的重要手段?？諝庠礋岜每照{在制冷方面已有成熟應用，制熱方面，制取生活熱水、采暖和烘干等技術相對較成熟?？諝庠礋岜每照{在我國北方煤改清潔能源項目中扮演著重要角色，所監測的空氣源熱泵熱水機的COP 平均值為2.13，供熱量平均值達到44.7 W/m2，節能減排效果明顯。經濟性、政策的不確定性、公眾接受度低、技術瓶頸等成為熱泵廣泛應用面臨的主要挑戰，新材料、大數據、人工智能與空氣源熱泵空調融合成為發展方向，空氣源熱泵空調在新形勢下將會發揮重要的作用。