陳健勇，李浩，陳穎，趙軍

（1.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣州510006；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京100013；3.天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300350）

0 引言

在全球范圍內(nèi)，建筑消耗約40%的一次能源，排放約30%的溫室氣體［1］。住宅和公共建筑供暖及制冷設(shè)備的覆蓋率逐年提高，能耗不斷提高。目前我國制冷制熱用電量占全社會(huì)用電總量的15%以上且年均增長速度接近20%，主要產(chǎn)品節(jié)能空間達(dá)30%～50%［2］。2019 年我國發(fā)布了《綠色高效制冷行動(dòng)方案》，提出了綠色高效制冷產(chǎn)品市場(chǎng)占有率提高40%且能效提升30%以上的目標(biāo)，對(duì)熱泵空調(diào)設(shè)備提出了更高的要求。2020 年提出的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，定調(diào)了國家綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展方向，熱泵空調(diào)行業(yè)迎來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

空氣源熱泵空調(diào)以消耗少量電能為代價(jià)，將室外環(huán)境空氣中低溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)變?yōu)楦邷責(zé)嵩?，達(dá)到對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。與其他的供暖裝置相比，空氣源熱泵空調(diào)具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、安裝靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于分戶安裝。1981 年在內(nèi)羅畢召開的“新能源和可再生能源”國際會(huì)議上，首次明確了可再生能源的定義［3］。歐盟2009 年發(fā)布可再生能源指令，將“空氣熱能”定義為“環(huán)境空氣中存在的能量”并將其納入可再生能源范疇［4］。2018 年全球熱泵總銷量約300 萬臺(tái)，其中歐洲市場(chǎng)和美國市場(chǎng)基本呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢(shì)，絕大部分歐洲國家都出臺(tái)了相應(yīng)的補(bǔ)貼政策［5］。2015年11 月25 日，我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心發(fā)布了《空氣熱能納入可再生能源范疇的指導(dǎo)手冊(cè)》。在中國“煤改清潔能源”等項(xiàng)目的推動(dòng)下，空氣源熱泵空調(diào)迎來了高速發(fā)展，2013—2020年，空氣源熱泵空調(diào)市場(chǎng)規(guī)模增加了2 倍［6］。除了冷暖制備產(chǎn)品，空氣源熱泵烘干機(jī)和熱水器等產(chǎn)品也逐漸占據(jù)市場(chǎng)份額?？諝庠礋岜每照{(diào)在夏熱冬冷氣候區(qū)、寒冷氣候區(qū)、夏熱冬暖及溫和氣候區(qū)節(jié)能潛力共計(jì)1 620 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤/a，而在北方及長江中下游地區(qū)的節(jié)能潛力共計(jì)4 097 萬t標(biāo)準(zhǔn)煤/a［6］。

在新形勢(shì)下，高效環(huán)保的空氣源熱泵空調(diào)對(duì)節(jié)能減排減碳具有重要價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文從空氣源熱泵空調(diào)研究進(jìn)展、典型應(yīng)用、挑戰(zhàn)和發(fā)展這幾方面對(duì)近年來相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析，探討空氣源熱泵空調(diào)的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)空氣源熱泵空調(diào)的節(jié)能減排潛力，為行業(yè)技術(shù)人員和學(xué)者提供參考。

1 空氣源熱泵空調(diào)的研究現(xiàn)狀

1.1 循環(huán)構(gòu)建

空氣源熱泵空調(diào)兼具冬季供暖熱泵和夏季空調(diào)制冷的功能，冬季供暖時(shí)環(huán)境溫度可以從0 ℃以上變化到-15 ℃甚至更低，要應(yīng)對(duì)極端惡劣天氣，熱泵需要有良好的低溫運(yùn)行性能。為提高空氣源熱泵空調(diào)的低溫適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，學(xué)者們對(duì)單級(jí)壓縮熱泵循環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，提出了準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵循環(huán)、雙級(jí)壓縮熱泵循環(huán)、復(fù)疊式熱泵循環(huán)、多源耦合熱泵循環(huán)及空氣源熱泵空調(diào)-蓄熱/冷系統(tǒng)等。

1.1.1 準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵循環(huán)

準(zhǔn)二級(jí)壓縮循環(huán)的核心是中間補(bǔ)氣技術(shù)，以補(bǔ)氣壓縮機(jī)為基礎(chǔ)，通過中間壓力吸氣口吸入一部分中間壓力的制冷劑，與部分已壓縮的制冷劑混合再壓縮，增加冷凝器中制冷劑的流量，提升制熱能力。根據(jù)經(jīng)濟(jì)器類型可將準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵循環(huán)分為過冷器循環(huán)和閃發(fā)器循環(huán)，如圖1 所示。由于閃發(fā)器循環(huán)的中間補(bǔ)氣狀態(tài)相較過冷器循環(huán)更接近飽和氣態(tài)，能夠進(jìn)一步降低壓縮機(jī)的排氣溫度，因此可獲得更好的循環(huán)性能系數(shù)（COP）［7］。

圖1 準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵循環(huán)Fig.1 Cycle of a quasi-two-stage compression heat pump

