空氣能熱泵，也稱空氣源熱泵，是利用逆向熱力學循環將熱量從低溫熱源轉移到高溫熱源的裝置，是利用空氣中低溫熱能的一種有效手段，并主要用于住宅供熱、大型建筑物或建筑群供熱、余熱回收、干燥技術等領域。
空氣能熱泵的歷史可追溯至18世紀初，當時卡諾循環的發表為其研究奠定基礎。1852年，英國湯姆遜教授提出熱泵設想，他利用蒸汽機驅動裝置，以空氣為介質進行熱量轉移。19世紀70年代制冷設備發展迅猛，但熱泵進展緩慢，直到20世紀20-30年代，熱泵開始快速發展。期間，英國J. B. S. 霍爾丹在1930年報道了家用熱泵的應用，性能系數較高。隨后，美國也開始熱泵的設計與應用，并在20世紀50年代開始批量生產空氣源熱泵。到20世紀80年代，日本大規模生產空氣源熱泵式空調器。而中國熱泵技術發展緩慢，直到90年代改革開放后，引進日本技術，熱泵式空調器產量才得以迅速增加，更在進入21世紀后占據中國約70%的市場份額。
空氣能熱泵根據不同的載熱介質，分為空氣/空氣型熱泵和空氣/水型熱泵。主要由膨脹閥、蒸發器、壓縮機和冷凝器四個部分組成。其工作原理基于熱力學的兩個基本規律：熱傳導和熱對流。熱傳導是指熱量從高溫物體傳遞到低溫物體的過程，而熱對流是指熱量通過流體傳遞的過程。在冷凍周期，空氣能熱泵通過制冷循環實現室內空氣的熱能傳輸到室外；而在供暖周期，它通過熱泵循環將室外的熱能傳輸到室內。空氣能熱泵時下已被應用于農業、工商業、建筑、生活等領域，而且，在未來，還將逐漸擺脫對天然氣的依賴，發展以空氣能熱泵為主力的清潔能源。
歷史沿革
空氣能熱泵的歷史可以追溯到18世紀初葉。1824年卡諾循環的發表奠定了空氣能熱泵研究的基礎。在卡諾循環理論基礎上，1852年英國教授湯姆遜（W.Thomson）首先提出一種熱泵設想，稱為熱量倍增器，該裝置用蒸汽機驅動一個吸氣缸和一個排氣缸，工作介質為空氣。裝置運行時，外界空氣進入吸氣缸并在其中膨脹后降低壓力與溫度；低壓、低溫的空氣從吸氣缸排出后進入貯氣筒吸收環境的熱量后提高溫度；溫度升高的空氣緊接著被排氣缸吸入壓縮，使其溫度進一步升高，最后送至所需采暖的建筑物中。
在19世紀70年代，應用這些原理的制冷設備的開發工作得到了迅速發展。但熱泵進展滯后。這主要因熱泵研發受能源費用、能效及加熱器替代方案影響。當時取暖方式多樣且經濟，故對熱泵技術需求不高。直到20世紀20-30年代，熱泵才開始快速發展。這得益于工業技術的進步，特別是制冷機的發展為熱泵制造打下了基礎，同時社會上也出現了對熱泵的需求。期間，英國的霍爾丹在1930年報道了在蘇格蘭安裝的一臺家用熱泵，以氨為工質，利用空氣熱量進行采暖和加熱水。該熱泵的性能系數達到了逆向卡諾機理論效率的1/3-1/2。霍爾丹還探討了利用廢水熱量、低谷電力、廢熱回用的柴油機以及低溫熱源端制冰等方案。隨后，美國也開始熱泵的設計與應用，但試驗裝置較少。1931年，美國南加利福尼亞愛迪生公司的洛杉磯辦公樓首次將制冷設備用于供熱，供熱量達1050kW，制熱系數達2.5。到了20世紀50年代，美國開始批量生產空氣源熱泵。到20世紀80年代，日本已大規模生產各種空氣源熱泵式空調器。
而中國受到經濟條件和技術水平的制約，熱泵技術發展緩慢，直到20世紀90年代，情況才有了改變。中國改革開放以后，以引進日本技術和生產線為基礎，房間空調器發展非常迅速，起初是以單冷式空調器為主，到20世紀90年代，各種熱泵式空調器在中國的產量增加很快。進入21世紀以來，有熱泵功能的房間空調器在中國市場占約70%的份額。
