空气源热泵空调技术应用现状及发展前景

陈健勇，李浩，陈颖，赵军

（1.广东工业大学材料与能源学院，广州510006；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京100013；3.天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津300350）

0 引言

在全球范围内，建筑消耗约40%的一次能源，排放约30%的温室气体［1］。住宅和公共建筑供暖及制冷设备的覆盖率逐年提高，能耗不断提高。目前我国制冷制热用电量占全社会用电总量的15%以上且年均增长速度接近20%，主要产品节能空间达30%～50%［2］。2019 年我国发布了《绿色高效制冷行动方案》，提出了绿色高效制冷产品市场占有率提高40%且能效提升30%以上的目标，对热泵空调设备提出了更高的要求。2020 年提出的“碳达峰、碳中和”目标，定调了国家绿色低碳的高质量发展方向，热泵空调行业迎来了新的机遇与挑战。

空气源热泵空调以消耗少量电能为代价，将室外环境空气中低温热源的热能转变为高温热源，达到对室内空气进行调节的目的。与其他的供暖装置相比，空气源热泵空调具有高效节能、绿色环保、安装灵活、使用方便等优点，适用于分户安装。1981 年在内罗毕召开的“新能源和可再生能源”国际会议上，首次明确了可再生能源的定义［3］。欧盟2009 年发布可再生能源指令，将“空气热能”定义为“环境空气中存在的能量”并将其纳入可再生能源范畴［4］。2018 年全球热泵总销量约300 万台，其中欧洲市场和美国市场基本呈现稳步增长的趋势，绝大部分欧洲国家都出台了相应的补贴政策［5］。2015年11 月25 日，我国住房和城乡建设部科技发展促进中心发布了《空气热能纳入可再生能源范畴的指导手册》。在中国“煤改清洁能源”等项目的推动下，空气源热泵空调迎来了高速发展，2013—2020年，空气源热泵空调市场规模增加了2 倍［6］。除了冷暖制备产品，空气源热泵烘干机和热水器等产品也逐渐占据市场份额。空气源热泵空调在夏热冬冷气候区、寒冷气候区、夏热冬暖及温和气候区节能潜力共计1 620 万t 标准煤/a，而在北方及长江中下游地区的节能潜力共计4 097 万t标准煤/a［6］。

在新形势下，高效环保的空气源热泵空调对节能减排减碳具有重要价值和现实意义。本文从空气源热泵空调研究进展、典型应用、挑战和发展这几方面对近年来相关技术进行分析，探讨空气源热泵空调的优缺点，总结空气源热泵空调的节能减排潜力，为行业技术人员和学者提供参考。

1 空气源热泵空调的研究现状

1.1 循环构建

空气源热泵空调兼具冬季供暖热泵和夏季空调制冷的功能，冬季供暖时环境温度可以从0 ℃以上变化到-15 ℃甚至更低，要应对极端恶劣天气，热泵需要有良好的低温运行性能。为提高空气源热泵空调的低温适应性和经济性，学者们对单级压缩热泵循环进行改进，提出了准二级压缩热泵循环、双级压缩热泵循环、复叠式热泵循环、多源耦合热泵循环及空气源热泵空调-蓄热/冷系统等。

1.1.1 准二级压缩热泵循环

准二级压缩循环的核心是中间补气技术，以补气压缩机为基础，通过中间压力吸气口吸入一部分中间压力的制冷剂，与部分已压缩的制冷剂混合再压缩，增加冷凝器中制冷剂的流量，提升制热能力。根据经济器类型可将准二级压缩热泵循环分为过冷器循环和闪发器循环，如图1 所示。由于闪发器循环的中间补气状态相较过冷器循环更接近饱和气态，能够进一步降低压缩机的排气温度，因此可获得更好的循环性能系数（COP）［7］。

