空氣源熱泵空調(diào)技術應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

陳健勇，李浩，陳穎，趙軍

（1.廣東工業(yè)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(nèi)，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(chǎn)品節(jié)能空間達30%～50%［2］。2019 年我國發(fā)布了《綠色高效制冷行動方案》，提出了綠色高效制冷產(chǎn)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(diào)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(diào)了國家綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展方向，熱泵空調(diào)行業(yè)迎來了新的機遇與挑戰(zhàn)。

空氣源熱泵空調(diào)以消耗少量電能為代價，將室外環(huán)境空氣中低溫熱源的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷責嵩?，達到對室內(nèi)空氣進行調(diào)節(jié)的目的。與其他的供暖裝置相比，空氣源熱泵空調(diào)具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、安裝靈活、使用方便等優(yōu)點，適用于分戶安裝。1981 年在內(nèi)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(fā)布可再生能源指令，將“空氣熱能”定義為“環(huán)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(xiàn)穩(wěn)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(xiāng)建設部科技發(fā)展促進中心發(fā)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(diào)迎來了高速發(fā)展，2013—2020年，空氣源熱泵空調(diào)市場規(guī)模增加了2 倍［6］。除了冷暖制備產(chǎn)品，空氣源熱泵烘干機和熱水器等產(chǎn)品也逐漸占據(jù)市場份額。空氣源熱泵空調(diào)在夏熱冬冷氣候區(qū)、寒冷氣候區(qū)、夏熱冬暖及溫和氣候區(qū)節(jié)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(qū)的節(jié)能潛力共計4 097 萬t標準煤/a［6］。

在新形勢下，高效環(huán)保的空氣源熱泵空調(diào)對節(jié)能減排減碳具有重要價值和現(xiàn)實意義。本文從空氣源熱泵空調(diào)研究進展、典型應用、挑戰(zhàn)和發(fā)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(diào)的優(yōu)缺點，總結(jié)空氣源熱泵空調(diào)的節(jié)能減排潛力，為行業(yè)技術人員和學者提供參考。

1 空氣源熱泵空調(diào)的研究現(xiàn)狀

1.1 循環(huán)構建

空氣源熱泵空調(diào)兼具冬季供暖熱泵和夏季空調(diào)制冷的功能，冬季供暖時環(huán)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(diào)的低溫適應性和經(jīng)濟性，學者們對單級壓縮熱泵循環(huán)進行改進，提出了準二級壓縮熱泵循環(huán)、雙級壓縮熱泵循環(huán)、復疊式熱泵循環(huán)、多源耦合熱泵循環(huán)及空氣源熱泵空調(diào)-蓄熱/冷系統(tǒng)等。

1.1.1 準二級壓縮熱泵循環(huán)

準二級壓縮循環(huán)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(jù)經(jīng)濟器類型可將準二級壓縮熱泵循環(huán)分為過冷器循環(huán)和閃發(fā)器循環(huán)，如圖1 所示。由于閃發(fā)器循環(huán)的中間補氣狀態(tài)相較過冷器循環(huán)更接近飽和氣態(tài)，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(huán)性能系數(shù)（COP）［7］。

圖1 準二級壓縮熱泵循環(huán)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(tǒng)制熱量增加30%以上，COP 提高10%以上。申江等［9］通過試驗發(fā)現(xiàn)閃蒸器系統(tǒng)在-15～-10 ℃的低溫環(huán)境下仍有較高的制熱能力和供暖效率，能夠滿足寒冷地區(qū)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(tǒng)的優(yōu)勢愈發(fā)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(diào)進行研究，研究結(jié)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(fā)現(xiàn)中間補氣技術能夠提高系統(tǒng)的COP，但隨著蒸發(fā)溫度的提高，補氣效果會減弱，當蒸發(fā)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(jié)果表明當蒸發(fā)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(jié)出中間補氣的準雙級壓縮熱泵是優(yōu)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(fā)溫度、大壓縮比的場合，可在北方嚴寒地區(qū)室外溫度低于-25 ℃的環(huán)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(fā)溫度的上升，準二級壓縮循環(huán)的優(yōu)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(huán)