石文星［8］認(rèn)為中間補(bǔ)氣技術(shù)可使熱泵系統(tǒng)制熱量增加30%以上，COP 提高10%以上。申江等［9］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)閃蒸器系統(tǒng)在-15～-10 ℃的低溫環(huán)境下仍有較高的制熱能力和供暖效率，能夠滿足寒冷地區(qū)冬季的制熱需求，而且隨著室外溫度的降低，準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯。Heo 等［7］對(duì)一種帶有閃蒸罐的準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵空調(diào)進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明中間補(bǔ)氣量越多，熱泵的制熱能力越好，但閃蒸罐的工作效率會(huì)隨之降低。馬國遠(yuǎn)等［10］發(fā)現(xiàn)中間補(bǔ)氣技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的COP，但隨著蒸發(fā)溫度的提高，補(bǔ)氣效果會(huì)減弱，當(dāng)蒸發(fā)溫度高于-10 ℃時(shí)，中間補(bǔ)氣的效果可忽略不計(jì)。張劍飛等［11］將帶過冷器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵與單級(jí)熱泵性能進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明當(dāng)蒸發(fā)溫度從-5 ℃降低至-20 ℃時(shí)，準(zhǔn)二級(jí)熱泵的制熱量增加15%～30%，COP 提高9%～19%，耗功僅上升約10%。艾凇卉等［12］通過測(cè)試總結(jié)出中間補(bǔ)氣的準(zhǔn)雙級(jí)壓縮熱泵是優(yōu)良的低溫?zé)岜?，其?shí)測(cè)性能良好、運(yùn)行可靠。因此，準(zhǔn)二級(jí)熱泵適用于低蒸發(fā)溫度、大壓縮比的場(chǎng)合，可在北方嚴(yán)寒地區(qū)室外溫度低于-25 ℃的環(huán)境下運(yùn)行，但不能根本解決壓縮機(jī)壓比過大、排氣溫度高等問題，且隨著蒸發(fā)溫度的上升，準(zhǔn)二級(jí)壓縮循環(huán)的優(yōu)勢(shì)逐漸變小，目前研究范圍局限在低溫供暖。

1.1.2 雙級(jí)壓縮熱泵循環(huán)

雙級(jí)壓縮熱泵循環(huán)將壓縮過程分為2 段：低壓壓縮機(jī)先將制冷劑壓縮至中間壓力，經(jīng)過中間冷卻后再進(jìn)入高壓壓縮機(jī)將制冷劑壓縮至冷凝壓力，最后從壓縮機(jī)排氣口排出。雙級(jí)壓縮熱泵循環(huán)可以分為一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻、一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻、兩級(jí)節(jié)流中間完全冷卻和兩級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻，如圖2所示。

圖2 雙級(jí)壓縮熱泵循環(huán)Fig.2 Cycle of a two-stage compression heat pump

金旭［13］對(duì)特定工況下4種雙級(jí)壓縮循環(huán)分別進(jìn)行了試驗(yàn)分析，分析結(jié)果表明：盡管中間完全冷卻能夠獲得更低的排氣溫度，但補(bǔ)氣量的增加會(huì)使低壓壓縮機(jī)的循環(huán)量減少，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的COP 降低；同時(shí)相較于一級(jí)節(jié)流，兩級(jí)節(jié)流能夠減少制冷劑在節(jié)流過程中的不可逆損失。兩級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻可以作為一種比較理想的循環(huán)方式應(yīng)用在低溫環(huán)境下的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，其COP 相對(duì)較好，見表1。

表1 雙級(jí)壓縮熱泵循環(huán)4種循環(huán)方式對(duì)比Tab.1 Comparison of four circulation modes of the two-stage compression heat pump

雖然雙級(jí)壓縮循環(huán)能夠降低各級(jí)壓縮的壓比以及壓縮機(jī)排氣溫度，具有更優(yōu)的COP，但也存在高/低壓級(jí)壓縮機(jī)回油不均、最佳中間壓力難以確定和溫跨范圍受到限制等問題。

1.1.3 復(fù)疊式壓縮熱泵循環(huán)

復(fù)疊式壓縮循環(huán)由低溫級(jí)循環(huán)和高溫級(jí)循環(huán)構(gòu)成，該系統(tǒng)通過蒸發(fā)冷凝器將2 個(gè)單級(jí)壓縮循環(huán)聯(lián)系起來，利用低溫級(jí)循環(huán)為高溫級(jí)循環(huán)創(chuàng)造運(yùn)行條件，如圖3 所示。王林等［14］提出了一種復(fù)疊式熱泵循環(huán)，在低溫下可以減小各級(jí)壓縮機(jī)的壓比，降低壓縮機(jī)的排氣溫度，提高空氣源熱泵空調(diào)的制熱能力。周亮亮等［15］分別選取R134a 和R410A 作為高、低溫級(jí)制冷劑，構(gòu)建了復(fù)疊式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)樣機(jī)。室外溫度為-25 ℃時(shí)能正常制取85 ℃的熱水，同時(shí)解決了室外機(jī)結(jié)霜的問題。復(fù)疊式壓縮熱泵系統(tǒng)構(gòu)建較為復(fù)雜，成本過高，夏季難以運(yùn)行，僅在特定場(chǎng)合使用。

圖3 復(fù)疊式熱泵循環(huán)Fig.3 Cycle of a cascade heat pump cycle

1.1.4 多源耦合熱泵循環(huán)

空氣源熱泵空調(diào)在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用受到限制，存在低溫適應(yīng)性差和負(fù)荷匹配性問題，而與其他可再生能源熱泵相結(jié)合，采用多源耦合的熱泵可彌補(bǔ)單一空氣源熱泵空調(diào)的不足，獲得高效復(fù)合熱泵系統(tǒng)。