图1 准二级压缩热泵循环Fig.1 Cycle of a quasi-two-stage compression heat pump

石文星［8］认为中间补气技术可使热泵系统制热量增加30%以上，COP 提高10%以上。申江等［9］通过试验发现闪蒸器系统在-15～-10 ℃的低温环境下仍有较高的制热能力和供暖效率，能够满足寒冷地区冬季的制热需求，而且随着室外温度的降低，准二级压缩系统的优势愈发明显。Heo 等［7］对一种带有闪蒸罐的准二级压缩空气源热泵空调进行研究，研究结果表明中间补气量越多，热泵的制热能力越好，但闪蒸罐的工作效率会随之降低。马国远等［10］发现中间补气技术能够提高系统的COP，但随着蒸发温度的提高，补气效果会减弱，当蒸发温度高于-10 ℃时，中间补气的效果可忽略不计。张剑飞等［11］将带过冷器的准二级压缩热泵与单级热泵性能进行了对比，对比结果表明当蒸发温度从-5 ℃降低至-20 ℃时，准二级热泵的制热量增加15%～30%，COP 提高9%～19%，耗功仅上升约10%。艾凇卉等［12］通过测试总结出中间补气的准双级压缩热泵是优良的低温热泵，其实测性能良好、运行可靠。因此，准二级热泵适用于低蒸发温度、大压缩比的场合，可在北方严寒地区室外温度低于-25 ℃的环境下运行，但不能根本解决压缩机压比过大、排气温度高等问题，且随着蒸发温度的上升，准二级压缩循环的优势逐渐变小，目前研究范围局限在低温供暖。

1.1.2 双级压缩热泵循环

双级压缩热泵循环将压缩过程分为2 段：低压压缩机先将制冷剂压缩至中间压力，经过中间冷却后再进入高压压缩机将制冷剂压缩至冷凝压力，最后从压缩机排气口排出。双级压缩热泵循环可以分为一级节流中间完全冷却、一级节流中间不完全冷却、两级节流中间完全冷却和两级节流中间不完全冷却，如图2所示。

图2 双级压缩热泵循环Fig.2 Cycle of a two-stage compression heat pump

金旭［13］对特定工况下4种双级压缩循环分别进行了试验分析，分析结果表明：尽管中间完全冷却能够获得更低的排气温度，但补气量的增加会使低压压缩机的循环量减少，导致整个系统的COP 降低；同时相较于一级节流，两级节流能够减少制冷剂在节流过程中的不可逆损失。两级节流中间不完全冷却可以作为一种比较理想的循环方式应用在低温环境下的空气源热泵空调系统中，其COP 相对较好，见表1。

表1 双级压缩热泵循环4种循环方式对比Tab.1 Comparison of four circulation modes of the two-stage compression heat pump

虽然双级压缩循环能够降低各级压缩的压比以及压缩机排气温度，具有更优的COP，但也存在高/低压级压缩机回油不均、最佳中间压力难以确定和温跨范围受到限制等问题。

1.1.3 复叠式压缩热泵循环

复叠式压缩循环由低温级循环和高温级循环构成，该系统通过蒸发冷凝器将2 个单级压缩循环联系起来，利用低温级循环为高温级循环创造运行条件，如图3 所示。王林等［14］提出了一种复叠式热泵循环，在低温下可以减小各级压缩机的压比，降低压缩机的排气温度，提高空气源热泵空调的制热能力。周亮亮等［15］分别选取R134a 和R410A 作为高、低温级制冷剂，构建了复叠式空气源热泵热水系统样机。室外温度为-25 ℃时能正常制取85 ℃的热水，同时解决了室外机结霜的问题。复叠式压缩热泵系统构建较为复杂，成本过高，夏季难以运行，仅在特定场合使用。

图3 复叠式热泵循环Fig.3 Cycle of a cascade heat pump cycle

1.1.4 多源耦合热泵循环

空气源热泵空调在严寒地区的应用受到限制，存在低温适应性差和负荷匹配性问题，而与其他可再生能源热泵相结合，采用多源耦合的热泵可弥补单一空气源热泵空调的不足，获得高效复合热泵系统。

太阳能热泵系统利用太阳能为蒸发器提供热源，只能在白天间歇性工作，空气源-太阳能复合热泵可持续供热，实现高效运行。Odeh 等［16］提出了一种太阳能-空气源双热源热泵系统，如图4所示。该系统采用双套管蒸发器，太阳能热水流经内管，制冷剂在内外管之间的环形通道流动，外管则从空气中吸收热量，实现太阳能、空气热能与制冷剂同时换热，该系统的热效率高于传统太阳能热泵系统。马坤茹等［17］设计了一种新型的太阳能辅助空气源复合热泵，在室外温度为-7 ℃时，复合热泵较单一空气源热泵空调制热量提高约24%，能效提高25%以上。

图4 太阳能-空气源双热源热泵系统Fig.4 Solar-air source heat pump system

地源热泵将地下浅层土壤的热能作为热源，是一种高效、节能的热泵系统，但长期不间断运行会导致土壤出现取排热失衡等问题，空气源-地源复合热泵可减小埋管面积，降低成本。周光辉等［18］将传统的翅片管式换热器与套管式换热器相结合，作为空气-地源双热源热泵系统的复合换热器，实现了不同热源在同一换热器中与制冷剂同时进行换热。游田等［19］提出了一种耦合空气源补热器的地源热泵系统，如图5 所示。利用TRNSYS 搭建系统模型，从可靠性、节能性、经济性3 个方面分析该系统在不同地区的适应性。结果表明，该系统能够满足北方地区的供暖、供冷和供生活热水的需求，且初投资较低，能较好地维持土壤热平衡，是一种值得推广的供热供冷形式。