雙級壓縮熱泵循環(huán)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(jīng)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(huán)可以分為一級節(jié)流中間完全冷卻、一級節(jié)流中間不完全冷卻、兩級節(jié)流中間完全冷卻和兩級節(jié)流中間不完全冷卻，如圖2所示。

圖2 雙級壓縮熱泵循環(huán)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(huán)分別進行了試驗分析，分析結(jié)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(huán)量減少，導致整個系統(tǒng)的COP 降低；同時相較于一級節(jié)流，兩級節(jié)流能夠減少制冷劑在節(jié)流過程中的不可逆損失。兩級節(jié)流中間不完全冷卻可以作為一種比較理想的循環(huán)方式應用在低溫環(huán)境下的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，其COP 相對較好，見表1。

表1 雙級壓縮熱泵循環(huán)4種循環(huán)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(huán)能夠降低各級壓縮的壓比以及壓縮機排氣溫度，具有更優(yōu)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(huán)

復疊式壓縮循環(huán)由低溫級循環(huán)和高溫級循環(huán)構成，該系統(tǒng)通過蒸發(fā)冷凝器將2 個單級壓縮循環(huán)聯(lián)系起來，利用低溫級循環(huán)為高溫級循環(huán)創(chuàng)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(huán)，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(diào)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(tǒng)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(jié)霜的問題。復疊式壓縮熱泵系統(tǒng)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(huán)Fig.3 Cycle of a cascade heat pump cycle

1.1.4 多源耦合熱泵循環(huán)

空氣源熱泵空調(diào)在嚴寒地區(qū)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(jié)合，采用多源耦合的熱泵可彌補單一空氣源熱泵空調(diào)的不足，獲得高效復合熱泵系統(tǒng)。

太陽能熱泵系統(tǒng)利用太陽能為蒸發(fā)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(xù)供熱，實現(xiàn)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(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)采用雙套管蒸發(fā)器，太陽能熱水流經(jīng)內(nèi)管，制冷劑在內(nèi)外管之間的環(huán)形通道流動，外管則從空氣中吸收熱量，實現(xiàn)太陽能、空氣熱能與制冷劑同時換熱，該系統(tǒng)的熱效率高于傳統(tǒng)太陽能熱泵系統(tǒng)。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(diào)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(tǒng)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(jié)能的熱泵系統(tǒng)，但長期不間斷運行會導致土壤出現(xiàn)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(tǒng)的翅片管式換熱器與套管式換熱器相結(jié)合，作為空氣-地源雙熱源熱泵系統(tǒng)的復合換熱器，實現(xiàn)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(tǒng)，如圖5 所示。利用TRNSYS 搭建系統(tǒng)模型，從可靠性、節(jié)能性、經(jīng)濟性3 個方面分析該系統(tǒng)在不同地區(qū)的適應性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足北方地區(qū)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(tǒng)Fig.5 New geothermal heat pump system

水源熱泵需要大量穩(wěn)定的水資源，地區(qū)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(fā)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(huán)境溫度較高時，系統(tǒng)采用單一熱源即可實現(xiàn)供暖，當環(huán)境溫度降至0 ℃以下時，采用雙熱源比單一空氣源更具優(yōu)勢。吳曉陽［21］針對船舶特殊的工作環(huán)境，設計了一種機艙空氣和海水復合的熱泵系統(tǒng)，如圖6 所示。該系統(tǒng)共有3 種運行模式，可根據(jù)實際情況進行選擇，在保證供暖需求的同時可實現(xiàn)較單一熱源熱泵更高的供熱效率，但該系統(tǒng)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(diào)-蓄熱/冷系統(tǒng)

