空气源热泵技术及发展瓶颈分析

【摘 要】空气源热泵采用当今世界较为先进的技术，以制冷剂为媒介，通过换热装置将热量传递给水，热水再通过水循环用于采暖或直接用于热水供应，该技术具有效率高、环保性强等特点，具有广阔的发展前景，但同时其发展也面临着许多问题。

【关键词】热泵 空气能 逆卡诺 热交换 高效 环保

1 空气源热泵简介

热泵系统根据逆卡诺循环原理，采用电能驱动，通过传热工质把自然界的空气、水、土壤或其它低温热源中无法被利用的低品热能有效吸收，达到制热或制冷的目的。

热泵系统根据利用能量来源的不同可以分为水源、地源和空气源热泵。空气源热泵目前广泛应用于区域供热供水，其以极少的电能，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能，传输至水箱，加热热水。具有能耗低、速度快、安全性好、环保性强、方便可靠等特点，只要是空气流通的地方都可安装，不需要打井和布管。

2 空气源热泵发展历史

自空气源热泵上世纪20年代产生后，在很长的一段时间里面没有引起人们足够重视，供暖还是习惯于燃气或者电热。但到20世纪60年代后，世界能源危机、温室效应、全球极端天气频发等使人们深刻认识到利用新型或可再生能源的重要性。世界各国纷纷加大了研发、推广热泵技术，目前已经比较广泛地使用，欧盟等已经将这一技术列入可再生能源范围。

我国对热泵技术研究始于20世纪80年代，近年来北京、辽宁、山东、河南、上海、江苏等地陆续建成了大量的地源热泵工程，我国铁路运输系统也开始采用地源热泵来为铁路沿线建筑采暖制冷，但是因为地源热泵技术自身的局限，许多铁路建筑无法实施。近五年来我国空气能热泵产业发展非常迅速，热泵热水器产品在长江地区已有大量应用，尤其在宾馆、学校等商用热水领域。如广东等省份空气源热泵几乎全面替代燃油和电锅炉，产生了良好的节能效果。但就目前整体来看，中国空气源热泵市场规模仍然很小，仍需政府积极扶持和正确引导。现阶段我国能源消费结构如图1所示：

3 空气源热泵具备如下主要优点

（1）高效：其输出能量与输入电能之比即能效比（EER）一般在3.0以上，最高可达6.0，而普通电热水锅炉的能效 比不大于0.95，燃气、燃油锅炉的能效比一般只有0.6—0.8。

（2）安全：无太阳光直射即可工作，完全无须电加热方式， 从根本上杜绝了普通热水器系统中的易燃、易爆、触电、干烧、煤气中毒等安全隐患。

（3）环保：无废水、废渣、费热、废气排放，不会对大气和环境产生任何污染。

4 空气源热泵工作原理

根据热力学第二定律，热量也是不能自发地从低温环境向高温环境中转移或传送，而要实现这个目的，必须要有一台机器，消耗一部分机械功（例如电能），才能将低温环境中的热量传送到高温环境中去。这样的机器就称之为“热泵”。所谓逆卡诺循环是一个理想过程，即利用做功把热量从低温物质转移到高温物质。由热力学第二定律还可以证明，在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高，任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。

空气源热泵系统一般由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀等部件组成。它运用逆卡诺循环原理，通过压缩机做功使工质产生相变（气态—液态—气态），在这种往复循环相变的过程中，通过蒸发器不间断的从环境吸取热量，通过冷凝器（又叫换热器）不间断的放出热量，使冷水逐步升温，制取的热水通过热水管网循环装置输出到用户使用终端，工作原理如图2所示：

也就是说空气源热泵在运行中，蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过永久黏结在贮水箱外表面的特制环形管冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了空气源热泵贮水箱中的水，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。

冬天室外气温低，热泵是以制冷剂为热媒，在空气中吸收热能，（在蒸发器中间接换热），经压缩机将低温位的热能提升为高温位热能，加热系统循环水（在冷凝器中间接换热）；夏天室外气温高热泵是以制冷剂为冷媒，在空气中吸收冷量（在冷凝器器中间接换热），经压缩机将高温位的热能降低为低温位冷能，制冷系统循环水（在蒸发器中间接换热），从而使不能直接利用的能源再生为可直接利用，做到只消耗了少量电能而获得高收益。空气源热泵设备实物如图3所示：

