空氣源熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源空氣流向高位熱源的節能裝置，是熱泵的一種形式。這種裝置既可用作供熱采暖設備，又可用作制冷降溫設備，從而達到一機兩用的目的。熱泵起源于歐洲，1917年德國首次成功制作了熱泵設備，日、美、澳等發達國家均投入了大量的資金致力熱泵的開發應用。中國的空氣源熱泵（亦稱風冷熱泵）的研究、生產、應用在20世紀80年代末開始有了較快的發展，目前的產品有家用熱泵空調器、商用單元式熱泵空調機組和熱泵冷熱水機組等。
空氣源熱泵主要由壓縮機、膨脹閥、蒸發器與冷凝器組成。主要分為空氣/空氣型熱泵技術和空氣/水型熱泵技術。廣泛應用于農業、工商業、建筑業等領域。空氣源熱泵與其他形式熱泵系統的耦合是發展的一大趨勢。
簡史
世界發展情況
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人壓縮，使其溫度進一步升高，最后送至所需采暖的建筑物中。
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。在開發制冷設備這一歷史時期內，熱泵的開發工作卻落到了后面，這主要是因為熱泵的開發工作主要取決于能源費用和能源有效利用率，同時也取決于各種可能利用其他加熱器的使用情況等。當時取暖方式多樣化，簡單而價廉，因此在技術上對熱泵的需求迫切性不大。
20世紀20～30年代，熱泵才得到較快的發展。這是因為一方面在這之前工業技術特別是制冷機的發展為熱泵的制造奠定了良好的基礎；另一方面社會上出現了對熱泵的需求。這一期間有代表性的空氣源熱泵是英國的霍爾丹( Haldane)于1930年在他的著作中報道的，在蘇格蘭安裝了一臺可進行試驗的家用熱泵（1927年），用氨作工質，外界空氣為熱源，用于采暖及加熱水，從運行的熱泵裝置測得不同輸出溫度下熱泵的性能系數為逆向薩迪·卡諾機理論效率的1/3～1/2。當時霍爾丹已認識到可通過簡單的切換用制冷循環來實現冬季供熱、夏季制冷的可能性，他還研究了利用廢水熱量和廉價的低谷電力、帶廢熱回用的柴油機及在低溫熱源端制冰等問題。在這之后，美國也開始對熱泵進行了設計與應用，但能進行試驗的裝置很少。截至1931年，美國南加利福尼亞愛迪生公司的洛杉磯辦公樓將制冷設備用于供熱，供熱量達1 050kW，制熱系數達2.5，這是大容量熱泵的最早應用。
20世紀50年代，美國已經批量生產空氣源熱泵，到20世紀80年代，日本已經大規模生產各種空氣源熱泵式空調器。
中國發展情況
中國是大陸性氣候，與全球同緯度國家相比，冬天的溫度低，夏天的溫度高，需要采用熱泵技術應對取暖與制冷問題，以降低能耗。由于經濟條件和技術水平的制約，熱泵技術在中國發展得比較緩慢。直到20世紀80年代，中國還在統計煤電比，認為熱泵技術應用節能又節錢的臨界點，要達到400：1。在較長的一段時期內，中國的煤價很低，煤電比最多也就是200：1，熱泵應用沒有經濟效益。20世紀90年代，煤價上升得很快，升高到數百元一噸，電價最多漲了一倍多。煤電比差不多是1000：1，所以熱泵技術在中國得以發展。
改革開放以后，以引進日本技術和生產線為基礎，開始大量生產空氣源熱泵冷熱水機組，熱泵的發展十分迅速，熱泵技術的研究不斷創新，熱泵在中國的應用越來越廣泛，冷熱兼用熱泵等新技術和新產品不斷問世并得到應用。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。
構造及原理
構造
空氣源熱泵主要由壓縮機、膨脹閥、蒸發器與冷凝器組成。
原理
空氣源熱泵是指一種利用人工技術，將低溫熱能轉化為高溫熱能，而達到供熱效果的機械裝置。空氣源熱泵由低溫熱源（如周圍環境空氣）吸收熱能，然后轉換為較高溫熱源釋放至所需的空間內。這種裝置既可用作供熱采暖設備，又可用作制冷降溫設備，從而達到一機兩用的目的。
壓縮機將回流的低壓冷媒壓縮后，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。
空氣源熱泵使空氣側溫度降低，將其熱量轉送至另一側的空氣或水巾．使其溫度升至采暖所要求的溫度。由于此時電用來實現熱量從低溫向高溫的提升，因此，當外溫為0℃時，一度電可產生約3.5 kW/h的熱量，其效率為350%。考慮發電的熱電效率為33%，空氣源熱泵的總體效率為110%，高于直接燃煤或燃氣的效率。該技術目前已經很成熟，實際上現在的窗式和分體式空調器中相當一部分（即通常的冷暖空調器）都已具有此功能。
基本分類
按容量大小分類
按機組容量大小分為小型機組、中型機組、大型機組等。
按組合形式分類
按機組組合形式分為整體式機組和模塊化機組。整體式機組是指由一臺或幾臺壓縮機共用一臺水側換熱器的機組，模塊化機組是指由幾個獨立模塊組成的機組。
按載熱介質分類
空氣源熱泵分類根據不同的載熱介質，空氣源熱泵分為空氣/空氣型熱泵技術和空氣/水型熱泵技術。
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而來的，一般來說，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。
優點
空氣型熱泵的優點十分顯著，它不僅在結構設計方面十分簡單，而且其安裝也十分簡便。此外，空氣/空氣型熱泵在運行的過程中通常采用空氣來作為運行的載熱介質，因而人們在運用空氣/空氣型熱泵時不需要投入大量的資金，降低了運行成本。
缺點