图5 新型地源热泵系统Fig.5 New geothermal heat pump system

水源热泵需要大量稳定的水资源，地区限制较大且地下水回灌技术不够成熟，而空气源-水源复合热泵可减少这些问题的发生。徐俊芳等［20］对空气-水双热源复合热泵进行理论性研究，认为当环境温度较高时，系统采用单一热源即可实现供暖，当环境温度降至0 ℃以下时，采用双热源比单一空气源更具优势。吴晓阳［21］针对船舶特殊的工作环境，设计了一种机舱空气和海水复合的热泵系统，如图6 所示。该系统共有3 种运行模式，可根据实际情况进行选择，在保证供暖需求的同时可实现较单一热源热泵更高的供热效率，但该系统存在腐蚀、颠簸等问题且初投资较高。

图6 空气源-水源复合热泵Fig.6 Air source-water source composite heat pump

1.1.5 空气源热泵空调-蓄热/冷系统

为保证空气源热泵空调系统低温效率，扩大运行范围，常结合相变材料蓄热技术组成空气源热泵空调-蓄热系统。为了解决空气源热泵空调结霜问题，通过蓄热延缓多变的室外空气造成的空气源热泵空调制热量的变化，平衡热泵的供热量与用户需求，同时调节电力负荷［22］。韩志涛等［23］提出空气源热泵空调蓄热热气除霜系统，除霜时间更短，节省了除霜能耗。空气源热泵空调蓄热系统的供热调节主要是将用热需求低的多余热量转移至供热不足的时间段，可以提高低温下的制热量和能效，解决空气源热泵空调低温运行的问题。大型蓄热式空气源热泵空调机组可实现电力调峰，虽然不是从节能角度出发，但通过低谷电价较低的特点实现系统经济性并提高工程价值［22］。

通过将空气源与太阳能、地源、水源等可再生能源进行耦合构建多源热泵系统，提升系统性能。空气源-太阳能复合热泵能够实现太阳能与空气热能的优势互补，使系统能够在全年各工况下稳定运行，有效提高了系统的经济性和节能性；空气源-地源和空气源-水源复合热泵不仅克服了单一空气源热泵空调在夏季高温和冬季低温环境下换热量小的缺陷，还可缓解单一空气源热泵空调地源或水源热泵的水泵功耗大、地下水回灌等问题。空气源热泵空调与相变蓄热系统结合，在除霜、供热、热水器以及电力调峰方面都能起到提高系统运行效率的作用。这些系统通过切换不同模式，实现不同工况下的更优匹配，更加节能环保，具有更广泛的发展空间。

表2 对比了各种热泵循环：准二级压缩循环会在压缩机偏离设计工况时出现效率下降、制热/冷量不足的情况；双级压缩循环在蒸发温度较低的工况下，可降低压缩机的排气温度和减少压缩机的能耗；复叠式热泵循环能满足特定的设计工况，同时满足低蒸发温度时的蒸发压力和环境温度条件下的冷凝压力，但由于冷凝蒸发器中多了换热温差，系统效率相对较低；多源耦合热泵循环能充分利用各种热源，克服各种单一热源热泵的缺陷，拓宽了热泵的应用范围，但部分存在初投资较高的痛点；空气源热泵空调-蓄热/冷系统保证了热泵在低温环境下的运行效率且充分利用了峰谷电价，经济性有所提升。

表2 压缩热泵循环系统对比Tab.2 Comparison of the circulation systems of compression heat pumps

1.2 除霜

当冷表面温度同时低于空气露点和水的三相点温度时，水蒸气极易在冷表面上冷凝或凝华结霜。随着霜层厚度的不断增加，空气侧流阻和热阻不断变大，换热器传热速率下降，此时，空气源热泵空调系统热效率降低，耗能增加。学者们提出了许多解决方法，见表3。

表3 各种除霜方法的特点Tab.3 Characteristics of various defrosting technologies

除霜方法可分为主动除霜和被动除霜［24］：主动除霜是机组通过四通阀的切换变换蒸发器和冷凝器的位置，利用系统热量除霜，着眼于系统研究；被动除霜是从观察霜层生长过程的研究出发,分析总结霜层形成机理，通过改变冷表面特征来抑制或延缓霜的形成，偏向于微观与几何方面。目前实际应用中往往使用单一方法除霜，效果有限，应该深入研究不同的主动除霜方法并配合抑制霜层形成的方法，使霜层生长全过程都得到控制，考虑“抑霜为先，除霜为后”，完善评价体系，实现除霜性能和经济最优化［25］。

