空氣能（air 能量），是指空氣中所蘊含的低品位能，屬于清潔能源的一種，又稱空氣源。將空氣能收集起來并加以利用的裝置叫熱泵，利用熱泵進行空氣能利用的技術稱為空氣能熱泵技術?？諝饽軣岜檬瞧渲匾膽弥唬涫褂眯枰碾娔芑蛘邿崮?，例如家用空調在冬季制熱時就是典型的空氣源熱泵應用，但在不用電或不提供熱量的情況下無法制熱。應用空氣能熱泵技術的常用設備有空氣能熱泵熱水器、空氣能熱泵烘干機、空氣能熱泵采暖設備等，同時還包括節能日光溫室增溫、烘焙系統溫控、空氣能燃氣機熱泵、發酵罐、加熱浸出裝置等。因其具有節能、環保、設備應用率高、調控方便等優點，世界各國都在大力發展空氣能項目。
定義
空氣能，是空氣熱能的簡稱，即空氣中所蘊含的低品位熱能，又稱空氣源。空氣中含有大量的熱量，這些熱量來源于人類活動、太陽光輻射、地球資源開發利用、物質燃燒等?？諝饽芘c太陽能、風能、潮汐能等都是可利用的再生能源。
歷史
19世紀初發明的蒸汽機熱效率很低，為提高熱機效率，法國科學家薩迪·卡諾（Sadi karnot）在1824年首次以論文提出“卡諾循環”理論。隨著工業革命的發展，人們對能否將熱量從溫度較低的介質“泵"送到溫度較高的介質中這一問題發生了濃厚的興趣。英國物理學家焦耳（J.P.Joule）提出了“通過改變可壓縮流體的壓力就能夠使其溫度發生變化”的原理。1854年，開爾文勛爵（Lord 開爾文）發表論文，提出了熱量倍增器（熱學 乘法器）的概念，首次描述了熱泵的設想。20世紀30年代，隨著氟利昂壓縮式制冷機的發展，熱泵有了較快的發展。特別是第二次世界大戰以后，工業經濟的長足發展帶來的對供熱的大量需求及相對能源短缺，促進了大型供熱及工業用熱泵的發展。20世紀50年代初，喬丹（Jodan）和塞克爾德（Therkeld）就提出了太陽能與熱泵結合實現供熱制冷這一思想。1973年的全球性能源危機，進一步促進了熱泵在全世界范圍內的發展。世界各國紛紛加大了研發力度，推廣熱泵技術。2009年，歐盟通過法令，將“空氣熱能”納入可再生能源范圍。2015年11月25日，由住建部科技發展促進中心牽頭召開的空氣熱能在夏熱冬冷地區建筑上的應用技術交流會上發布了《空氣熱能納入可再生能源范疇的指導手冊》。北京、浙江省、福建省、安徽、河北省、廣州市、廣西壯族自治區等?。▍^、市）已將空氣能納入可再生能源的范疇。
原理
卡諾循環
卡諾（Sadi karnot）從水通過落差產生動力得到啟發，總結了熱機工作的本質，熱機產生機械功的關鍵因素是兩個熱源的溫度差。1824年，卡諾在《論火的動力》一文中明確指出：熱機想要產生機械功，必須工作在兩個熱源之間，從高溫熱源吸取熱量，又把所吸取的熱量的一部分放給低溫熱源?？ㄖZ從理論上研究了一種理想熱機，這種熱機的工作物質只與兩個恒溫熱源交換熱量，整個循環由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。這種理想循環稱為卡諾循環（Carnot Cycle），相應的熱機叫卡諾熱機（Carnot Engine）。
A→B為等溫膨脹過程，氣體對外做功，熱力學能不變。由熱力學第一定律，氣體從溫度為T1的高溫熱源吸熱
B→C為絕熱膨脹過程，氣體繼續對外做功，與外界無熱量交換，熱力學能減少，溫度下降到T2。有準靜態絕熱過程方程
C→D為等溫壓縮過程，外界對氣體做功，氣體的熱力學能不變。氣體向低溫熱源T2放出熱量