為保證空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)低溫效率，擴大運行范圍，常結(jié)合相變材料蓄熱技術組成空氣源熱泵空調(diào)-蓄熱系統(tǒng)。為了解決空氣源熱泵空調(diào)結(jié)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(diào)制熱量的變化，平衡熱泵的供熱量與用戶需求，同時調(diào)節(jié)電力負荷［22］。韓志濤等［23］提出空氣源熱泵空調(diào)蓄熱熱氣除霜系統(tǒng)，除霜時間更短，節(jié)省了除霜能耗?？諝庠礋岜每照{(diào)蓄熱系統(tǒng)的供熱調(diào)節(jié)主要是將用熱需求低的多余熱量轉(zhuǎn)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(diào)低溫運行的問題。大型蓄熱式空氣源熱泵空調(diào)機組可實現(xiàn)電力調(diào)峰，雖然不是從節(jié)能角度出發(fā)，但通過低谷電價較低的特點實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)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(tǒng)，提升系統(tǒng)性能?？諝庠?太陽能復合熱泵能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能與空氣熱能的優(yōu)勢互補，使系統(tǒng)能夠在全年各工況下穩(wěn)定運行，有效提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性和節(jié)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(diào)在夏季高溫和冬季低溫環(huán)境下?lián)Q熱量小的缺陷，還可緩解單一空氣源熱泵空調(diào)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{(diào)與相變蓄熱系統(tǒng)結(jié)合，在除霜、供熱、熱水器以及電力調(diào)峰方面都能起到提高系統(tǒng)運行效率的作用。這些系統(tǒng)通過切換不同模式，實現(xiàn)不同工況下的更優(yōu)匹配，更加節(jié)能環(huán)保，具有更廣泛的發(fā)展空間。

表2 對比了各種熱泵循環(huán)：準二級壓縮循環(huán)會在壓縮機偏離設計工況時出現(xiàn)效率下降、制熱/冷量不足的情況；雙級壓縮循環(huán)在蒸發(fā)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(huán)能滿足特定的設計工況，同時滿足低蒸發(fā)溫度時的蒸發(fā)壓力和環(huán)境溫度條件下的冷凝壓力，但由于冷凝蒸發(fā)器中多了換熱溫差，系統(tǒng)效率相對較低；多源耦合熱泵循環(huán)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(diào)-蓄熱/冷系統(tǒng)保證了熱泵在低溫環(huán)境下的運行效率且充分利用了峰谷電價，經(jīng)濟性有所提升。

表2 壓縮熱泵循環(huán)系統(tǒng)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(jié)霜。隨著霜層厚度的不斷增加，空氣側(cè)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(diào)系統(tǒng)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(fā)器和冷凝器的位置，利用系統(tǒng)熱量除霜，著眼于系統(tǒng)研究；被動除霜是從觀察霜層生長過程的研究出發(fā),分析總結(jié)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(xiàn)除霜性能和經(jīng)濟最優(yōu)化［25］。

1.3 系統(tǒng)控制

在空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，通過耦合多種控制部件及控制機制（如控制壓縮機轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度及制冷劑循環(huán)方向等）來滿足不同需求?，F(xiàn)有的空氣源熱泵空調(diào)仍存在寒冷地區(qū)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(diào)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(diào)現(xiàn)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(diào)的核心目標之一就是在滿足用戶需求的前提下，實現(xiàn)能耗可視化、節(jié)能可控化，這對于大型多聯(lián)機空調(diào)設備、共享辦公空調(diào)系統(tǒng)尤為突出。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等智能技術的發(fā)展，市場上涌現(xiàn)了集中管理、分類統(tǒng)計的各種應用，但實現(xiàn)效果和運行水平有待進一步驗證，中國標準化協(xié)會也發(fā)布實施了相關標準［27］。

2 空氣源熱泵空調(diào)的應用場合及節(jié)能減排

2.1 空氣源熱泵空調(diào)制冷的應用

2.1.1 汽車空調(diào)