1.3 系统控制

在空气源热泵空调系统中，通过耦合多种控制部件及控制机制（如控制压缩机转速、电子膨胀阀开度及制冷剂循环方向等）来满足不同需求。现有的空气源热泵空调仍存在寒冷地区供暖舒适性不足、压缩机频繁启停以及除霜等问题，学者们提出了一系列控制策略以提升空气源热泵空调的能效，其中研究较多的是除霜控制［26］，见表4。

表4 低温空气源热泵空调现存问题及解决办法Tab.4 Problems and solutions of the low-temperature air source heat pump air conditioning systems

另外，空气源热泵空调的核心目标之一就是在满足用户需求的前提下，实现能耗可视化、节能可控化，这对于大型多联机空调设备、共享办公空调系统尤为突出。随着云计算、大数据、边缘计算、物联网、人工智能、5G等智能技术的发展，市场上涌现了集中管理、分类统计的各种应用，但实现效果和运行水平有待进一步验证，中国标准化协会也发布实施了相关标准［27］。

2 空气源热泵空调的应用场合及节能减排

2.1 空气源热泵空调制冷的应用

2.1.1 汽车空调

汽车空调是指对汽车内空气的温度、湿度、流速和清洁度等参数进行调节的装置，预防或去除风窗玻璃上的雾、霜和冰雪，保证驾驶员和乘客身体健康以及行车安全。传统燃油汽车空调系统制冷主要采用发动机驱动压缩机制冷，制热主要来自发动机余热。而对于纯电动汽车以及燃料电池汽车来说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，不能利用其余热，无法直接采用传统汽车空调系统的解决方案。对于混合动力汽车，发动机的控制方式多样，空调压缩机也不能采用发动机直接驱动的方式。汽车空调系统主要由制冷系统、取暖系统、配气系统和控制电路组成，如图7所示。

图7 汽车空调系统Fig.7 Air conditioning systems for vehicles

汽车空调打开时，空调压缩机的运转会导致发动机对外输出功率提高，发动机单位时间内或单位里程内的燃油消耗量也随之增加。有关数据表明，以私家车为例，2.0 L 排量的发动机，每行驶100 km的空调燃油附加量为3.43 L［28］。目前，大多数电动汽车均采用空调制冷和热泵式空调或热敏电阻（PTC）制热的方式控制车内环境，空调系统消耗的能源在整车能源消耗中的占比约为33%；同时，在满负荷运转的情况下，制热时电动汽车续航里程会降低近50%：因此，节能是新能源电动汽车空调的研究重点［29］。目前针对汽车空调的节能措施见表5。

表5 汽车空调的节能措施Tab.5 Energy-saving approaches for vehicle air conditioners

2.1.2 房间空调

我国是热泵和空调制造大国，家用空调产量持续占据全球80%以上份额。新国标GB 21455—2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》于2020 年7 月1 日正式实施，在原标准（GB 21455—2013）基础上能效有较大幅度提升，加快了高效节能空调的推广和产品结构调整。提升房间空调器能效的主要措施包括采用变频调速、优化冷凝器与蒸发器的强化换热和流道、提高压缩机效率、优化设计电子膨胀阀和家用空调器结构参数以及系统参数等。此外，研究人员还提出了一系列新技术：空调热回收技术，包括空调冷凝热回收加热水；空调蓄热技术，主要对电网削峰平谷，达到节能的目的；新材料研发技术，如采用亲水膜铝箔材料强化换热以及新型制冷剂等；高效压缩机，如采用变容量调节压缩机等［30］。

房间空调附加功能成为当前市场新的突破点，目前附加功能可分为舒适类（湿度控制、风感控制等）、健康类（新风、空气品质控制、换热器／过滤网自清洁等）和智能类（远程控制、智能控制、局部温控、模式识别、人机交互、智能互联等）［31］。附加功能的应用提升了用户的舒适度和使用体验，为空调器差异化发展提供了充分的空间，不同附加功能对房间空调能耗的影响如图8所示。

图8 不同类型附加功能对空调能效的影响Fig.8 Impact of different additional functions on the energy efficiency of air conditioners