D→A為絕熱壓縮過程，外界對氣體做功，無熱量交換，氣體的溫度上升到T1，回到初態。有絕熱過程方程
由熱機效率的定義式可以得到理想氣體為工作物質的卡諾熱機的效率為
由絕熱過程的兩個方程式可得
所以卡諾熱機的效率可表示為
上式說明，理想氣體卡諾循環的效率只與它所接觸的兩個熱源的溫度有關，兩個熱源的溫差越大，效率越高。實踐指出，提高高溫熱源的溫度比降低低溫熱源的溫度要經濟得多。而且一般情況下，低溫熱源為大氣環境，因此提高熱機效率的關鍵在于提高高溫熱源的溫度。由于在卡諾循環中要放掉一部分熱量給低溫熱源，所以卡諾熱機的效率小于1。再者，由于實際過程不可能進行得非常緩慢（即并非準靜態過程），過程也并非完全絕熱，所以真實熱機的效率只是理論值的20%～30%。
熱力學第二定律
若系統由狀態1出發經過某一過程到達狀態2，系統再由狀態2返回狀態1時，原過程對外界產生的一切影響也同時消除，則由狀態1到狀態2的過程稱為可逆過程，否則就是不可逆過程。
例如，一個理想氣體系統由狀態1（）出發，按準靜態等溫膨脹過程到達狀態2（），如下圖所示。假如在此過程中，不存在諸如摩擦力、黏性力等引起耗散效應的因素，那么過程1→2就是可逆過程。在此過程中，系統從外界吸收的熱量QT全部用于對外界做功A，它們數值相等，則為
若系統由狀態2返回狀態1，經歷了與過程1→2相同的中間狀態，即過程2→1，那么過程2→1一定是準靜態等溫壓縮過程。在過程2→1中，外界對系統做功，全部轉變為系統向外界釋放的熱量Q'T，數值為，所以。
這表示，當系統由狀態2返回狀態1時，在原過程1→2中，系統從外界吸收的熱量，又釋放給了外界，系統對外界所做的功，外界又以等量的功歸還給系統。系統和外界都恢復了原狀，因此，過程1→2是可逆過程。
由此可見，可逆過程必須是準靜態過程，而且必須是無耗散效應的過程。嚴格的準靜態過程是不存在的，它只是一種理想狀況。另外，無耗散效應的過程實際上也是不存在的。例如，當活塞移動時，必須克服汽缸壁對活塞的摩擦力而做功，這部分功將以熱能的形式散發到周圍的空氣中。所以，無耗散效應的過程也只是一種理想狀況。由此得到，嚴格的可逆過程實際上是不存在的。自然界中發生的一切與熱現象有關的過程都是不可逆過程，熱力學第二定律正是這種不可逆性的反映。
熱力學第二定律的克勞修斯表述：熱量不可能自動地從低溫物體傳向高溫物體。從對逆循環的討論中知道，系統從低溫物體吸收熱量而向高溫物體釋放熱量，外界必須對系統做功。根據熱力學第二定律的克勞修斯表述，假如外界不對系統做功，系統不可能從低溫物體吸取熱量并向高溫物體釋放熱量，從而達到使低溫物體制冷的目的。自然界中過程的進行，除必須遵循能量守恒定律之外，還必須受到方向性的限制，即某一方向的過程可以實現，而另一方向的過程則不可能實現。
熱力學第一定律
一般情況下，系統內能的改變是做功和熱量傳遞的共同效果。假設系統在某一過程中從外界吸收的熱量為Q，同時它對外界做的功為A，系統的內能由初態的E1變為末態的E2。根據能量轉化與守恒定律有，即系統從外界吸收的熱量一部分使系統的內能增加，另一部分用于系統對外界做功，這就是熱力學第一定律。顯然，該定律是包括熱現象在內的能量轉化與守恒定律。
對于一個微小的狀態變化過程，熱力學第一定律的數學形式可寫成，式中分別表示在該微小過程中系統所吸收的熱量、內能的增量以及對外做的功。將上式對熱力學循環積分，并利用，便得到循環過程熱力學第一定律的表達式，即在循環過程中，系統對外界做的凈功等于系統從外界吸收的凈熱量。
