空气源热泵技术在住宅中的应用

空气源热泵

空气源热泵供热就是通过吸收屋外空气中的低品位热能，依据热泵原理，利用少量的电力经过压缩机，压缩做功后产生高温热能，将水温加热到不高于60℃(一般的水温在35-50℃）的一种热泵设备。其产生的热水通过室内热水供热管路就可以给建筑物进行采暖。

空气源热泵的工作机理就是其室外蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量，使传热介质（冷媒/制冷剂）蒸发汽化，介质（冷媒/制冷剂）蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过黏结在贮水箱外表面的特制环形管冷凝器冷凝成液体，同时释放出的热量加热了空气源热泵贮水箱中的水，冷凝后的传热介质（冷媒/制冷剂）通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。工作原理图如下：

总之不管是任何空调，都遵循能量守恒原理：空气能热泵把释放的能量送到水箱里交换热量。制热就反过来。冷媒的循环：气态-->液态--->气态，气态在压缩机压力下变成液态过程要产生热量，热量排出后液态冷媒变冷了流到室内交换管道与室内空气交换变成冷气，此时变成了气态冷媒。

空气源热泵的优点

• 整体性好，安装方便，可露天安装在室外，如屋顶、阳台等处，不占有建筑面积，节省土建资源。
  

• 一机两用，夏天供冷，冬天供热，冷热源兼用，省去了锅炉房

• 机组的安全保护和自动控制集成度较高，运行可靠，管理方便。

• 输出的有效热量总大于机组的消耗功率，比直接电热供暖节能。

以下表格为不同热源比较：

注1：设在相同条件下对1吨初始水温为20℃的生活热水进行加热，使水温升高到55℃。

需热量：1000kg×（55-20）℃×1Kcal/kg℃=35000 Kcal

注2：能源价格表：商用电：0.9元/°，轻柴油：5元/㎏，液化气：14元/m3

综上优点，越来越多的地产商鉴于用户维度的考虑，采用空气源热泵作为生活热水的首选，以江南区域为主。

空气源热泵的缺点

机组常年暴露在室外，运行环境差，使用寿命比冷水机组短。

机组的制冷制热性能随室外气候变化明显。制冷量随室外气温升高而降低，制热量随室外气温降低而减少。

机组是以室外空气作为热源，由于空气比热容小以及室外侧的传热温差小，故所需风量较大，机组的体积也较大。

冬季室外温度在-5℃~5℃范围时，蒸发器常会结霜，需频繁的进行融霜，供热能力会下降。

空气源热泵应用范围的局限性

空气源热泵的工作温度是零下10至40℃。使用这一技术，能有效节约能源，其运行成本只有电热水器的1/4，如按照现有的电价和油价，烧热同样多的热水，它的运行成本只有燃油锅炉的1/2。

但普通空气源热泵型机组由于受到压缩机运行范围、运行特性和要求的限制，实际上仅能运行于不低于-10℃的环境。在室外环境温度低于-10℃的情况下，机组的制热能力和效率下降明显，而且在低温环境下，热泵系统还会出现回液、排气温度高、超范围运行等问题，因此对于长江以北及广大的北方地区，其适应性下降。

普通单级压缩空气源热泵机组在低温环境下的热量衰减严重的主要原因是：在室外温度低（低于-10℃）的情况下，制冷剂蒸气压力下降，制冷剂质量流量下降，导致在压缩机体积排气量不变的情况下，用于制热的制冷剂的质量流量非常低，机组的制热效果下降，制热量衰减严重，而此时又是制热量需求最大的时候，因此此时普通空气源热泵机组不适用。

空气源热泵的特性及使用要求

由于空气源热泵是从外围的空气环境中吸收热量来制热的，因此它的制热性能较大的受到环境温度的影响，随着室外温度的降低，热泵的性能系数也随之下降，当性能系数下降到接近1时，采用热泵供热就失去了节能的意义，因此空气源热泵不能应用于室外气温过低的情况下。另外，当室外温度低于热泵机组可接受的工作温度时，机组也无法启动工作。