太陽能熱泵系統(tǒng)利用太陽能為蒸發(fā)器提供熱源，只能在白天間歇性工作，空氣源-太陽能復(fù)合熱泵可持續(xù)供熱，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。Odeh 等［16］提出了一種太陽能-空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)采用雙套管蒸發(fā)器，太陽能熱水流經(jīng)內(nèi)管，制冷劑在內(nèi)外管之間的環(huán)形通道流動(dòng)，外管則從空氣中吸收熱量，實(shí)現(xiàn)太陽能、空氣熱能與制冷劑同時(shí)換熱，該系統(tǒng)的熱效率高于傳統(tǒng)太陽能熱泵系統(tǒng)。馬坤茹等［17］設(shè)計(jì)了一種新型的太陽能輔助空氣源復(fù)合熱泵，在室外溫度為-7 ℃時(shí)，復(fù)合熱泵較單一空氣源熱泵空調(diào)制熱量提高約24%，能效提高25%以上。

圖4 太陽能-空氣源雙熱源熱泵系統(tǒng)Fig.4 Solar-air source heat pump system

地源熱泵將地下淺層土壤的熱能作為熱源，是一種高效、節(jié)能的熱泵系統(tǒng)，但長期不間斷運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致土壤出現(xiàn)取排熱失衡等問題，空氣源-地源復(fù)合熱泵可減小埋管面積，降低成本。周光輝等［18］將傳統(tǒng)的翅片管式換熱器與套管式換熱器相結(jié)合，作為空氣-地源雙熱源熱泵系統(tǒng)的復(fù)合換熱器，實(shí)現(xiàn)了不同熱源在同一換熱器中與制冷劑同時(shí)進(jìn)行換熱。游田等［19］提出了一種耦合空氣源補(bǔ)熱器的地源熱泵系統(tǒng)，如圖5 所示。利用TRNSYS 搭建系統(tǒng)模型，從可靠性、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性3 個(gè)方面分析該系統(tǒng)在不同地區(qū)的適應(yīng)性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足北方地區(qū)的供暖、供冷和供生活熱水的需求，且初投資較低，能較好地維持土壤熱平衡，是一種值得推廣的供熱供冷形式。

圖5 新型地源熱泵系統(tǒng)Fig.5 New geothermal heat pump system

水源熱泵需要大量穩(wěn)定的水資源，地區(qū)限制較大且地下水回灌技術(shù)不夠成熟，而空氣源-水源復(fù)合熱泵可減少這些問題的發(fā)生。徐俊芳等［20］對(duì)空氣-水雙熱源復(fù)合熱泵進(jìn)行理論性研究，認(rèn)為當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，系統(tǒng)采用單一熱源即可實(shí)現(xiàn)供暖，當(dāng)環(huán)境溫度降至0 ℃以下時(shí)，采用雙熱源比單一空氣源更具優(yōu)勢(shì)。吳曉陽［21］針對(duì)船舶特殊的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種機(jī)艙空氣和海水復(fù)合的熱泵系統(tǒng)，如圖6 所示。該系統(tǒng)共有3 種運(yùn)行模式，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，在保證供暖需求的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)較單一熱源熱泵更高的供熱效率，但該系統(tǒng)存在腐蝕、顛簸等問題且初投資較高。

圖6 空氣源-水源復(fù)合熱泵Fig.6 Air source-water source composite heat pump

1.1.5 空氣源熱泵空調(diào)-蓄熱/冷系統(tǒng)

為保證空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)低溫效率，擴(kuò)大運(yùn)行范圍，常結(jié)合相變材料蓄熱技術(shù)組成空氣源熱泵空調(diào)-蓄熱系統(tǒng)。為了解決空氣源熱泵空調(diào)結(jié)霜問題，通過蓄熱延緩多變的室外空氣造成的空氣源熱泵空調(diào)制熱量的變化，平衡熱泵的供熱量與用戶需求，同時(shí)調(diào)節(jié)電力負(fù)荷［22］。韓志濤等［23］提出空氣源熱泵空調(diào)蓄熱熱氣除霜系統(tǒng)，除霜時(shí)間更短，節(jié)省了除霜能耗。空氣源熱泵空調(diào)蓄熱系統(tǒng)的供熱調(diào)節(jié)主要是將用熱需求低的多余熱量轉(zhuǎn)移至供熱不足的時(shí)間段，可以提高低溫下的制熱量和能效，解決空氣源熱泵空調(diào)低溫運(yùn)行的問題。大型蓄熱式空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組可實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰，雖然不是從節(jié)能角度出發(fā)，但通過低谷電價(jià)較低的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性并提高工程價(jià)值［22］。

通過將空氣源與太陽能、地源、水源等可再生能源進(jìn)行耦合構(gòu)建多源熱泵系統(tǒng)，提升系統(tǒng)性能。空氣源-太陽能復(fù)合熱泵能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能與空氣熱能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使系統(tǒng)能夠在全年各工況下穩(wěn)定運(yùn)行，有效提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性；空氣源-地源和空氣源-水源復(fù)合熱泵不僅克服了單一空氣源熱泵空調(diào)在夏季高溫和冬季低溫環(huán)境下?lián)Q熱量小的缺陷，還可緩解單一空氣源熱泵空調(diào)地源或水源熱泵的水泵功耗大、地下水回灌等問題?？諝庠礋岜每照{(diào)與相變蓄熱系統(tǒng)結(jié)合，在除霜、供熱、熱水器以及電力調(diào)峰方面都能起到提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的作用。這些系統(tǒng)通過切換不同模式，實(shí)現(xiàn)不同工況下的更優(yōu)匹配，更加節(jié)能環(huán)保，具有更廣泛的發(fā)展空間。