2.1.3 多联机空调

多联机空调俗称“一拖多”，是指一台室外机连接2 台及以上室内机，通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内换热器的制冷剂流量，实时满足室内冷、热负荷要求的高效率制冷剂空调系统，常用于数据机房、商业中心、医院等功能性场所。其优点为：冷（热）量直接由制冷剂输送，不需要风管或水管系统，减少了输送耗能及载冷剂输送中的能量损失；冷（热）量随负荷调节，节能效果显著，能效比相对较高。其缺点为：回油比较复杂；制冷剂管道安装要求高，管路较长，制冷剂灌装量大［32］。肖寒松等［33］总结了多联机控制技术的进展，从循环、除霜、回油、舒适性及节能等方面提出了技术展望：系统优化控制、发展应用多联机实现电力调峰、发展基于大数据的系统舒适性和节能控制以及系统故障诊断技术。多联机将进一步与大数据技术交叉、融合，实现控制技术的创新，提升全工况性能，推动多联机向高效节能、高舒适性、多功能和智能化方向发展［33］。

2.1.4 节能措施

研发和推广高能效比的空调器可有效提高能源利用率，是目前我国空调行业发展的大趋势。空调节能技术主要包括建筑环境、系统设计和智能控制3方面，具体措施见表6。

表6 空调节能技术Tab.6 Energy-saving technologies for air conditioners

2.2 空气源热泵空调制热的应用

空气源热泵空调因高效、环保、节能和紧凑等特点在很多行业得到应用，如农林牧渔业、采矿业、制造业、住宿和餐饮业、建筑业、交通运输业等，其中普通家用制取生活热水、建筑采暖、烘干等方面的技术相对较成熟。

2.2.1 农林牧渔

农林牧渔业对温度的稳定性要求较高，如苗/种初期培育和温室栽培需一年四季调整温度，过低的温度会导致生长发育缓慢，水养殖则需要稳定的水温，其供热温度为10～35 ℃（热泵技术在温室中的应用），空气源热泵空调均能满足需求［34］。广东省佛山市三水阳特园艺有限公司是生产花卉种苗的企业，育苗所需温室大于30 000 m2，组织培养车间约2 000 m2，年平均气温为21.9 ℃，最低为-0.7 ℃，最高为39.1 ℃。2013 年该公司引入空气源热泵空调模块机组，3 a 运行期间冬季采暖运行费用减少了50%，温室内部环境温度得到精准控制，占地面积和员工数量减少，稳定性较传统燃煤加热方式高，无污染物排放，总体社会效益与经济效益较好［35］。

2.2.2 采矿

煤矿供热主要有建筑采暖热负荷、井筒防冻热负荷和生活热水，而井筒防冻热负荷占一半以上，主要供热介质有热水、蒸汽、热风和导热油。采用空气源热泵空调供暖时，用于建筑采暖的热水温度一般低于60 ℃，井筒防冻供水温度高于50 ℃，严寒地区则高于75 ℃，双级压缩的低温空气源热泵热水器（准二级压缩循环热泵）能够满足低温工况下制热量大的需求［36］。以山西省临汾市乡宁县的煤矿为例，该煤矿共布置141 台空气源热泵空调机组替代燃煤锅炉［36］，采用空气源热泵空调初投资较低，运行费用低，比燃煤锅炉房节省3.36万元。原油生产需要采用单井储油罐贮存原油以方便外运，而油井生产的原油黏度较高，从储油罐中向罐车里装原油前需要加热到一定温度，采用空气源热泵空调加热可满足安全、环保、节能的要求［37］。

2.2.3 制造烘干

制造业的烘干技术要求干化过程耗能低、效率高且安全。物料对温度较敏感且不同物料的烘干温度不同，因此需要对温度进行精准控制。相较于传统烘干技术，空气源热泵烘干使用模块化设计，温度调整范围大且精度高、效率高、安全性更好，能够达到物料的烘干要求，有广泛的应用，如图9 所示。辽宁省鞍山市岫岩县牧牛镇香菇烘干项目中，在热量需求、环境温度、降水和产量等条件相同的情况下，采用空气源热泵单次烘干费用仅199.14元，低于燃煤锅炉（271.56 元）、天然气锅炉（604.00 元）和电热器（628.88 元）［6］。

图9 空气源热泵空调用于制造业烘干Fig.9 Air source heat pump air conditioners used fordrying of manufacturing industry