工作原理
空氣能熱泵的工作原理基于熱力學的兩個基本規律：熱傳導和熱對流。熱傳導是指熱量從高溫物體傳遞到低溫物體的過程，而熱對流是指熱量通過流體傳遞的過程。在冷凍周期，空氣能熱泵通過制冷循環實現室內空氣的熱能傳輸到室外；而在供暖周期，它通過熱泵循環將室外的熱能傳輸到室內。
制冷周期
在制冷周期，空氣能熱泵將室內的熱能傳輸到室外，實現室內空氣的降溫。其工作流程如下：
供暖周期
在供暖周期，空氣能熱泵將室外的熱能傳輸到室內，實現室內空氣的升溫。其工作流程如下：
基本結構
空氣能熱泵主要由膨脹閥、蒸發器、壓縮機和冷凝器四個部分組成。
膨脹閥
膨脹閥的主要作用是降溫、降壓，對制冷劑流量和壓力進行調節，使制冷劑在較低的壓力下更容易蒸發，蒸發效果越好就越能提升蒸發器吸收空氣熱量的效率，達到的能效越高，產生的熱水更多。
膨脹閥主要是由感溫包、閥體和平衡管三大部分組成。感溫包里面充注的是處于氣液平衡飽和狀態的制冷劑，兩者并不相通。感溫包內的制冷劑一般是綁在蒸發器出氣管上，與管子緊密接觸以感受蒸發器出口的蒸氣溫度，由于它內部的制冷劑是飽和的，所以就根據溫度傳遞溫度下飽和狀態的壓力給閥體。平衡管的一端接在蒸發器出口稍遠離感溫包的位置，通過毛細管直接與閥體連接。平衡管的作用是傳遞蒸發器出口的實際壓力給閥體。閥體內有二膜片，膜片在壓力作用下向上移動使通過膨脹閥的制冷劑流量減小，在動態中尋求平衡。
蒸發器
蒸發器是實現從空氣中吸收熱能最關鍵的部件。制冷劑經過膨脹閥的節流、降壓，噴出后的溫度很低，在經過蒸發器的時候制冷劑就通過銅管和翅片吸收空氣中的熱量，帶著這些吸收來的熱量，制冷劑又進入壓縮機進行下一次的循環。蒸發器主要是翅片式的，屬于干式蒸發器。蒸發器使用的翅片形式有平片、波紋、百葉窗和橋片，不同的形式換熱能力也不一樣，換熱能力越強風阻越大。不同樣式的空氣能機組蒸發器的安裝位置不一樣，一般來說分體空氣能熱水器的蒸發器安裝在主機側面，而一體機會安裝在機組的頂部。
壓縮機
在機組運行過程中制冷劑通過蒸發器吸收空氣中的低溫熱量氣化后，就要在壓縮機的壓縮作用下不斷增壓增溫從而產生高溫熱能來加熱水溫。
冷凝器
冷凝器的作用剛好與蒸發器相反，在空氣能熱水器運行過程中，經過蒸發器、壓縮機作用而形成的高壓高溫制冷劑蒸汽會在冷凝器中釋放出熱量被水吸收，實現蒸汽和水的熱交換，水吸收熱量后溫度上升，而制冷劑在冷凝器中則會從高溫高壓氣態變為高壓的液態。
冷凝器有盤管式、板式、套管式和殼管式四種形式。盤管式主要使用在家用產品中，有放在水中傳熱，也有在水箱內膽外依靠內膽傳熱；板式冷凝器具有較好的換熱性能，因體積小而具有靈活的安裝性，但對水質要求高；套管式冷凝器對水質的要求沒有板式換熱器嚴格，使用時制冷劑與冷卻水完全實現逆流換熱，但套管式冷凝器金屬消耗量較大；殼管式換熱器即是高效換熱器，對水質的要求也沒有板式換熱器嚴格，使用時制冷劑與冷卻水完全實現逆流換熱，體積比較小巧，具有明顯的優勢。
主要分類
根據不同的載熱介質，空氣能熱泵分為空氣/空氣型熱泵和空氣/水型熱泵。
空氣/空氣型熱泵