熱泵
根據熱力學第二定律，熱量是不能自發從低溫區向高溫區傳遞的，必須向熱泵輸入一部分驅動能量才能實現這種熱量的傳遞。熱泵雖然需要消耗一定量的驅動能，但根據熱力學第一定律，所供給用戶的熱量等于消耗的驅動能與吸取的低品位熱能的總和。用戶通過熱泵獲得的熱量永遠大于所消耗的驅動能，因此說熱泵是一種節能裝置。熱泵從熱力學原理上說是按逆卡諾循環工作的，是利用排放熱量向對象供熱，達到制熱目的。
熱泵制熱時的性能系數稱為制熱系數，用COPh表示。對逆卡諾循環，由熱力學定理可以證明，其制熱系數為
熱泵的熱源是指可利用的自然界低溫能源（空氣、水及土壤等）和生活、生產排出的廢熱熱源。這些熱源的溫度較低，但能量很大，可以通過熱泵來提高品位，向生活和生產過程提供有用的熱量。
應用
空氣能熱泵是空氣能的重要應用之一，此外空氣能的應用還包括空氣能熱水器、日光溫室增溫、烘烤系統溫控、空氣能燃氣機熱泵、發酵罐、加熱浸出裝置等。
空氣能熱泵相關應用
空氣能熱泵的工作原理
空氣能熱泵熱水器采用逆卡諾循環原理，以冷媒為載體，電能為輔助，利用壓縮機、蒸發器、冷凝器、節流元件來實現熱量轉移，主要由熱泵主機、水箱兩部分組成。壓縮機將回流的低壓制冷劑壓縮后，變成高溫高壓的氣體排出，高溫高壓的冷媒氣體流經纏繞在水箱外面的銅管，熱量經銅管傳導到水箱內，冷卻下來的冷媒在壓力的持續作用下變成液態，經膨脹閥后進入蒸發器，在蒸發器內液態冷媒迅速蒸發成其氣態并吸收大量的熱。同時，在風扇的作用下，大量的空氣流過蒸發器外表面，空氣中的能量被蒸發器吸收，空氣溫度迅速降低，變成冷氣排進空調房間。隨后吸收了一定能量的冷媒回流到壓縮機，進入下一個循環。
熱泵的優缺點
熱泵的優點是節能，有利于能源的綜合利用；有利于環境保護；冷熱結合，設備應用率高；電驅動，所以調控比較方便?；谏鲜鰞烖c，熱泵技術可以減少溫室氣體的排放，減少對環境的有害的因素，同時解決電力高空負荷。
熱泵的缺點是在運行的過程中，其室外的散熱器會出現結霜現象，這將影響空氣源熱泵的運行效果；在低溫的環境中，熱泵會出現運行障礙，熱泵的制冷劑效果變差甚至無法正常運行和制冷，如果在低溫環境中長期使用熱泵，會損壞其壓縮機，破壞相關設備。
發展現狀
美國、日本和西歐等國家是熱泵發展和應用較多的國家，幾乎占領了全部的熱泵市場。目前歐洲市場較為常見的可用于低溫環境的熱泵產品（包括日系和歐美系）被廣泛應用于北歐等寒冷地區，其中僅2007年日本某熱泵品牌出口的低溫熱泵機組就多達5萬臺。同時美國、英國、法國、澳大利亞和日本等國的稅收減免、熱泵安裝補貼政策也進一步促進了低溫熱泵替代傳統鍋爐的需求轉型。
中國空氣能熱泵市場顯露“南熱北冷”的現象，由于受天氣等因素的影響，北方寒冷地區空氣能熱泵的推廣受到很大的限制。
制冷劑
用于熱泵熱水器的制冷劑主要為R22、R134a等，具有較高的低全球變暖系數值（GWP）值。為保護環境，國際社會分別于1985年、1987年、1997年制定《維也納公約》《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》《京都議定書》對臭氧耗損物質（ODS）和溫室氣體（CHGs）進行了限制，2007年9月《蒙特利爾議定書》第十九次會議規定發展中國家2013年將HCFCs制冷劑生產和消費水平凍結在基線水平，2015年削減10%，2020年削減35%，2025年削減67.5%，到2030年全部淘汰，只允許2.5%的維修量。另一方面，隨著人們生活水平的提高，對熱泵熱水器的應用條件提出了更苛刻的要求，因此，從長期發展來看，制冷劑應滿足零破壞臭氧層潛能值（ODP）、低GWP值、熱力學性能優的要求。