2.2.4 建筑

建筑的热量需求主要是热水和暖气，小型建筑使用普通家用空调热泵系统可满足住户供热采暖需求。大型建筑如写字楼、商场、教学楼等使用中央热泵式空调系统，系统体积庞大、管路复杂，需要与建筑结构、电气等配合，但具有经济节能、管理方便等优势。针对位置偏远、无市政热源和天然气的区域，空气源热泵空调能够有效解决热水和供暖问题。甘肃嘉峪关绕城高速公路收费站管理所的宿舍楼和办公楼采用超低温空气源热泵空调机组，解决了冬天供暖问题。相较于电采暖，采用超低温空气源热泵空调可节省58.3%的电量，节约标准煤94.6 t/a［38］。同样，内蒙古北部的铁路站段（冬季最低温度为-23.0 ℃，夏季平均温度为27.5 ℃）采用空气源热泵热水系统，可满足60.0 ℃的用水需求，日均能源消耗量为电锅炉的30.4%，年运行费用是燃气锅炉的40.6%［39］。空气源热泵空调是“煤改电”采暖的最佳方式，催生33.6 亿元的热泵市场［40］。

2.2.5 交通运输

在交通运输业方面，除汽车外，船舶等也需要考虑行驶过程中的舒适性和节能性，空气源热泵空调在水上运输的应用同样有巨大潜力。船舶正常航行时机舱温度一般在40 ℃以上，空气源热泵空调吸取船舱热量，可同时实现降低船舱温度和制取生活热水。热泵还可成为海水淡化的加热器，是船舶海水淡化的发展方向之一。目前，空气源热泵空调在船舶的应用有限，主要原因是：机舱空间相对封闭，空气不易流通；热泵效率不高，结构需要更加紧凑；出水温度低，无法满足油类的余热需求［41］。

2.2.6 住宿和餐饮

住宿和餐饮业对热水的需求量较大且用水时段较集中，空气源热泵空调可错开用水集中时间或在用水需求少的谷电时间段蓄热水，显著提高经济性。由表7 可见，在制备同等体积和温升热水的情况下，空气源热泵空调运行费用约为电热水锅炉的19.6%，约为燃气锅炉的27.4%［42］。上海某酒店的生活热水采用空气源热泵，其全年综合能效比（SEER）为3.92，生产热水的能耗费用为11.7 t/元，比改造前热水锅炉的费用低约36.4%［43］。浙江大学紫金港校区餐饮中心采用太阳能+空气源热泵供应热水，4—10 月太阳能热水加热系统能够满足热水使用需求，在平均温度最低的1月，空气源热泵系统的月平均使用效率约为55%，节能费用达39.15万元/a，每年可减少碳排放187.5 t，社会、经济效益良好。

表7 空气源热泵空调与传统热水设备的运行费用Tab.7 Operating costs of the air source heat pump air conditioner and the traditional hot water equipment

2.2.7 卫生和社会工作

杀菌消毒是卫生和社会工作的重要方面，采用空气源热泵空调产生蒸汽的过程控制能力强、运行经济性好、投资回收期短，能够应对突发性杀菌场合。Yan 等［44］提出了一种复叠式空气源热泵空调，低压级制冷剂采用R404A，高压级制冷剂采用R245fa，产生的蒸汽量为0.5 t/h，温度可达120 ℃，运行3 a以上的经济性最好。

表8 总结了空气源热泵空调的具体应用案例，其应用行业广、温度范围广，可以低温干燥物料高温杀菌，温度利用有即时型和蓄热型，供暖方式分中央供热式和模块化供热式，针对性强，安装条件灵活，受地理条件和气候影响小，在陆地和非陆地场合均能发挥作用。

表8 空气源热泵空调的应用Tab.8 Application of air source heat pump air conditioners

在现有技术条件下，单级空气源热泵空调仍面临低温结霜、排气温度高等问题，导致其在某些场合应用受限，如船舶机舱、高温蒸汽杀菌等。

2.3 空气源热泵空调对节能减排的贡献

2.3.1 空气源热泵空调在农村的覆盖情况及经济性

近些年，作为大气污染防治重要措施的清洁取暖工作开展得如火如荼。北京市因其重要的城市作用，在清洁取暖工作方面发挥了排头兵作用。2013 年启动了农村地区“减煤换煤清洁空气”行动，自2016 年以来，大规模开展整村的清洁取暖工作［45］。截至2020—2021 年供暖季，北京市农村地区“煤改电”约90万户，其中近90%采用空气源热泵空调。国家空调设备质量监督检验中心空调设备检测部团队从2016 年开始连续5 a 开展北京市农村煤改清洁能源供暖运行监测［46］，目前已有超过300 个空气源热泵空调供暖项目在线运行。检测数据显示，2 个供暖季的最高功耗为105.2 kW·h/m2，最低功耗为21.6 kW·h/m2。空气源热泵空调机组的COP 值（≥0.95）高于普通电热锅炉和燃煤锅炉［45］。2020—2021 年供暖季（2020-11-15—2021-03-15），北京市平原农村地区室外平均温度为0 ℃，所监测的空气源热泵热水机系统供暖效果较好，能够在极寒天气满足农户基本供暖需求，室内温度平均为18.4 ℃，供暖系统COP 平均值为2.13（含水泵能耗），供热量平均值为44.7 W/m2。运行费用受系统耗电量和谷电率（供暖季谷电时段为21：00 到次日06：00，其余年份供暖季谷电时段为20：00 到次日08：00；谷电率指整个供暖季谷电期间的耗电量与总耗电量的比值）的综合影响，政府对谷电补贴（谷电价格为0.1 元/（kW·h），补贴上限为每个取暖季10 MW·h）后84%的空气源热泵热水机供暖系统日均运行费用集中在10～25 元，94%在25 元以下，表明空气源热泵供暖系统具有良好的经济性。