表2 對(duì)比了各種熱泵循環(huán)：準(zhǔn)二級(jí)壓縮循環(huán)會(huì)在壓縮機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)出現(xiàn)效率下降、制熱/冷量不足的情況；雙級(jí)壓縮循環(huán)在蒸發(fā)溫度較低的工況下，可降低壓縮機(jī)的排氣溫度和減少壓縮機(jī)的能耗；復(fù)疊式熱泵循環(huán)能滿足特定的設(shè)計(jì)工況，同時(shí)滿足低蒸發(fā)溫度時(shí)的蒸發(fā)壓力和環(huán)境溫度條件下的冷凝壓力，但由于冷凝蒸發(fā)器中多了換熱溫差，系統(tǒng)效率相對(duì)較低；多源耦合熱泵循環(huán)能充分利用各種熱源，克服各種單一熱源熱泵的缺陷，拓寬了熱泵的應(yīng)用范圍，但部分存在初投資較高的痛點(diǎn)；空氣源熱泵空調(diào)-蓄熱/冷系統(tǒng)保證了熱泵在低溫環(huán)境下的運(yùn)行效率且充分利用了峰谷電價(jià)，經(jīng)濟(jì)性有所提升。

表2 壓縮熱泵循環(huán)系統(tǒng)對(duì)比Tab.2 Comparison of the circulation systems of compression heat pumps

1.2 除霜

當(dāng)冷表面溫度同時(shí)低于空氣露點(diǎn)和水的三相點(diǎn)溫度時(shí)，水蒸氣極易在冷表面上冷凝或凝華結(jié)霜。隨著霜層厚度的不斷增加，空氣側(cè)流阻和熱阻不斷變大，換熱器傳熱速率下降，此時(shí)，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)熱效率降低，耗能增加。學(xué)者們提出了許多解決方法，見表3。

表3 各種除霜方法的特點(diǎn)Tab.3 Characteristics of various defrosting technologies

除霜方法可分為主動(dòng)除霜和被動(dòng)除霜［24］：主動(dòng)除霜是機(jī)組通過四通閥的切換變換蒸發(fā)器和冷凝器的位置，利用系統(tǒng)熱量除霜，著眼于系統(tǒng)研究；被動(dòng)除霜是從觀察霜層生長過程的研究出發(fā),分析總結(jié)霜層形成機(jī)理，通過改變冷表面特征來抑制或延緩霜的形成，偏向于微觀與幾何方面。目前實(shí)際應(yīng)用中往往使用單一方法除霜，效果有限，應(yīng)該深入研究不同的主動(dòng)除霜方法并配合抑制霜層形成的方法，使霜層生長全過程都得到控制，考慮“抑霜為先，除霜為后”，完善評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)除霜性能和經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化［25］。

1.3 系統(tǒng)控制

在空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，通過耦合多種控制部件及控制機(jī)制（如控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度及制冷劑循環(huán)方向等）來滿足不同需求。現(xiàn)有的空氣源熱泵空調(diào)仍存在寒冷地區(qū)供暖舒適性不足、壓縮機(jī)頻繁啟停以及除霜等問題，學(xué)者們提出了一系列控制策略以提升空氣源熱泵空調(diào)的能效，其中研究較多的是除霜控制［26］，見表4。

表4 低溫空氣源熱泵空調(diào)現(xiàn)存問題及解決辦法Tab.4 Problems and solutions of the low-temperature air source heat pump air conditioning systems

另外，空氣源熱泵空調(diào)的核心目標(biāo)之一就是在滿足用戶需求的前提下，實(shí)現(xiàn)能耗可視化、節(jié)能可控化，這對(duì)于大型多聯(lián)機(jī)空調(diào)設(shè)備、共享辦公空調(diào)系統(tǒng)尤為突出。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等智能技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上涌現(xiàn)了集中管理、分類統(tǒng)計(jì)的各種應(yīng)用，但實(shí)現(xiàn)效果和運(yùn)行水平有待進(jìn)一步驗(yàn)證，中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)也發(fā)布實(shí)施了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［27］。

2 空氣源熱泵空調(diào)的應(yīng)用場(chǎng)合及節(jié)能減排

2.1 空氣源熱泵空調(diào)制冷的應(yīng)用

2.1.1 汽車空調(diào)

汽車空調(diào)是指對(duì)汽車內(nèi)空氣的溫度、濕度、流速和清潔度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置，預(yù)防或去除風(fēng)窗玻璃上的霧、霜和冰雪，保證駕駛員和乘客身體健康以及行車安全。傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷主要采用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)制冷，制熱主要來自發(fā)動(dòng)機(jī)余熱。而對(duì)于純電動(dòng)汽車以及燃料電池汽車來說，沒有發(fā)動(dòng)機(jī)作為空調(diào)壓縮機(jī)的動(dòng)力源，不能利用其余熱，無法直接采用傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的解決方案。對(duì)于混合動(dòng)力汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方式多樣，空調(diào)壓縮機(jī)也不能采用發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式。汽車空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷系統(tǒng)、取暖系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)和控制電路組成，如圖7所示。