R22（氟里昂22）
R22（CHF2Cl）是HCFC類制冷劑。其標準蒸發溫度為-40.8℃，冷凝溫度為-160℃。R22作為制冷劑的優點是：有較好的熱力性質和物理性質，無色，無味，不燃燒，不爆炸，對人體生理危害小，對金屬材料腐蝕性小，對潤滑油有無限的溶解性。R22作為制冷劑的缺點是：毒性比稍大，化學穩定性稍差，它的分子極性稍大，對有機物的膨潤作用更強，對臭氧層破環嚴重。
R407c（R32/R125/R134a混合制冷劑）
R407c是一種不破壞臭氧層的環保制冷劑，它與R22有著極為相近的特性和性能，可直接應用于原R22的制冷系統，不用重新設計系統，只需更換原系統的少量部件以及將原系統內的礦物冷凍油更換為能與R407c互溶的潤滑油，就可直接充注，實現原設備制冷劑的環保更換。是一種混合制冷劑，目前只在小機組上使用，使用時需要使用合成油，如POE油；需要使用專用壓縮機；非共沸混合物，成分會發生變化；部件、管道耐壓校核。
R410a（R32/R125混合制冷劑）
R410a是一種新型環保制冷劑，不破壞臭氧層，具有穩定、無毒、性能優越等特點，其工作壓力為普通R22制冷劑的1.6倍左右，制冷（暖）效率高。其是一種混合制冷劑，目前只在小機組上使用，使用時需要使用合成油，如POE油；需要使用專用壓縮機，部件、管路需耐壓設計。
R32
R32（分子式CH2F2）又稱HFC-32、F-32，中文名二甲，是一種新型環保制冷劑，具有較低的沸點、蒸氣飽和壓力比較低，制冷系數大，臭氧ODP（破壞臭氧層潛能值）破壞為零，溫室效應系數較小等特點。在常溫下為無色、無味氣體，在自身壓力下為無色透明液體，易溶于油，難溶于水，無毒、可燃。與R22相比其CO2減排比例可達77.6%，符合國際減排要求。
R744（CO2制冷劑）
CO2制冷劑代號為R744，作為一種制冷劑被大量應用出現在1920~1930年，后來被R12，R22等其他制冷劑替代。近年來，由于人類環保意識的加強，另外一些新的研究成果的出現和制造技術、工藝的提高，使用CO2作為制冷劑又成為大家關注的熱點之一。CO2屬于超臨界流體（SCF，supercritical fluid），作為反應介質兼有液體和氣體的雙重特性，具有許多優點：具有液體一樣的密度和溶解強度，易于通過壓力進行控制；具有氣體的優點，黏度小，擴散系數大，有良好的傳熱特性；環保型制冷劑，無毒、無刺激性，不需要考慮回收問題；不可燃、不會爆炸；ODP為0，GWP僅為1，安全等級為A1。其已應用于商用化熱泵型熱水器，亦有望在汽車空調領域得到大量應用。
CO2系統主要缺點為：臨界溫度很低臨界溫度只有31℃左右，接近環境溫度，所以使用CO2作為制冷劑進行壓縮時，冷凝散熱溫度需要超過臨界溫度，所以壓縮區域處于超臨界區；高運行壓力CO2的臨界壓力為73.8 bar左右，而且冷凝散熱是在超過臨界區的外面，所以系統壓力很大，為常規制冷劑R22，R410A等的6~12倍；對系統密封和壓縮機制作工藝要求高；高溫高壓下膨脹損失大，不穩定。
R134a（CH2FCF3）