汽車空調(diào)是指對汽車內(nèi)空氣的溫度、濕度、流速和清潔度等參數(shù)進行調(diào)節(jié)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(tǒng)燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷主要采用發(fā)動機驅(qū)動壓縮機制冷，制熱主要來自發(fā)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(fā)動機作為空調(diào)壓縮機的動力源，不能利用其余熱，無法直接采用傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的解決方案。對于混合動力汽車，發(fā)動機的控制方式多樣，空調(diào)壓縮機也不能采用發(fā)動機直接驅(qū)動的方式。汽車空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷系統(tǒng)、取暖系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)和控制電路組成，如圖7所示。

圖7 汽車空調(diào)系統(tǒng)Fig.7 Air conditioning systems for vehicles

汽車空調(diào)打開時，空調(diào)壓縮機的運轉(zhuǎn)會導致發(fā)動機對外輸出功率提高，發(fā)動機單位時間內(nèi)或單位里程內(nèi)的燃油消耗量也隨之增加。有關數(shù)據(jù)表明，以私家車為例，2.0 L 排量的發(fā)動機，每行駛100 km的空調(diào)燃油附加量為3.43 L［28］。目前，大多數(shù)電動汽車均采用空調(diào)制冷和熱泵式空調(diào)或熱敏電阻（PTC）制熱的方式控制車內(nèi)環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)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(zhuǎn)的情況下，制熱時電動汽車續(xù)航里程會降低近50%：因此，節(jié)能是新能源電動汽車空調(diào)的研究重點［29］。目前針對汽車空調(diào)的節(jié)能措施見表5。

表5 汽車空調(diào)的節(jié)能措施Tab.5 Energy-saving approaches for vehicle air conditioners

2.1.2 房間空調(diào)

我國是熱泵和空調(diào)制造大國，家用空調(diào)產(chǎn)量持續(xù)占據(jù)全球80%以上份額。新國標GB 21455—2019《房間空氣調(diào)節(jié)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(jié)能空調(diào)的推廣和產(chǎn)品結(jié)構調(diào)整。提升房間空調(diào)器能效的主要措施包括采用變頻調(diào)速、優(yōu)化冷凝器與蒸發(fā)器的強化換熱和流道、提高壓縮機效率、優(yōu)化設計電子膨脹閥和家用空調(diào)器結(jié)構參數(shù)以及系統(tǒng)參數(shù)等。此外，研究人員還提出了一系列新技術：空調(diào)熱回收技術，包括空調(diào)冷凝熱回收加熱水；空調(diào)蓄熱技術，主要對電網(wǎng)削峰平谷，達到節(jié)能的目的；新材料研發(fā)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?nèi)萘空{(diào)節(jié)壓縮機等［30］。

房間空調(diào)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(zhì)控制、換熱器／過濾網(wǎng)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(lián)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(diào)器差異化發(fā)展提供了充分的空間，不同附加功能對房間空調(diào)能耗的影響如圖8所示。

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

2.1.3 多聯(lián)機空調(diào)

多聯(lián)機空調(diào)俗稱“一拖多”，是指一臺室外機連接2 臺及以上室內(nèi)機，通過控制壓縮機的制冷劑循環(huán)量和進入室內(nèi)換熱器的制冷劑流量，實時滿足室內(nèi)冷、熱負荷要求的高效率制冷劑空調(diào)系統(tǒng)，常用于數(shù)據(jù)機房、商業(yè)中心、醫(yī)院等功能性場所。其優(yōu)點為：冷（熱）量直接由制冷劑輸送，不需要風管或水管系統(tǒng)，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(diào)節(jié)，節(jié)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(jié)了多聯(lián)機控制技術的進展，從循環(huán)、除霜、回油、舒適性及節(jié)能等方面提出了技術展望：系統(tǒng)優(yōu)化控制、發(fā)展應用多聯(lián)機實現(xiàn)電力調(diào)峰、發(fā)展基于大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)舒適性和節(jié)能控制以及系統(tǒng)故障診斷技術。多聯(lián)機將進一步與大數(shù)據(jù)技術交叉、融合，實現(xiàn)控制技術的創(chuàng)新，提升全工況性能，推動多聯(lián)機向高效節(jié)能、高舒適性、多功能和智能化方向發(fā)展［33］。