在氣溫比較低的時候如在寒冷的冬季，有一些空氣/空氣型熱泵在運行的過程中會突然停機，熱泵也就停止工作。還有一些時候雖然從表面上看這些空氣/空氣型熱泵仍在工作，但是它們吹出來的風卻不熱，甚至是涼風。此外，空氣/空氣型熱泵的吹風感比較強烈，往往難以帶給人們舒適感，熱泵的供熱溫度一般都比較高，這就會使房間的空氣變得很干燥，也會給人一種很不舒服的感覺，并且會使室內和室外的濕度相差較大。空氣/空氣型熱泵在具體的運行過程中還需要進行除霜，其在除霜時會發出較大的聲音，這也會嚴重影響人們的生活品質，尤其是人們的休息。
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。它與空氣/空氣型熱泵的主要區別在于其室內換熱器不是風冷式而是循環水式。循環水式以水為傳熱介質，冷凝器可在40龍的冷凝溫度下產生35龍的熱水，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。
優點
空氣/水型熱泵能夠在低溫的環境中工作，它主要通過加快壓縮機的轉速來增加熱量；空氣/水型熱泵采用地板進行散熱，所以在運行的過程中人們不會感受到強烈的吹風感，而且房間也不會非常干燥；主要采用水作為載冷劑，因而更加安全可靠。
缺點
空氣/水型熱泵需要在運行中增加工質-水換熱器，這容易使換熱器出現結垢等現象；同時空氣/水型熱泵需要在運行中安裝水泵，這就需要用戶定期對水泵以及水泵中的水質進行處理，這對用戶而言不僅浪費時間還需要花費一定的費用。
關鍵技術
中國寒冷地區冬季氣溫較低，而氣候干燥。會導致空氣源熱泵制熱量不足、可靠性差甚至機組無法運行，為解決上述問題，出現了雙級耦合熱泵系統，用空氣源熱泵冷熱水機組制備10~ 20C低溫水，通過水環路送至室內各個水/空氣熱泵機組中，水/空氣熱泵再從水中汲取熱量，直接加熱室內空氣，以達到供暖目的。為了提高該系統的節能和環保效益，又提出單、雙級混合式熱泵供暖系統。該系統克服了雙級耦合熱泵系統在整個采暖期內，不管室外氣溫多高，都按雙級運行的問題。在采暖期內，只有室外氣溫低，無法單級運行時，再按雙級運行。技術特點如下：
(1)與傳統的供暖模式相比，它是一種仿效自然生態過程物質循環模式的部分熱量循環的供暖模式。
(2)建筑熱損失散失到室外大氣中，又作為空氣源熱泵的低溫熱源使用。可以使建筑供暖節約了部分高位能，同時也不會使城市中的室外大氣溫度降低得比市郊區的溫度還低，從而減輕建筑物排熱對環境的影響。
(3)系統通過一個水循環系統將兩套單級壓縮熱泵系統有機耦合在一起，構成一個新型的雙級耦合熱泵系統。通常可由空氣/水熱泵+水/空氣熱泵或空氣/水熱泵+水/水熱泵組成。若前者系統中水/空氣熱泵還兼有回收建筑物內余熱的作用時，又可將前者稱為雙級耦合水環熱泵空調系統。
(4)水/空氣熱泵直接加熱室內空氣與水/水熱泵間接加熱室內空氣相比，可以減少熱量在輸送與轉換過程中的損失，同時還可以省掉用戶的供暖設備（如風機盤管或地板輻射采暖等）。
應用領域
農業
在農業領域，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，而空氣源熱泵能夠很好地解決以上問題。在烘干領域中，空氣源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，空氣源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，空氣源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源熱泵( Solar Assisted Heat Pump，SAHP）系統。SAHP系統能夠將太陽能集熱器與空氣源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源熱泵系統來實現夏季高效制冷。除此之外，空氣源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。使用空氣源熱泵可以很好地解決排放問題。
建筑業
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、空氣源熱泵、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，開啟熱泵空氣源模式，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。
日常生活
隨著空氣源熱泵的發展，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。由于影響空氣源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，空氣源熱泵在供暖方面聯合地板輻射進行供暖已經在青島市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，空氣源熱泵還被應用到了熱水器上。
發展趨勢
空氣源熱泵技術大多數的研究和空氣源熱泵機組樣機還都是將熱泵的低溫適應性及結、除霜問題分開考慮，然而寒冷地區使用的空氣源熱泵機組也會面臨-6～5℃和相對濕度65%以上的氣象條件，室外換熱器表面結霜也是一個亟待解決的問題。因此將來空氣源熱泵技術將兩者同時加以考慮，研究既能適應寒冷地區氣候，又能有適當措施防止或延緩室外換熱器結霜的空氣源熱泵機組，使空氣源熱泵機組在全天候條件下高效運行。
除了上述空氣源熱泵具體技術的發展趨勢外，將空氣源熱泵與其他形式熱泵系統的耦合也是目前發展的一大趨勢，特別是多能源互補相結合，發揮各種能源的時間、空間優勢，做到能量的梯級利用，按需按質用能，將熱泵系統與分布式能源系統相結合從而提升整體能源利用率。
參考資料 >