《制冷及低温工程学科发展报告（2018-2019）》专题报告解读之空气源热泵发展研究

来源：中国制冷学会

研究背景

空气源热泵是热泵的一种具体的体现形式，其能量来源除了少量电能之外，大部分来自于环境大气中蕴含的热量，归根到底来源于太阳能。“十三五”期间提出北京地区实现“煤改电”，主要针对北京郊区、农村地区由燃煤取暖炉改为“电取暖”，而“电取暖”中绝大部分为压缩式空气源热泵取暖。2018年11月1日已经实现了北京郊区312个村、12.2万户的改造，一个采暖季可以减少燃煤452万吨，减少CO2排放1176万吨、SO2排放10.86万吨。长江流域夏热冬冷地区的冬季供暖问题也得到广泛关注，空气源热泵也成为了首选。

除此之外，吸收式空气源热泵系统可以由太阳能、地热能、生物质能、工业余热等驱动，同样能够实现从空气源吸热，产生热水满足工业和居民的用热需求。在整个供热链条中，除了以上所提及的制热端以外，实际用热场所里的散热末端同样会对供热链条的整体效率产生重要的影响。

压缩式空气源热泵系统

近年来，热泵作为一种能够有效提升热能品位的技术得到了广泛的关注，其中空气源热泵更是由于其良好的适应性而被大量使用。作为空气源热泵的一种良好实现方式，空气源热泵热水器在近年间得到了很好的发展，其结构如下图所示，包括压缩机、蒸发器、膨胀阀、过滤器、储液罐、冷凝器、水箱以及相应的控制装置等部件。理想工作过程为：蒸发器中的液态制冷剂从空气吸热蒸发成气态，由压缩机吸入蒸气，压缩成高温高压的过热气体，在冷凝盘管中冷凝成过冷液体，冷凝放热给需要加热的生活用水，冷凝后的液体制冷剂通过膨胀阀，降温降压，部分气化，变成气液两相混合物。两相混合物进入蒸发器开始下一次循环。

图1空气源热泵热水器系统结构图

空气源热泵热水器的特点可概括为：高效节能，全天候运行，实用性强，寿命长，安全可靠，方便运行，经济性强。

除了空气源热泵热水器之外，空气源热泵空调同样也是一种重要的实现方式。随着近年来夏热冬冷地区采暖需求的提出，要求南方地区的空气源热泵空调系统不仅具有夏季制冷功能，而且要在冬季提供采暖功能，从而使空气热泵的全年使用时间大大增加，运行工况也更为复杂。

空气源热泵空调与空气源热泵热水器原理基本一致。其主要系统形式有空气/空气热泵和空气/水热泵两种形式。其中空气—空气热泵在住宅、商店、学校等中小型建筑物中应用广泛。空气—空气热泵除了像制冷机组一样有四大部件以及电器控制部分之外，还增加了一个电磁换向阀和冷热控制开关。空气—水热泵空调的系统组成与空气—空气热泵空调基本一样，只是室内侧换热器的载热介质是水而不是空气。制冷时，用户所需的冷水由蒸发器提供。

除了空气源热泵热水器及空气源热泵空调之外，空气源热泵热风机已经成为空气源热泵行业一个新的产业聚焦点。其原因在于，空气源热泵热水机在近几年成为北京以及天津地区农村取暖改造的主体，但存在安装以及对原锅炉管道暖气片的冲洗困难等问题，并且热泵热水机开启后，房间内的升温比较慢。空气源热泵热风机（以下均称热风机）可以解决以上诸多问题，热风机不需要连接管道与暖气片，直接对室内的空气加热，房间温度提升较快，而且热风机的安装与维修更为便捷。

热源塔热泵技术最早起源于日本20世纪80年代，本质上属于空气源热泵，也是一种新型的建筑冷热源方案，如下图所示。制冷工况下，热源塔作为冷却塔使用，将热量排到大气实现制冷，可实现水冷冷水机组高效率运行；制热工况下，热源塔利用低于冰点载体介质（如乙二醇溶液）高效地提取环境空气中低品位热能，将低于湿球温度的防冻溶液，均匀地喷淋在具有亲液性质填料层的凹凸形波纹板上，形成液膜，空气侧经由多层波板填料空间的表面空隙逆向流通，与液膜发生显热、潜热交换，再通过热泵机组对建筑物进行供热。