2.1.4 節(jié)能措施

研發(fā)和推廣高能效比的空調(diào)器可有效提高能源利用率，是目前我國空調(diào)行業(yè)發(fā)展的大趨勢。空調(diào)節(jié)能技術主要包括建筑環(huán)境、系統(tǒng)設計和智能控制3方面，具體措施見表6。

表6 空調(diào)節(jié)能技術Tab.6 Energy-saving technologies for air conditioners

2.2 空氣源熱泵空調(diào)制熱的應用

空氣源熱泵空調(diào)因高效、環(huán)保、節(jié)能和緊湊等特點在很多行業(yè)得到應用，如農(nóng)林牧漁業(yè)、采礦業(yè)、制造業(yè)、住宿和餐飲業(yè)、建筑業(yè)、交通運輸業(yè)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(nóng)林牧漁

農(nóng)林牧漁業(yè)對溫度的穩(wěn)定性要求較高，如苗/種初期培育和溫室栽培需一年四季調(diào)整溫度，過低的溫度會導致生長發(fā)育緩慢，水養(yǎng)殖則需要穩(wěn)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(diào)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(chǎn)花卉種苗的企業(yè)，育苗所需溫室大于30 000 m2，組織培養(yǎng)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(diào)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(nèi)部環(huán)境溫度得到精準控制，占地面積和員工數(shù)量減少，穩(wěn)定性較傳統(tǒng)燃煤加熱方式高，無污染物排放，總體社會效益與經(jīng)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(zhì)有熱水、蒸汽、熱風和導熱油。采用空氣源熱泵空調(diào)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(qū)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(huán)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(xiāng)寧縣的煤礦為例，該煤礦共布置141 臺空氣源熱泵空調(diào)機組替代燃煤鍋爐［36］，采用空氣源熱泵空調(diào)初投資較低，運行費用低，比燃煤鍋爐房節(jié)省3.36萬元。原油生產(chǎn)需要采用單井儲油罐貯存原油以方便外運，而油井生產(chǎn)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(diào)加熱可滿足安全、環(huán)保、節(jié)能的要求［37］。

2.2.3 制造烘干

制造業(yè)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(tǒng)烘干技術，空氣源熱泵烘干使用模塊化設計，溫度調(diào)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(zhèn)香菇烘干項目中，在熱量需求、環(huán)境溫度、降水和產(chǎn)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(diào)用于制造業(yè)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(diào)熱泵系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)體積龐大、管路復雜，需要與建筑結(jié)構、電氣等配合，但具有經(jīng)濟節(jié)能、管理方便等優(yōu)勢。針對位置偏遠、無市政熱源和天然氣的區(qū)域，空氣源熱泵空調(diào)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(diào)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(diào)可節(jié)省58.3%的電量，節(jié)約標準煤94.6 t/a［38］。同樣，內(nèi)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(tǒng)，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{(diào)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(yè)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(jié)能性，空氣源熱泵空調(diào)在水上運輸?shù)膽猛瑯佑芯薮鬂摿?。船舶正常航行時機艙溫度一般在40 ℃以上，空氣源熱泵空調(diào)吸取船艙熱量，可同時實現(xiàn)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(fā)展方向之一。目前，空氣源熱泵空調(diào)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(jié)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(yè)對熱水的需求量較大且用水時段較集中，空氣源熱泵空調(diào)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(jīng)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(diào)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(chǎn)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(qū)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(tǒng)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(tǒng)的月平均使用效率約為55%，節(jié)能費用達39.15萬元/a，每年可減少碳排放187.5 t，社會、經(jīng)濟效益良好。