空氣/空氣型熱泵是在單冷型的空調器基礎上發展的，其作為夏季空調器的功能較好，熱泵功能是輔助型的。通常是用四通閥轉換夏季空調工況和冬季供熱工況，四通閥也可兼用于冬季除霜工況。在該種熱泵中，流經室內、室外換熱器的介質均為空氣。在制熱循環時，室外空氣流過蒸發器而室內空氣流過冷凝器；在制冷循環時，室外空氣流過冷凝器而室內空氣流過蒸發器。風冷式室內換熱是傳統設計，但風冷式需要較高的出風溫度，風速是按照夏季工況制冷時設計的，而冬天時人們不希望有較大風速，故舒適度相對較差。
空氣/空氣型熱泵結構簡單，安裝方便。適用于既無熱源，又無冷源的小型獨立建筑以及白天運行為主的，如辦公樓、商場、銀行等建筑。對于室外空氣溫度較低的地區，而建筑物室內空氣環境要求高的場合，常用空氣源熱泵冷熱水機組作為夏季供冷，過渡季作為供熱設備。
空氣/水型熱泵
與空氣/空氣型熱泵相同，空氣/水型熱泵一般也是用四通閥轉換夏季空調工況和冬季供熱工況，四通閥也可兼用于除霜工況。它們的主要區別是室內換熱器，不是風冷式而是循環水式。循環水式是以水為傳熱介質，冷凝器可在40℃的冷凝溫度下，產生35℃的熱水，提供給地板采暖，形成從下到上的自然對流，有較好的采暖舒適度，同時也提高了熱泵的制熱系數。到夏季，將冷水送入室內風機盤管，冷風從上至下，也有較好的舒適度。空氣/水型熱泵系統出現的較晚，在一定程度上克服了空氣/空氣型熱泵的缺點，比較適合冬季供暖的要求。
主要特點
優點
空氣能熱泵作為一種高效環保的能源利用技術，具有以下特點和優勢：
缺點
熱泵使用過程結霜現象時有發生，是影響空氣能熱泵制熱性能的重要因素。當環境溫度降低時，熱泵系統的蒸發溫度也逐漸降低，當蒸發器表面溫度降低到0℃時，在蒸發器表面便形成結霜。隨著結霜層的不斷加厚，蒸發器有效流通面積減小，降低了通過蒸發器表面的空氣流量，影響了熱量的傳輸過程，使系統效能下降。在結霜情況下，不僅影響系統效率，還可能導致液態的冷媒進入壓縮機給設備造成損害。
產品應用
農業
在農業上，傳統糧食烘干機的熱源大部分為煤和稻殼，燃燒后污染很大。若改用天然氣或商品蒸汽作為烘干熱源，則會增加糧食烘干的成本，且很多發展農業的地區不具備這種條件，局限性很大，而空氣能熱泵能夠很好地解決以上問題。在烘干領域中，空氣能熱泵機組具有運行成本低、能源清潔、可設計增加預熱回收裝置、烘干效果好、效率高和安裝簡單等特點。但是，空氣能熱泵設備前期投入較大，而且糧食烘干粉塵較多，還容易受到結霜問題的影響。
工商業
在工商業領域中，空氣能熱泵已經從實驗室逐漸走向市場，研究人員設計出了太陽能輔助空氣能熱泵（Solar Assisted Heat Pump，SAHP）系統。SAHP系統能夠將太陽能集熱器與空氣能熱泵耦合成一個集成系統，但是夏季制冷效率較低，多用于冬季制熱。因此，研究人員針對夏季制冷不足的問題，提出了正壓均流太陽能輔助空氣能熱泵系統來實現夏季高效制冷。除此之外，空氣能熱泵還是代替燃油加熱爐，是改進油田燃油加熱爐技術的有效措施之一。使用空氣能熱泵可以很好地解決排放問題。
建筑
在建筑領域，相變儲能雙源熱泵源耦合系統主要用來為建筑供暖。此系統主要由土壤源熱泵、空氣能熱泵、光伏熱（Photo Voltaic Thermal，PVT）空腔和相變儲能系統組成。該系統能夠通過相變儲能水箱及控制系統切換工作模式。當空腔溫度適宜時，開啟熱泵空氣能模式，將熱量儲存在相變儲能水箱中；當空腔溫度不足時，將能量釋放。能源的組合儲存利用有效提高了能源使用率，改善了時間上的不連續性，為機組與供暖用戶之間起到了很好地緩沖作用，而且可以通過儲熱緩解寒冷天氣供熱不足的情況。