圖7 汽車空調(diào)系統(tǒng)Fig.7 Air conditioning systems for vehicles

汽車空調(diào)打開時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出功率提高，發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)或單位里程內(nèi)的燃油消耗量也隨之增加。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，以私家車為例，2.0 L 排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，每行駛100 km的空調(diào)燃油附加量為3.43 L［28］。目前，大多數(shù)電動(dòng)汽車均采用空調(diào)制冷和熱泵式空調(diào)或熱敏電阻（PTC）制熱的方式控制車內(nèi)環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)消耗的能源在整車能源消耗中的占比約為33%；同時(shí)，在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，制熱時(shí)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程會(huì)降低近50%：因此，節(jié)能是新能源電動(dòng)汽車空調(diào)的研究重點(diǎn)［29］。目前針對(duì)汽車空調(diào)的節(jié)能措施見表5。

表5 汽車空調(diào)的節(jié)能措施Tab.5 Energy-saving approaches for vehicle air conditioners

2.1.2 房間空調(diào)

我國是熱泵和空調(diào)制造大國，家用空調(diào)產(chǎn)量持續(xù)占據(jù)全球80%以上份額。新國標(biāo)GB 21455—2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》于2020 年7 月1 日正式實(shí)施，在原標(biāo)準(zhǔn)（GB 21455—2013）基礎(chǔ)上能效有較大幅度提升，加快了高效節(jié)能空調(diào)的推廣和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整。提升房間空調(diào)器能效的主要措施包括采用變頻調(diào)速、優(yōu)化冷凝器與蒸發(fā)器的強(qiáng)化換熱和流道、提高壓縮機(jī)效率、優(yōu)化設(shè)計(jì)電子膨脹閥和家用空調(diào)器結(jié)構(gòu)參數(shù)以及系統(tǒng)參數(shù)等。此外，研究人員還提出了一系列新技術(shù)：空調(diào)熱回收技術(shù)，包括空調(diào)冷凝熱回收加熱水；空調(diào)蓄熱技術(shù)，主要對(duì)電網(wǎng)削峰平谷，達(dá)到節(jié)能的目的；新材料研發(fā)技術(shù)，如采用親水膜鋁箔材料強(qiáng)化換熱以及新型制冷劑等；高效壓縮機(jī)，如采用變?nèi)萘空{(diào)節(jié)壓縮機(jī)等［30］。

房間空調(diào)附加功能成為當(dāng)前市場(chǎng)新的突破點(diǎn)，目前附加功能可分為舒適類（濕度控制、風(fēng)感控制等）、健康類（新風(fēng)、空氣品質(zhì)控制、換熱器／過濾網(wǎng)自清潔等）和智能類（遠(yuǎn)程控制、智能控制、局部溫控、模式識(shí)別、人機(jī)交互、智能互聯(lián)等）［31］。附加功能的應(yīng)用提升了用戶的舒適度和使用體驗(yàn)，為空調(diào)器差異化發(fā)展提供了充分的空間，不同附加功能對(duì)房間空調(diào)能耗的影響如圖8所示。

圖8 不同類型附加功能對(duì)空調(diào)能效的影響Fig.8 Impact of different additional functions on the energy efficiency of air conditioners

2.1.3 多聯(lián)機(jī)空調(diào)

多聯(lián)機(jī)空調(diào)俗稱“一拖多”，是指一臺(tái)室外機(jī)連接2 臺(tái)及以上室內(nèi)機(jī)，通過控制壓縮機(jī)的制冷劑循環(huán)量和進(jìn)入室內(nèi)換熱器的制冷劑流量，實(shí)時(shí)滿足室內(nèi)冷、熱負(fù)荷要求的高效率制冷劑空調(diào)系統(tǒng)，常用于數(shù)據(jù)機(jī)房、商業(yè)中心、醫(yī)院等功能性場(chǎng)所。其優(yōu)點(diǎn)為：冷（熱）量直接由制冷劑輸送，不需要風(fēng)管或水管系統(tǒng)，減少了輸送耗能及載冷劑輸送中的能量損失；冷（熱）量隨負(fù)荷調(diào)節(jié)，節(jié)能效果顯著，能效比相對(duì)較高。其缺點(diǎn)為：回油比較復(fù)雜；制冷劑管道安裝要求高，管路較長，制冷劑灌裝量大［32］。肖寒松等［33］總結(jié)了多聯(lián)機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)展，從循環(huán)、除霜、回油、舒適性及節(jié)能等方面提出了技術(shù)展望：系統(tǒng)優(yōu)化控制、發(fā)展應(yīng)用多聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰、發(fā)展基于大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)舒適性和節(jié)能控制以及系統(tǒng)故障診斷技術(shù)。多聯(lián)機(jī)將進(jìn)一步與大數(shù)據(jù)技術(shù)交叉、融合，實(shí)現(xiàn)控制技術(shù)的創(chuàng)新，提升全工況性能，推動(dòng)多聯(lián)機(jī)向高效節(jié)能、高舒適性、多功能和智能化方向發(fā)展［33］。

2.1.4 節(jié)能措施

研發(fā)和推廣高能效比的空調(diào)器可有效提高能源利用率，是目前我國空調(diào)行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)?？照{(diào)節(jié)能技術(shù)主要包括建筑環(huán)境、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和智能控制3方面，具體措施見表6。