由于能源塔是按照供热负荷能力设计的换热面积，相对比风冷热泵换热性能稳定，整个冬季机组的能效比约为3.0～3.5；夏季机组的能效比高达4.2～4.5，节能效果显著。

图2 热源塔热泵系统工作原理图

空气源热泵技术在国家“煤改电”项目中得到了前所未有的推广，得到了广大用户的认可。据保守估计，空气源采暖将在未来呈现数以亿计的市场。目前，空气源采暖行业已进入行业发展的转折期，新兴的采暖市场致使空气源采暖企业如雨后春笋般长成，行业已经入强劲的市场竞争中，促进了技术研发和创新。同时空气源热泵也在物料干燥、农业大棚冬季控温等方面得以应用。新一轮的行业发展，我们翘首以盼。

氨水吸收式空气源热泵

吸收式空气源热泵系统可以由太阳能、地热能、生物质能、工业余热等驱动，从空气源吸热，产生热水满足工业和居民的用热需求。

第一类氨水吸收式空气源热泵是以氨水溶液的吸收和解吸代替机械压缩机实现氨工质的吸气和排气，氨的吸收过程和解吸过程在吸收器和发生器中完成，分别为低温排热过程和高温吸热过程，包括吸收器和发生器的溶液回路可以称为“热压缩机”。除此之外，系统其他部件和压缩式空气源热泵一样，如下图所示。

图3 氨水吸收式空气源热泵基本原理示意图

基本的氨水压缩-吸收式空气源热泵原理如下图所示，相比于压缩式空气源热泵系统，氨水压缩-吸收式空气源热泵以吸收器代替冷凝器、空气源发生器代替空气源蒸发器，吸收器与空气源发生器之间设置溶液回路实现工质的循环。

图4 压缩-吸收式空气源热泵示意图

溴化锂-水吸收式热泵机组的商用化已非常成熟，但是氨水吸收式热泵的商用化远远落后，通常是非标制造，仅在溴化锂-水吸收式机组不能或难以使用时应用。其模块化的商用产品主要集中在直燃型氨水吸收式空气源热泵机组上。国际上较为著名的公司有意大利的Robur、英国的Remeha和Lochinvar等，已形成了系列化的氨水吸收式空气源热泵产品，单台机组供热能力35kW左右，需大容量供热时，可采用多模块并联满足供热需求。

辐射末端

辐射供暖是指升高围护结构的一个或多个表面的温度，形成热辐射面，依靠热辐射面与人体、家俱及其余围护结构表面等进行热交换的供暖方式。目前低温热水地板辐射供暖是现代舒适节能型建筑的最佳采暖方式之一。在采用低温热水地板辐射供暖的房间中，热空气在室内下方，密度较小，会自发地向上流动，从而能够强化室内空气在垂直方向上的自然对流，室内温度均匀性较好，能够更好地将热量传递给人体。

辐射供冷是指降低建筑围护结构一个或多个表面的温度，形成低温辐射面，通过低温辐射面与人体、家俱和其它围护结构等之间的辐射换热来调节室内温度的供冷方式。由于辐射供冷末端结构简单，传热热阻较小，传热性能较好，所以通常使用的冷媒温度在15～20℃，而风机盘管等其它供冷末端需要使用的冷媒温度通常低于10℃。

楼板埋管式辐射末端是指将管路埋覆于混凝土之中所形成的辐射末端，常见结构如下图所示。这种辐射末端造价较低，技术比较成熟。管路通常选用聚丁烯材料，该材料有“塑料黄金”之称，在耐温耐压方面以及加工性能方面都要优于其它塑料。

图5楼板埋管式辐射末端结构图

金属板式辐射末端是指将管路嵌入金属板中形成预制构件，可以安装在顶板或墙壁上的辐射末端。其本质是一种管内介质为水，管外介质为空气的表面式空气换热器。制造基本流程是将管路嵌入金属板中，在管路上方铺设绝热保温层，形成一种夹心式结构，保证热量只能通过金属板与外界进行交换，减少了能量的损失。