生活
隨著空氣能熱泵的發展，越來越多的熱泵被應用到日常生活中，如為居民取暖和制成熱水器。由于影響空氣能熱泵性能的主要因素為冷凝溫度，冷凝溫度越低越機組的運行效率更高，而冷凝溫度和采暖末端相關，因此熱泵取暖系統的理想末端為地暖等低溫末端。目前，空氣能熱泵在供暖方面聯合地板輻射進行供暖已經在青島某在建公建項目實現，同時有研究人員對氣候補償技術進行研究。除了供暖，空氣能熱泵還被應用到了熱水器上，目前已經有很多研究人員進行了試驗。例如：胡韓瑩等對外盤管空氣能熱泵熱水器的實驗；徐言生等建立了對空氣能熱泵熱水器的熱能系數（Coefficient of Performance，COP）隨工況變化的動態模型等。
市場情況
研究數據顯示，2013年到2022年，空氣能熱泵行業迎來了三個爆發拐點：2016年中國“煤改電”政策利好下迎來首次爆發，同比增長高達63.4%；2020年，受疫情影響，行業迎來第二次爆發，同比增長30.1%；2022年，受益于歐洲能源危機，空氣能熱泵行業持續提速，同比增長達到15.2%。
發展趨勢
未來發展
隨著能源危機、環境污染和氣候變化等問題日益凸顯，以空氣能熱泵為主力的清潔能源發展成為了全球關注的熱點。截至2023年12月，全球有超過30個國家在通過補貼的方式鼓勵推廣空氣能熱泵，包括美國、法國、德國、意大利、荷蘭、西班牙等。其中，德國在9月初通過的“供暖法案”中明確規定，自2024年起，將逐步淘汰傳統的壁掛爐和鍋爐作為供暖方式。該法案還明確要求，新安裝的供暖系統必須使用至少65%的可再生能源，如熱泵或生物質鍋爐。鑒于熱泵利用清潔電力，供熱效率更高，且具備環保和經濟雙重優勢，德國政府期望將熱泵打造為主要的供熱系統。為此，德國計劃從2024年起，每年新增安裝50萬臺熱泵，并預計在2030年使市場保有量達到600萬臺。由此可見，在全球能源轉型的大背景下，多國都在積極推廣空氣能熱泵，這一趨勢預示著市場將逐漸擺脫對天然氣的依賴，空氣能熱泵市場迎來了黃金發展期。
面臨的問題
空氣能熱泵主要采取的控制方式為本地監控，制水溫度由人工設定為某一固定值，系統的制熱效率沒有最優化，運行過程造成電能的浪費。由于環境溫度復雜多變以及用戶需求的不確定性，和系統匹配的最優制水溫度是一個復雜的、時變的參數，若要實現系統高效的運行必須為系統引入高效的控制程序。空氣能熱泵在結霜的工況運行時，影響的主要因素為環境溫度，系統需根據實際情況做出判斷。當結霜很薄或沒有結霜時，系統誤判進行結霜操作，不僅影響系統的制熱性能，造成電能的浪費，還有可能造成設備的過熱。當結霜很厚時，系統沒有啟動結霜操作，將導致系統性能迅速下降，甚至喪失制熱性能。建立良好的除霜策略和控制手段對提高空氣能熱泵效能具有重要的意義。
參考資料 >
空氣能熱泵工作原理解析.百家號.2024-03-06
科普:空氣能熱泵的“四大件”.ne01.2024-03-07
空氣能熱泵:全球清潔能源高速發展的新引擎 第A7版:能源·化工·材料 20231219期 中國工業報.zggyb.2024-03-06
科普熱泵常識:揭秘空氣能“四大件”之蒸發器.ne01.2024-03-07
科普:揭秘空氣能“四大件”之壓縮機.ne01.2024-03-07
科普:空氣能熱泵“四大件”之冷凝器.ne01.2024-03-07