表6 空調(diào)節(jié)能技術(shù)Tab.6 Energy-saving technologies for air conditioners

2.2 空氣源熱泵空調(diào)制熱的應(yīng)用

空氣源熱泵空調(diào)因高效、環(huán)保、節(jié)能和緊湊等特點(diǎn)在很多行業(yè)得到應(yīng)用，如農(nóng)林牧漁業(yè)、采礦業(yè)、制造業(yè)、住宿和餐飲業(yè)、建筑業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等，其中普通家用制取生活熱水、建筑采暖、烘干等方面的技術(shù)相對(duì)較成熟。

2.2.1 農(nóng)林牧漁

農(nóng)林牧漁業(yè)對(duì)溫度的穩(wěn)定性要求較高，如苗/種初期培育和溫室栽培需一年四季調(diào)整溫度，過低的溫度會(huì)導(dǎo)致生長發(fā)育緩慢，水養(yǎng)殖則需要穩(wěn)定的水溫，其供熱溫度為10～35 ℃（熱泵技術(shù)在溫室中的應(yīng)用），空氣源熱泵空調(diào)均能滿足需求［34］。廣東省佛山市三水陽特園藝有限公司是生產(chǎn)花卉種苗的企業(yè)，育苗所需溫室大于30 000 m2，組織培養(yǎng)車間約2 000 m2，年平均氣溫為21.9 ℃，最低為-0.7 ℃，最高為39.1 ℃。2013 年該公司引入空氣源熱泵空調(diào)模塊機(jī)組，3 a 運(yùn)行期間冬季采暖運(yùn)行費(fèi)用減少了50%，溫室內(nèi)部環(huán)境溫度得到精準(zhǔn)控制，占地面積和員工數(shù)量減少，穩(wěn)定性較傳統(tǒng)燃煤加熱方式高，無污染物排放，總體社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益較好［35］。

2.2.2 采礦

煤礦供熱主要有建筑采暖熱負(fù)荷、井筒防凍熱負(fù)荷和生活熱水，而井筒防凍熱負(fù)荷占一半以上，主要供熱介質(zhì)有熱水、蒸汽、熱風(fēng)和導(dǎo)熱油。采用空氣源熱泵空調(diào)供暖時(shí)，用于建筑采暖的熱水溫度一般低于60 ℃，井筒防凍供水溫度高于50 ℃，嚴(yán)寒地區(qū)則高于75 ℃，雙級(jí)壓縮的低溫空氣源熱泵熱水器（準(zhǔn)二級(jí)壓縮循環(huán)熱泵）能夠滿足低溫工況下制熱量大的需求［36］。以山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣的煤礦為例，該煤礦共布置141 臺(tái)空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組替代燃煤鍋爐［36］，采用空氣源熱泵空調(diào)初投資較低，運(yùn)行費(fèi)用低，比燃煤鍋爐房節(jié)省3.36萬元。原油生產(chǎn)需要采用單井儲(chǔ)油罐貯存原油以方便外運(yùn)，而油井生產(chǎn)的原油黏度較高，從儲(chǔ)油罐中向罐車?yán)镅b原油前需要加熱到一定溫度，采用空氣源熱泵空調(diào)加熱可滿足安全、環(huán)保、節(jié)能的要求［37］。

2.2.3 制造烘干

制造業(yè)的烘干技術(shù)要求干化過程耗能低、效率高且安全。物料對(duì)溫度較敏感且不同物料的烘干溫度不同，因此需要對(duì)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。相較于傳統(tǒng)烘干技術(shù)，空氣源熱泵烘干使用模塊化設(shè)計(jì)，溫度調(diào)整范圍大且精度高、效率高、安全性更好，能夠達(dá)到物料的烘干要求，有廣泛的應(yīng)用，如圖9 所示。遼寧省鞍山市岫巖縣牧牛鎮(zhèn)香菇烘干項(xiàng)目中，在熱量需求、環(huán)境溫度、降水和產(chǎn)量等條件相同的情況下，采用空氣源熱泵單次烘干費(fèi)用僅199.14元，低于燃煤鍋爐（271.56 元）、天然氣鍋爐（604.00 元）和電熱器（628.88 元）［6］。

圖9 空氣源熱泵空調(diào)用于制造業(yè)烘干Fig.9 Air source heat pump air conditioners used fordrying of manufacturing industry

2.2.4 建筑

建筑的熱量需求主要是熱水和暖氣，小型建筑使用普通家用空調(diào)熱泵系統(tǒng)可滿足住戶供熱采暖需求。大型建筑如寫字樓、商場(chǎng)、教學(xué)樓等使用中央熱泵式空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)體積龐大、管路復(fù)雜，需要與建筑結(jié)構(gòu)、電氣等配合，但具有經(jīng)濟(jì)節(jié)能、管理方便等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)位置偏遠(yuǎn)、無市政熱源和天然氣的區(qū)域，空氣源熱泵空調(diào)能夠有效解決熱水和供暖問題。甘肅嘉峪關(guān)繞城高速公路收費(fèi)站管理所的宿舍樓和辦公樓采用超低溫空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組，解決了冬天供暖問題。相較于電采暖，采用超低溫空氣源熱泵空調(diào)可節(jié)省58.3%的電量，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤94.6 t/a［38］。同樣，內(nèi)蒙古北部的鐵路站段（冬季最低溫度為-23.0 ℃，夏季平均溫度為27.5 ℃）采用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，可滿足60.0 ℃的用水需求，日均能源消耗量為電鍋爐的30.4%，年運(yùn)行費(fèi)用是燃?xì)忮仩t的40.6%［39］?？諝庠礋岜每照{(diào)是“煤改電”采暖的最佳方式，催生33.6 億元的熱泵市場(chǎng)［40］。