随着空气源热泵设备的不断改进，空气源热泵的工作温度下限也从早期的-5℃，发展到-25℃左右的超低温热泵。这就应运产生了北方地区采暖专用的空气源热泵----低温型空气源热泵。

低温型空气源热泵

为了提升低温环境下的制热效果，增大空气源热泵机组的适用地域范围，可采用带经济器的低温空气源热泵技术，其工作原理如图所示。此项技术主要是在压缩机的压缩中间段增加补气口，也就是传统的经济器接口。经济器流路是在液管（点1）处分出一路制冷剂液体（支路），通过膨胀阀节流后，由点4进入经济器蒸发，吸收另一路制冷剂液体（主路）的热量，增大主路制冷剂液体的过冷度，提升系统冷量（从环境吸收的热量）。

支路制冷剂液体在经济器内蒸发后，进入压缩机的经济器接口（点6）。由于经济器回路的制冷剂蒸气压力和密度相对压缩机吸气压力（点7）高，制冷剂质量流量相对较大，因此可以增大室内换热器流通和换热的制冷剂质量流量，从而大幅度提升空调机的制热量和能效比。下图所示为可实现中间补气功能的涡旋式压缩机，设计有中间补气接口。

带中间补气的涡旋式压缩机

低温型空气源热泵性能

在超低温环境（室外温度达到-20℃）的制热试验中，普通机组已经无法运行，但低温机组的制热量仍可达到名义工况下的55%左右，能效比为2.0左右。

国内已有-15℃环境温度时保持2.3的性能系数，-20℃时还能达到1.8的超低温热泵产品。超低温空气源热泵的特性曲线（性能曲线）如下图：

采用低温型空气源热泵的地区

从表格可以看出，在华南、西南、华东和华中的部分地区，冬季空气调节温度大部分均在-7℃以上，最低日平均气温也在-10℃以上，可采用普通涡旋式空气源热泵机组。

在东北、西北和华北的部分低温地区，冬季室外温度均低于-20℃，这部分地区宜采用燃气或燃煤锅炉集中供暖方式。

在华中、华东、华北、西北的部分地区，冬季室外温度均在-15℃以上，最低日平均气温也在-20℃以上，无法采用普通机组供暖，虽然部分地区的城镇已有集中供暖，但集中供暖缺乏灵活性；

在黄河以南的中部地区，冬季取暖多依靠煤炭，供热效率低且易发生煤气中毒事故；而且长江沿线十余省，冬季基本上无集中供暖，电暖器等局部取暖设施不能满足整个居室的供暖需要，且耗电量较高。普通机组在超低气温环境中运行不可靠且制热量衰减严重，而低温机组则具有较好的适应性。

低温机组与普通机组相比具有以下优点

1、在名义制冷和制热工况下，低温机组的冷热量和能效比普通机组有所提升。在-10~-15℃的环境中，普通机组基本无法正常工作，可靠性低，制热量衰减严重。低温机组不但能够稳定制热运行，且排气温度相对较低，运行可靠。

2、低温机组在-15~-20℃超低温环境中仍可正常稳定运行，能效比在2.0左右。

结论

空气源热泵的高效节能，舒适安全越来越受到用户与开发企业的青睐，在市政条件不完善，容积率低，同时入住户数不高的低密度高档小区，户式中央地暖+中央空调+生活热水一体式解决方案，是不二的选择。

2016年8月11日，由中国热泵产业联盟主办的“2016中国热泵产业联盟年会及亚洲空气源热泵高峰论坛”在北京开幕，中国工程院院士、清华大学教授、本刊编委会副主任委员江亿到场出席活动并发表了题为《用空气源热泵实现“煤改电”》的讲话。

“十八大”报告中，环境保护被提升到了前所未有的高度，首次单篇论述生态文明，首提“美丽中国”的宏伟目标，并释放了强烈的关注环境保护、资源循环利用、节能减排等相关领域的信号。随着国家对环境污染的严格管控，供暖污染越来越引起民众关注，空气源热泵这种清洁能源已经受到更多人的关注。在清华同方、美的、格力、芬尼克斯等生产企业的研发下，空气源热泵已经广泛走入了人们的住宅。

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