表7 空氣源熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)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(wèi)生和社會工作

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

表8 總結(jié)了空氣源熱泵空調(diào)的具體應用案例，其應用行業(yè)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(fā)揮作用。

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

在現(xiàn)有技術條件下，單級空氣源熱泵空調(diào)仍面臨低溫結(jié)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(diào)對節(jié)能減排的貢獻

2.3.1 空氣源熱泵空調(diào)在農(nóng)村的覆蓋情況及經(jīng)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(fā)揮了排頭兵作用。2013 年啟動了農(nóng)村地區(qū)“減煤換煤清潔空氣”行動，自2016 年以來，大規(guī)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(nóng)村地區(qū)“煤改電”約90萬戶，其中近90%采用空氣源熱泵空調(diào)。國家空調(diào)設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心空調(diào)設備檢測部團隊從2016 年開始連續(xù)5 a 開展北京市農(nóng)村煤改清潔能源供暖運行監(jiān)測［46］，目前已有超過300 個空氣源熱泵空調(diào)供暖項目在線運行。檢測數(shù)據(jù)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{(diào)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(nóng)村地區(qū)室外平均溫度為0 ℃，所監(jiān)測的空氣源熱泵熱水機系統(tǒng)供暖效果較好，能夠在極寒天氣滿足農(nóng)戶基本供暖需求，室內(nèi)溫度平均為18.4 ℃，供暖系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)具有良好的經(jīng)濟性。

2.3.2 空氣源熱泵空調(diào)的碳足跡

碳足跡指的是系統(tǒng)運行過程中的溫室氣體排放量，用CO2當量表示［47］。根據(jù)燃料、電、熱水或蒸汽的消耗量與當?shù)嘏欧畔禂?shù)得到各種溫室氣體的排放量，然后根據(jù)其全球變暖潛能值（GWP）轉(zhuǎn)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(shù)，定義為消耗單位燃料或生產(chǎn)單位產(chǎn)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(nóng)村平原地區(qū)（大興區(qū)、通州區(qū)、順義區(qū)、房山區(qū)、朝陽區(qū)、豐臺區(qū)和海淀區(qū)）。考慮到人口密度、經(jīng)濟因素和個人習慣等因素，根據(jù)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(jié)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(diào)機組在常規(guī)天氣和最冷天氣的CO2當量較低。

圖10 空氣源熱泵空調(diào)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(jié)能與減排

圖11a 為北京市平原地區(qū)（山區(qū)）循環(huán)水溫為38.7 ℃、室內(nèi)溫度為18.9 ℃時，空氣源熱泵空調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)相比電熱鍋爐更為節(jié)能、環(huán)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(diào)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(diào)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(jié)能減排的作用。

圖11 空氣源熱泵空調(diào)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(diào)供暖系統(tǒng)平均COP 為2.13，若平均COP 提升15%，根據(jù)已經(jīng)實施改造的區(qū)域測算，以空氣源熱泵空調(diào)供暖系統(tǒng)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(xiàn)有供暖能耗為7 252.7 kW·h，空氣源熱泵空調(diào)能效提升后，可節(jié)省電量946.0 kW·h，單戶節(jié)約費用473.0 元（按電價為0.5 元/（kW·h）計）。北京市現(xiàn)有81萬戶采用空氣源熱泵空調(diào)供暖系統(tǒng)，根據(jù)GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》提供的常規(guī)能源替代量的評價方法，能效提升后預計可節(jié)約電量770.0 GW·h，相當于每年可以節(jié)約標準煤13.4 萬t，可實現(xiàn)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(diào)面臨的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢

3.1 面臨的挑戰(zhàn)

隨著國際上對環(huán)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(diào)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(diào)的推廣應用面臨各種挑戰(zhàn)，包括技術、經(jīng)濟、監(jiān)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(fā)展面臨的主要問題。