5 空气源热泵技术主要缺点

（1）虽然普通空气源热泵具有节能环保等优点，但是其供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而降低，所以它的使用受到环境温度的限制，一般适用于最低温度在-10℃以上的地区，我国地域广阔，对于北方地区普遍存在不适用的问题，迫切需要解决。特别是铁路沿线建筑需要冬季供暖、夏季制冷，而且都有生活热水需求，而实际大多无热网接入，采用煤炭、燃油或空调供热，造成污染，增加成本。

（2）普通空气源热泵出水温度低，一般不超过70度，溴化锂制冷机组效率偏低。

（3）热泵型机组存在体型较大，除霜技术尚不完善等问题。

（4）空气源热泵大多采用氟利昂作制冷剂，其对大气臭氧层有破坏作用，引发温室效应，同时机组还存在噪声污染、热污染。

为解决普通空气源热泵的不足，20世纪80年代末挪威科学家劳伦曾教授提出了二氧化碳热泵原理，科研人员在90年代末通过试验证明，在外界空气热源为零下20度时，二氧化碳热泵系统仍可提供高达90度的热水，目前国内某些高校也正在研究利用二氧化碳作为制冷剂的高效空气能热泵，一些空调生产厂家近几年也开始了对二氧化碳热泵系统提供生活热水小区域供暖的尝试。使用二氧化碳作为制冷剂，更加环保，其效率高于普通热能泵，适用范围宽，尤其适合在北方冬季供暖使用，具有显著的节能效果和经济效益，发展前景广阔。但是目前国内该项目还处在试验性阶段，许多关键性技术尚未成熟，还有待突破。

6 空气源热泵发展面临问题

6.1 缺乏国家扶持

为了实现节能减排的目标，我国目前太阳能、风能、地热能的开发利用发展迅速，而节能产品补贴和可再生能源政策还没有将空气能热泵技术列入支持范围，而发达国家政府给予空气能热泵产业采用积极引导政策。

6.2 社会认知度很低

2008年到2010年，中国节能协会通过国际组织、行业领先企业的合作，组织了节能万里行活动，在我国长江以南十多个城市，开展公益性的宣传活动，广泛宣传空气源热泵热水器的优势。但目前社会大众对这一技术的认知有限，有的全然不知，对这一能源效率高达3.0以上的产品心存疑虑。根据中国节能协会委托国内相关专业调查公司针对上千名消费者做的调查显示，90%以上的消费者从没有听说过热泵热水器，更不了解它的节能优势。

7 几点建议

7.1 政策角度给予鼓励

这将有利于大力改变以燃煤为主的能源消耗结构，助我国实现十二五总体节能减排目标。将空气源热泵技术纳入到可再生能源技术范畴，空气源热泵热水器纳入节能产品惠民工程，逐步实施产业化、专业化管理。这样可直接提升我国可再生能源利用的比例，同时便于与欧美等国家及地区横向对比和沟通，进一步提升我国热泵产业在全球的竞争力。

7.2 与其余能源相结合

现有条件下在南方地区，空气源热泵无疑就是一种比较理想的辅助加热设备，将热泵技术与太阳能、地热能、风能等结合供应热水，充分发挥现有空气能热泵系统的优势。

7.3 发展新型热泵技术

政府节能主管部门组织教学机构、科研院所，着力开展技术攻关，大力深入研发推广空气源热泵热水器技术，尤其是采用二氧化碳等作为制冷介质高效空气源热泵技术的研发，在我国北方地区低温环境下应用前景广阔，对于促进铁路沿线建筑节能环保，优化能源消耗结构等工作具有重大意义。

7.4 加大宣传力度

各级部门对空气能热泵技术这一可再生能源的宣传力度，提高社会对该能源及技术的认知水平，开拓市场发展空间。

8 未来展望

重视节约能源和提高能源效率是我国一贯的国策，空气源热泵技术是合理利用能源的典范，其节能效益使其在热能空调领域获得广泛地发展。相信在政府大力鼓励和宣传下，通过科研人员不断研发和应用，我国空气源热泵技术会取得长足的进步，特别是成功高效能的空气源热泵技术在北方加以推广，应用为建立节约型社会，发展循环经济，促进可持续发展起到关键性作用。

参考文献：

[1]张昌.《热泵技术与应用》[M].北京：机械工业出版社，2008.8.

[2]马最良.《空气源热泵系统设计》[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.7.

[3]林涛.空气源热泵原理及发展现状[J].建筑知识，2012.（4）.

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