R134a是一種不可燃制冷劑，ODP為0，即無氯氟利昂，不會破壞臭氧層，臨界溫度較高達到101℃，而臨界壓力較低為4.06MPa，所以在制取高溫熱水方面具有優勢，但是其是一種高溫室效應氣體，GWP（全球變暖潛能值）高達1350，需要專用壓縮機，擴大壓機排量，冷量相同時壓損較R22增加，機組大型化。以R134a為代表的HFCs物質及其混合物，仍是將來相當長時期內制冷劑的主流。從節能角度看，R134a不是一種適用于熱泵的性能良好的制冷劑，但是其高水溫的特點，使得R134a在熱泵熱水器中獲得廣泛應用。目前，電動汽車空調的制冷劑使用的是R134a。歐盟于2006年5月出臺了關于汽車空調MAC指令2006/40/EC，指令規定2017年之后所有汽車空調的制冷劑GWP值不得高于150，基本禁止了R134a的使用。美國環保部也于2021年將R134a從重大新代替品政策計劃（significantnew alternative program，SNAP）目錄中刪除。
R1234yf（C3H2F4）
R1234yf具有微弱的可燃性，其熱物理性質與R134a十分接近：R1234yf的COP比R134a低3.6%，制熱量相較于R134a略高。但是R1234yf 與R134a相同，其在低溫環境下COP低、制熱量不足，且R1234yf價格相對于其他制冷劑價格高，經濟性較差。對于中國幅員遼闊，南北氣溫差異大，極大限制了R1234yf的大規模推廣。
R290（丙烷CH3CH2CH3）
R290（丙烷）是一種可以直接在液化氣中獲取的天然碳氫工質，其來源廣泛，價格低廉，且ODP為0、GWP僅為3，表現出對環境的友好性。R290可以克服R134a在低溫環境下制熱量不足的問題，但是R290在密閉空間中的濃度在2.1%～9.5%范圍內存在爆炸的危險，在狹小密封的環境中，R290會增加行駛過程的安全隱患。R290是新型環保制冷劑，符合國際環保規定。
HFE-245mc（CF2CF2OCH3）
HFE-245mc是一種氫氟醚（HFE）制冷劑。其ODP值均為零，大氣壽命約為3.5~5.0年，GWP值約為350~680，環境性能較好，相近的正常沸點，低毒性，較好的材料相容性。但HFE-245mc有微燃性，按ASHRAE 34標準，其可燃性分類為“2級”，即“弱可燃”。
NC01
新型混合制冷劑NC01是三元混合工質，由R1234ze(E)/R134a/R32組成，通過軟件REFPROP9.0分析確定質量混合比為17%/33%/50%。NC01的熱力性能與R22對比，兩種制冷劑的臨界溫度、臨界壓力、標準沸點比較接近，NC01的露點與R22接近，滑移溫度為6.26℃。在環境性能方面，NC01的GWP值比R22降低了57%。NC01的汽化潛熱比R22高，對于提高制熱量有利。說明NC01在環境性能、溫度、壓力、循環性能方面有較好的替代性能。
混合制冷劑（R290/R1234ze）
通過研究混合制冷劑的各項性能，得到如下分析結果：①在環境安全方面，混合制冷劑的ODP，CWP均較低，對環境的影響均較??；雖然R290和R152a具有可燃性，但二者與R1234或R134a混合后，可燃性相對降低；R1234ze的GWP較低，與其他制冷劑混合時可降低混合制冷劑的GWF。②R290和R1234ze以7：3的比例混合時，滑移溫度接近于0，可以當成近共沸混合制冷劑；混合制冷劑R290/R1234ze的飽和蒸氣壓低于R22，飽和液體密度約為R22的1/2，可節省1/2的充注量，飽和蒸氣比熱容大于R22，在壓縮機做功相同時，溫升較小，排氣溫度較低。③在理論循環性能方面，混合制冷劑R290/R1234ze的COP為R22的90%，但在壓比和排氣溫度上優于R22。由此可見，混合制冷劑R290/R1234ze替代R22在理論上是可行的。