圖12 空氣源熱泵空調(diào)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)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(diào)補貼為0.60～1.15 元/（kW·h），法國空氣源熱泵空調(diào)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(xù)出臺了相應的空氣源熱泵空調(diào)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(huán)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(fā)展，雖然有相關熱泵設計和安裝規(guī)范，但缺乏安裝和維修的專業(yè)人員，不能滿足一些行業(yè)的特殊需求。

（4）熱泵的大規(guī)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(guī)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(diào)的發(fā)展面臨各種挑戰(zhàn)，但在減少溫室氣體排放和對供暖和制冷行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的貢獻已毋庸置疑。

3.2 發(fā)展趨勢

為提高空氣源熱泵空調(diào)的性能，可通過優(yōu)化系統(tǒng)部件、優(yōu)化系統(tǒng)、改進除霜方法、采用新工質(zhì)等實現(xiàn)。通過采用高效的壓縮機和換熱技術，擴寬系統(tǒng)運行范圍，在大溫差工況下保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；通過深入研究熱泵系統(tǒng)理論機理，優(yōu)化設計空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，開發(fā)新型空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)等，使制熱量、COP 等得到提升；通過深入研究結(jié)霜機理、提出新的除霜方法、優(yōu)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(fā)綠色高效的新型制冷劑來促進空氣源熱泵空調(diào)技術的發(fā)展。

近年來，隨著新材料的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)、人工智能概念的提出，空氣源熱泵空調(diào)技術迎來了新的發(fā)展機遇和新的經(jīng)濟增長點?？諝庠礋岜每照{(diào)與儲熱技術結(jié)合是實現(xiàn)節(jié)能、調(diào)節(jié)電力負荷、減少運行費用的重要技術路線。材料的傳熱傳質(zhì)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(shù)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(yè)應用需求，傳熱強化技術已經(jīng)成為相變儲熱系統(tǒng)的研究重點［50-51］。在空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行過程中，利用數(shù)據(jù)挖掘技術，根據(jù)系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)建立模型，通過實時數(shù)據(jù)的接收和計算，可對設備進行監(jiān)控，在故障發(fā)生前及時預警，找出故障源并實現(xiàn)維護預測，進而達到節(jié)省能耗、節(jié)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(huán)境、用戶使用習慣等密切相關，通過大數(shù)據(jù)長期分析與監(jiān)測，對系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)等進行分析，采用數(shù)據(jù)挖掘算法和人工智能，建立制冷空調(diào)系統(tǒng)能耗預測模型，提前預測系統(tǒng)未來的能耗，精確匹配機組運行參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)控制，提高運行效率，使系統(tǒng)始終在滿足室內(nèi)負荷的條件下最優(yōu)化運行，從而達到節(jié)能的目的［52］。

4 結(jié)論

近年來，空氣源熱泵空調(diào)技術迅猛發(fā)展，中國、日本、歐洲和美國是核心熱點區(qū)域。在我國，供暖和熱水占空氣源熱泵空調(diào)應用的92.7%。空氣源熱泵空調(diào)的研究工作主要圍繞循環(huán)構建、除霜、系統(tǒng)控制等方面開展。準二級壓縮熱泵循環(huán)在低溫空氣源熱泵空調(diào)產(chǎn)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(tǒng)可實現(xiàn)系統(tǒng)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(diào)結(jié)合相變蓄熱在電力負荷調(diào)節(jié)和熱量匹配方面具有優(yōu)勢。比較了主動除霜和被動除霜的優(yōu)缺點，指出系統(tǒng)控制是保證系統(tǒng)運行的重要手段?？諝庠礋岜每照{(diào)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。空氣源熱泵空調(diào)在我國北方煤改清潔能源項目中扮演著重要角色，所監(jiān)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(jié)能減排效果明顯。經(jīng)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(zhàn)，新材料、大數(shù)據(jù)、人工智能與空氣源熱泵空調(diào)融合成為發(fā)展方向，空氣源熱泵空調(diào)在新形勢下將會發(fā)揮重要的作用。