毛细管网式辐射末端是德国科学家根据仿生学原理提出的一种辐射末端形式。其散热机理与自然界中植物的叶脉和人体毛细血管类似，通过毛细管内流动的媒介与室内环境进行热交换，从而调节室内温度。

撰写团队

本章内容的撰写工作由曹锋和宋昱龙负责协调，各小节内容分别由胡斌、杜帅、梁彩华、殷勇高、翟晓强、宋昱龙负责。

曹锋，西安交通大学教授，压缩机工程系主任，教育部长江学者特聘教授，中国制冷学会学术委员会委员，中冷协汽车空调工作委员会副主任委员，电能替代技术联合实验室学术委员会委员，长期从事制冷与热泵技术、跨临界CO2制冷制热技术研究。以第一完成人获国家科技进步二等奖，陕西省科技进步一等奖，并获得制冷学会科技进步特等奖、教育部科技进步一等奖等荣誉，先后主持国家自然科学基金项目4项，国家863计划项目及国家科技支撑计划项目等多项科研项目，发表论文70余篇（SCI/EI），授权发明专利27项。

胡斌，上海交通大学助理研究员。2015年毕业于西安交通大学动力工程及工程热物理专业，获得博士学位，期间在美国德克萨斯大学达拉斯分校访学，参与CO2制冷空调系统的优化控制研究。主要从事超低温空气源热泵、工业余热回收压缩式热泵及热泵蒸汽供应技术的研究。近年来主持、参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家重点实验室开放课题、校企联合重点产学研项目等项目15项，发表SCI和EI论文30余篇。2019年获教育部科技进步一等奖，获中国工程热物理学会优秀论文奖。

杜帅，上海交通大学助理研究员。从事吸收式制冷/热泵系统、传热传质强化、能量系统集成等方向的研究，发表论文20余篇，主持国家自然科学基金青年基金，参与多项基金委与科技部资助项目，Int J Heat Mass Transf、 Energy、Int Jof Refrig、Appl Therm Eng等期刊审稿人。

梁彩华，东南大学教授，博士生导师，“低碳型建筑环境设备与系统节能”教育部工程中心副主任，兼任江苏省制冷学会副理事长。长期从事新型制冷空调技术、制冷空调系统控制与节能优化研究。被评为“江苏省优秀科技工作者”，入选江苏省“六大人才高峰”。成果获国家技术发明二等奖1项，教育部技术发明一等奖1项、二等奖1项，江苏省科技技术一等奖1项、二等奖3项。发表学术论文100余篇，其中SCI、EI收录70余篇；授权中国发明专利51项，美国发明专利1项。

殷勇高，东南大学教授，国家第二批万人计划青年拔尖人才获得者，荣获江苏省杰出青年基金、教育部新世纪优秀人才、全国优秀博士学位论文作者专项、霍英东青年教师基金等荣誉，荣获国家技术发明二等奖、全国优秀博士学位论文奖、吴仲华优秀青年学者奖、中国制冷学会科学技术奖青年奖。近年来主持了国家自然科学基金、国家重点研发计划课题等十余项省部级以上科研项目，发表SCI/EI论文80余篇，出版著作1部，英文著作1章，获国家发明专利授权近40件，美国专利1件，一项第一发明人的发明专利获日内瓦国际发明展金奖。

翟晓强，上海交通大学教授。研究方向为可再生能源转化、蓄存及其在建筑中的高效利用。从事研究工作以来，主持3项国家自然科学基金面上项目、参与多项重点基金和国际合作基金项目，并承担了科技部、教育部、上海市科委以及企业的科研项目30余项。在所研究的领域发表论文近百篇，其中，SCI国际期刊论文50余篇；申请或授权国家发明专利20余项。相关科研成果获得国家技术发明二等奖、教育部科技进步一等奖、上海市科技进步二等奖。入选了教育部新世纪优秀人才计划、上海市浦江人才计划。

宋昱龙，西安交通大学助理教授，入选2019年人社部博士后创新人才支持计划，2019年毕业于西安交通大学动力工程及工程热物理专业，获得博士学位，期间在丹麦科技大学访学，参与CO2喷射制冷系统的优化控制研究。主要从事跨临界CO2制冷制热技术等方面的研究。近年来主持、参与国家自然科学基金、校企联合重点产学研项目等项目十余项，发表SCI和EI论文30余篇。