2.3.2 空气源热泵空调的碳足迹

碳足迹指的是系统运行过程中的温室气体排放量，用CO2当量表示［47］。根据燃料、电、热水或蒸汽的消耗量与当地排放系数得到各种温室气体的排放量，然后根据其全球变暖潜能值（GWP）转化为CO2当量，具体计算公式为［48］

式中：ECO2，i为某种温室气体的CO2当量，kg；G 为燃料、电、热水或蒸汽的消耗量，kg；Ef，i为某种温室气体的排放系数，定义为消耗单位燃料或生产单位产品时某种温室气体的排放量，kg/kg 或kg/（kW·h）；PGW，i为某种温室气体的GWP。

样本分布在北京市农村平原地区（大兴区、通州区、顺义区、房山区、朝阳区、丰台区和海淀区）。考虑到人口密度、经济因素和个人习惯等因素，根据实际运行时间选择了50 户家庭进行性能测试。北京市供暖从11 月15 日开始，到次年3 月15 日结束，共4 个月。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为61 d，耗电量分别为61.3，65.3 kW·h/m2，最冷的一天耗电量分别为79.5，89.7 kW·h/m2［45］。由此可以计算出采暖季日平均CO2当量，如图10 所示。由图10 可见，相比于电热锅炉，空气源热泵空调机组在常规天气和最冷天气的CO2当量较低。

图10 空气源热泵空调与电热锅炉的碳足迹Fig.10 Carbon footprint of air-source heat pump airconditioners and electric boilers

2.3.3 节能与减排

图11a 为北京市平原地区（山区）循环水温为38.7 ℃、室内温度为18.9 ℃时，空气源热泵空调机组和电热锅炉采暖季的逐时耗电量和逐时耗煤量。通过对比可知，空气源热泵空调的逐时耗电量与逐时耗煤量总是低于电热锅炉。由于空气源热泵空调的制热效率要高于电热锅炉，因此在相同的制热量前提下，空气源热泵空调相比电热锅炉更为节能、环保，其日耗电量比电热锅炉少127.80 kW·h。图11b为空气源热泵空调机组和电热锅炉采暖季的CO2排放趋势。在相同热负荷下，相比于电热锅炉，空气源热泵空调机组的高COP、低耗电量的特点使其CO2的逐时排放量更少，平均减少了43.95%，具有节能减排的作用。

图11 空气源热泵空调与电热锅炉的逐时耗电量、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，空气源热泵空调供暖系统平均COP 为2.13，若平均COP 提升15%，根据已经实施改造的区域测算，以空气源热泵空调供暖系统供暖季单位面积供热量平均值为44.7 W/m2、整个供暖季供暖120 d计，单户（按120 m2供暖面积核算）现有供暖能耗为7 252.7 kW·h，空气源热泵空调能效提升后，可节省电量946.0 kW·h，单户节约费用473.0 元（按电价为0.5 元/（kW·h）计）。北京市现有81万户采用空气源热泵空调供暖系统，根据GB/T 50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》提供的常规能源替代量的评价方法，能效提升后预计可节约电量770.0 GW·h，相当于每年可以节约标准煤13.4 万t，可实现CO2减排33.21 万t，SO2减排0.30万t，粉尘减排0.10 万t。

3 空气源热泵空调面临的挑战及未来发展趋势

3.1 面临的挑战

随着国际上对环境问题的日益关注以及我国“双碳”目标的提出，空气源热泵空调潜力将会被进一步挖掘，市场将进一步扩大。但空气源热泵空调的推广应用面临各种挑战，包括技术、经济、监管、政策和公众接受等问题，如图12所示［49］。政策不确定、无明确的低碳路线和技术革新是热泵发展面临的主要问题。

图12 空气源热泵空调发展面临的挑战Fig.12 Challenges faced by the air-source heat pump air conditioning systems