2.2.5 交通運(yùn)輸

在交通運(yùn)輸業(yè)方面，除汽車外，船舶等也需要考慮行駛過程中的舒適性和節(jié)能性，空氣源熱泵空調(diào)在水上運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用同樣有巨大潛力。船舶正常航行時(shí)機(jī)艙溫度一般在40 ℃以上，空氣源熱泵空調(diào)吸取船艙熱量，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低船艙溫度和制取生活熱水。熱泵還可成為海水淡化的加熱器，是船舶海水淡化的發(fā)展方向之一。目前，空氣源熱泵空調(diào)在船舶的應(yīng)用有限，主要原因是：機(jī)艙空間相對(duì)封閉，空氣不易流通；熱泵效率不高，結(jié)構(gòu)需要更加緊湊；出水溫度低，無法滿足油類的余熱需求［41］。

2.2.6 住宿和餐飲

住宿和餐飲業(yè)對(duì)熱水的需求量較大且用水時(shí)段較集中，空氣源熱泵空調(diào)可錯(cuò)開用水集中時(shí)間或在用水需求少的谷電時(shí)間段蓄熱水，顯著提高經(jīng)濟(jì)性。由表7 可見，在制備同等體積和溫升熱水的情況下，空氣源熱泵空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用約為電熱水鍋爐的19.6%，約為燃?xì)忮仩t的27.4%［42］。上海某酒店的生活熱水采用空氣源熱泵，其全年綜合能效比（SEER）為3.92，生產(chǎn)熱水的能耗費(fèi)用為11.7 t/元，比改造前熱水鍋爐的費(fèi)用低約36.4%［43］。浙江大學(xué)紫金港校區(qū)餐飲中心采用太陽能+空氣源熱泵供應(yīng)熱水，4—10 月太陽能熱水加熱系統(tǒng)能夠滿足熱水使用需求，在平均溫度最低的1月，空氣源熱泵系統(tǒng)的月平均使用效率約為55%，節(jié)能費(fèi)用達(dá)39.15萬元/a，每年可減少碳排放187.5 t，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益良好。

表7 空氣源熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)熱水設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用Tab.7 Operating costs of the air source heat pump air conditioner and the traditional hot water equipment

2.2.7 衛(wèi)生和社會(huì)工作

殺菌消毒是衛(wèi)生和社會(huì)工作的重要方面，采用空氣源熱泵空調(diào)產(chǎn)生蒸汽的過程控制能力強(qiáng)、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好、投資回收期短，能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)性殺菌場(chǎng)合。Yan 等［44］提出了一種復(fù)疊式空氣源熱泵空調(diào)，低壓級(jí)制冷劑采用R404A，高壓級(jí)制冷劑采用R245fa，產(chǎn)生的蒸汽量為0.5 t/h，溫度可達(dá)120 ℃，運(yùn)行3 a以上的經(jīng)濟(jì)性最好。

表8 總結(jié)了空氣源熱泵空調(diào)的具體應(yīng)用案例，其應(yīng)用行業(yè)廣、溫度范圍廣，可以低溫干燥物料高溫殺菌，溫度利用有即時(shí)型和蓄熱型，供暖方式分中央供熱式和模塊化供熱式，針對(duì)性強(qiáng)，安裝條件靈活，受地理?xiàng)l件和氣候影響小，在陸地和非陸地場(chǎng)合均能發(fā)揮作用。

表8 空氣源熱泵空調(diào)的應(yīng)用Tab.8 Application of air source heat pump air conditioners

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，單級(jí)空氣源熱泵空調(diào)仍面臨低溫結(jié)霜、排氣溫度高等問題，導(dǎo)致其在某些場(chǎng)合應(yīng)用受限，如船舶機(jī)艙、高溫蒸汽殺菌等。

2.3 空氣源熱泵空調(diào)對(duì)節(jié)能減排的貢獻(xiàn)