應用實例
空氣能熱水器
空氣能熱水器又稱熱泵熱水器，也稱空氣源熱水器。其安全節能環保型，可全天候運轉，制造相同的熱水量，使用成本只有電熱水器的1/4，燃氣熱水器的1/3，太陽能熱水器的1/2。
空氣能熱水器是運用制冷原理制熱的，國家制冷標準要求輸入1000W最低輸出制冷2800W。根據熱平衡的原理，制熱量=輸入功（1000W）＋制冷量（2800W）=3800W，則空氣能熱水器實際應用在標準環境下產生的熱量為3000W ~ 4000W，而傳統熱水器得到的功率永遠無法達到1000W，因此空氣能熱水器的制熱效果是傳統熱水器的3倍~4倍。
空氣能熱水器是由熱泵主機吸收空氣中的熱量，再送至保溫水箱中的加熱盤管里去加熱冷水（自來水），為家庭或集體浴室提供生活熱水的組合一體式熱水裝置?？諝饽軣崴饔址Q為熱泵熱水器，是采用制冷原理從空氣中吸收熱量來制造熱水的“熱量搬運”裝置。它通過工質（制冷劑）的不斷蒸發（吸取大氣環境中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節流→再蒸發的熱力熱力學循環，可將大氣環境里的熱量轉移到水中。
空氣能熱泵熱水器作為安全節能、環保高效的新能源技術已日趨成熟，應用領域不斷擴展。國際上，發達國家如日本、美國、法國、澳大利亞、瑞典等應用非常普遍。目前，各國政府對此類高度節能環保產品的推廣和應用都非常重視并給予了很大的支持。
日光溫室增溫
日光溫室生產中經常發生根結線蟲為害，根結線蟲除了直接危害日光溫室中的蔬菜作物以外，還會造成作物根系組織腐爛，腐爛部位更易被其他真菌、細菌等侵染，導致土傳病害發生嚴重，造成作物減產或絕產。夏季高溫悶棚是滅殺土壤中根結線蟲最直接、有效、安全的方法。改進后的空氣能熱泵熱水循環系統可在冬季對溫室進行補溫，提高溫室地溫和室內氣溫，減少凍害發生；夏季配合高溫悶棚，進行溫室加熱提高地溫防治土壤中的根結線蟲，以減少病蟲害發生，提高溫室耕作頻次，保障溫室綜合生產效益，促進農民增收。
烘烤系統溫控
空氣能熱泵可應用于烘焙煙葉，通過設計烘烤系統的整體結構和溫控及定時系統，實現熱量分級循環利用且準確控制。結構設計上，將烤房系統化，分級分階段烘烤煙葉，底部三架空層“熱—冷一熱”設計，烤架通過導軌流水作業；控制系統上，基于AT89C52控制芯片，通過設計算法實現對整個系統的多點測溫溫度控制和預定時間控制，控制精度達±1℃，雙方面將熱能利用率提高到最大，彌補了現在農村煙草烘烤技術的能源漏洞。
空氣能燃氣機熱泵
燃氣機熱泵（Gas Engine Driven Heat Pump，以下簡稱GEHP）是以燃氣機作為動力來驅動的壓縮式熱泵。燃氣機驅動熱泵是一種很有前途的裝置，除了供應熱水外，還能用于采暖和制冷。美國、日本等一些國家已經研制成功了用于住宅采暖和供冷的燃氣機熱泵。隨著天然氣等清潔能源在中國的廣泛使用，燃氣機熱泵作為一項高效節能的重要未端設備將得到廣闊的應用。
空氣能發酵罐
大型好氧發酵罐應將空氣分布器和攪拌系統集成為一個整體加以研究，兼顧氣—液分散效果與能源消耗。充分利用壓縮空氣的能量，降低攪拌功率。
空氣能加熱浸出裝置
空氣能加熱浸出裝置可用于貧礦、浮選尾礦及難選氧化銅礦的強化浸出。其比直接電加熱或油浴加熱節能30%~40%。
參考資料 >