（1）政策的制定很大程度依赖用户末端的用能形式和供热技术，普适性的政策对目标达成效果并不好。虽然各国出台了各种鼓励政策，如英国空气源热泵空调补贴为0.60～1.15 元/（kW·h），法国空气源热泵空调可获得25%的设备金额减免，日本和欧美各国都给予了购买价25%的政策性补贴，我国各省也陆续出台了相应的空气源热泵空调补贴政策，但总体来说，补贴不足也是热泵技术不能广泛应用的一个障碍。

（2）公众对热泵不熟悉、不了解对环境的意义和成本效益、热泵存在噪声、运行费用高、初投资高、不推荐在保温不好的建筑物使用等，导致公众对热泵的接受度较低。

（3）缺乏标准和相关强制性政策也限制了热泵的发展，虽然有相关热泵设计和安装规范，但缺乏安装和维修的专业人员，不能满足一些行业的特殊需求。

（4）热泵的大规模使用会增加高峰期的电力需求量，在英国，热泵的使用可能会导致峰值电力需求增加14%［49］。因此，热泵的使用规模与峰值电力需求之间存在一定的匹配问题，有学者提出采用蓄热来解决该问题。

总的来说，空气源热泵空调的发展面临各种挑战，但在减少温室气体排放和对供暖和制冷行业可持续发展的贡献已毋庸置疑。

3.2 发展趋势

为提高空气源热泵空调的性能，可通过优化系统部件、优化系统、改进除霜方法、采用新工质等实现。通过采用高效的压缩机和换热技术，扩宽系统运行范围，在大温差工况下保持系统的稳定性和可靠性；通过深入研究热泵系统理论机理，优化设计空气源热泵空调系统，开发新型空气源热泵空调系统等，使制热量、COP 等得到提升；通过深入研究结霜机理、提出新的除霜方法、优化除霜控制等措施来改善低温运行性能；通过研究制冷剂的热物性、研发绿色高效的新型制冷剂来促进空气源热泵空调技术的发展。

近年来，随着新材料的发展以及大数据、人工智能概念的提出，空气源热泵空调技术迎来了新的发展机遇和新的经济增长点。空气源热泵空调与储热技术结合是实现节能、调节电力负荷、减少运行费用的重要技术路线。材料的传热传质特性严重制约了能量的储存和传递，相变储热材料在应用过程中仍存在诸多问题，如相分离、过冷、导热性能差、储热密度低、腐蚀性强、相容性差等，这些问题都迫切需要解决；另外，多数储热材料的热导率均较低，导致蓄、放热速率慢，不能满足工业应用需求，传热强化技术已经成为相变储热系统的研究重点［50-51］。在空气源热泵空调系统的运行过程中，利用数据挖掘技术，根据系统的历史运行数据建立模型，通过实时数据的接收和计算，可对设备进行监控，在故障发生前及时预警，找出故障源并实现维护预测，进而达到节省能耗、节省维护时间、降低人工维护成本的目的。另外，运行效率与运行环境、用户使用习惯等密切相关，通过大数据长期分析与监测，对系统的运行数据、能耗数据、当地气象数据和环境数据等进行分析，采用数据挖掘算法和人工智能，建立制冷空调系统能耗预测模型，提前预测系统未来的能耗，精确匹配机组运行参数，优化系统控制，提高运行效率，使系统始终在满足室内负荷的条件下最优化运行，从而达到节能的目的［52］。

4 结论

近年来，空气源热泵空调技术迅猛发展，中国、日本、欧洲和美国是核心热点区域。在我国，供暖和热水占空气源热泵空调应用的92.7%。空气源热泵空调的研究工作主要围绕循环构建、除霜、系统控制等方面开展。准二级压缩热泵循环在低温空气源热泵空调产品中应用最广泛；与太阳能、地源和水源等耦合的多源热泵系统可实现系统能效提升，弥补单一热源的不足，但有些问题仍待解决，实际应用相对较少；空气源热泵空调结合相变蓄热在电力负荷调节和热量匹配方面具有优势。比较了主动除霜和被动除霜的优缺点，指出系统控制是保证系统运行的重要手段。空气源热泵空调在制冷方面已有成熟应用，制热方面，制取生活热水、采暖和烘干等技术相对较成熟。空气源热泵空调在我国北方煤改清洁能源项目中扮演着重要角色，所监测的空气源热泵热水机的COP 平均值为2.13，供热量平均值达到44.7 W/m2，节能减排效果明显。经济性、政策的不确定性、公众接受度低、技术瓶颈等成为热泵广泛应用面临的主要挑战，新材料、大数据、人工智能与空气源热泵空调融合成为发展方向，空气源热泵空调在新形势下将会发挥重要的作用。