2.3.1 空氣源熱泵空調(diào)在農(nóng)村的覆蓋情況及經(jīng)濟(jì)性

近些年，作為大氣污染防治重要措施的清潔取暖工作開展得如火如荼。北京市因其重要的城市作用，在清潔取暖工作方面發(fā)揮了排頭兵作用。2013 年啟動(dòng)了農(nóng)村地區(qū)“減煤換煤清潔空氣”行動(dòng)，自2016 年以來，大規(guī)模開展整村的清潔取暖工作［45］。截至2020—2021 年供暖季，北京市農(nóng)村地區(qū)“煤改電”約90萬戶，其中近90%采用空氣源熱泵空調(diào)。國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心空調(diào)設(shè)備檢測(cè)部團(tuán)隊(duì)從2016 年開始連續(xù)5 a 開展北京市農(nóng)村煤改清潔能源供暖運(yùn)行監(jiān)測(cè)［46］，目前已有超過300 個(gè)空氣源熱泵空調(diào)供暖項(xiàng)目在線運(yùn)行。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2 個(gè)供暖季的最高功耗為105.2 kW·h/m2，最低功耗為21.6 kW·h/m2?？諝庠礋岜每照{(diào)機(jī)組的COP 值（≥0.95）高于普通電熱鍋爐和燃煤鍋爐［45］。2020—2021 年供暖季（2020-11-15—2021-03-15），北京市平原農(nóng)村地區(qū)室外平均溫度為0 ℃，所監(jiān)測(cè)的空氣源熱泵熱水機(jī)系統(tǒng)供暖效果較好，能夠在極寒天氣滿足農(nóng)戶基本供暖需求，室內(nèi)溫度平均為18.4 ℃，供暖系統(tǒng)COP 平均值為2.13（含水泵能耗），供熱量平均值為44.7 W/m2。運(yùn)行費(fèi)用受系統(tǒng)耗電量和谷電率（供暖季谷電時(shí)段為21：00 到次日06：00，其余年份供暖季谷電時(shí)段為20：00 到次日08：00；谷電率指整個(gè)供暖季谷電期間的耗電量與總耗電量的比值）的綜合影響，政府對(duì)谷電補(bǔ)貼（谷電價(jià)格為0.1 元/（kW·h），補(bǔ)貼上限為每個(gè)取暖季10 MW·h）后84%的空氣源熱泵熱水機(jī)供暖系統(tǒng)日均運(yùn)行費(fèi)用集中在10～25 元，94%在25 元以下，表明空氣源熱泵供暖系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2.3.2 空氣源熱泵空調(diào)的碳足跡

碳足跡指的是系統(tǒng)運(yùn)行過程中的溫室氣體排放量，用CO2當(dāng)量表示［47］。根據(jù)燃料、電、熱水或蒸汽的消耗量與當(dāng)?shù)嘏欧畔禂?shù)得到各種溫室氣體的排放量，然后根據(jù)其全球變暖潛能值（GWP）轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量，具體計(jì)算公式為［48］

式中：ECO2，i為某種溫室氣體的CO2當(dāng)量，kg；G 為燃料、電、熱水或蒸汽的消耗量，kg；Ef，i為某種溫室氣體的排放系數(shù)，定義為消耗單位燃料或生產(chǎn)單位產(chǎn)品時(shí)某種溫室氣體的排放量，kg/kg 或kg/（kW·h）；PGW，i為某種溫室氣體的GWP。

樣本分布在北京市農(nóng)村平原地區(qū)（大興區(qū)、通州區(qū)、順義區(qū)、房山區(qū)、朝陽區(qū)、豐臺(tái)區(qū)和海淀區(qū)）?？紤]到人口密度、經(jīng)濟(jì)因素和個(gè)人習(xí)慣等因素，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間選擇了50 戶家庭進(jìn)行性能測(cè)試。北京市供暖從11 月15 日開始，到次年3 月15 日結(jié)束，共4 個(gè)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為61 d，耗電量分別為61.3，65.3 kW·h/m2，最冷的一天耗電量分別為79.5，89.7 kW·h/m2［45］。由此可以計(jì)算出采暖季日平均CO2當(dāng)量，如圖10 所示。由圖10 可見，相比于電熱鍋爐，空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組在常規(guī)天氣和最冷天氣的CO2當(dāng)量較低。

圖10 空氣源熱泵空調(diào)與電熱鍋爐的碳足跡Fig.10 Carbon footprint of air-source heat pump airconditioners and electric boilers

2.3.3 節(jié)能與減排

圖11a 為北京市平原地區(qū)（山區(qū)）循環(huán)水溫為38.7 ℃、室內(nèi)溫度為18.9 ℃時(shí)，空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組和電熱鍋爐采暖季的逐時(shí)耗電量和逐時(shí)耗煤量。通過對(duì)比可知，空氣源熱泵空調(diào)的逐時(shí)耗電量與逐時(shí)耗煤量總是低于電熱鍋爐。由于空氣源熱泵空調(diào)的制熱效率要高于電熱鍋爐，因此在相同的制熱量前提下，空氣源熱泵空調(diào)相比電熱鍋爐更為節(jié)能、環(huán)保，其日耗電量比電熱鍋爐少127.80 kW·h。圖11b為空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組和電熱鍋爐采暖季的CO2排放趨勢(shì)。在相同熱負(fù)荷下，相比于電熱鍋爐，空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組的高COP、低耗電量的特點(diǎn)使其CO2的逐時(shí)排放量更少，平均減少了43.95%，具有節(jié)能減排的作用。

圖11 空氣源熱泵空調(diào)與電熱鍋爐的逐時(shí)耗電量、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，空氣源熱泵空調(diào)供暖系統(tǒng)平均COP 為2.13，若平均COP 提升15%，根據(jù)已經(jīng)實(shí)施改造的區(qū)域測(cè)算，以空氣源熱泵空調(diào)供暖系統(tǒng)供暖季單位面積供熱量平均值為44.7 W/m2、整個(gè)供暖季供暖120 d計(jì)，單戶（按120 m2供暖面積核算）現(xiàn)有供暖能耗為7 252.7 kW·h，空氣源熱泵空調(diào)能效提升后，可節(jié)省電量946.0 kW·h，單戶節(jié)約費(fèi)用473.0 元（按電價(jià)為0.5 元/（kW·h）計(jì)）。北京市現(xiàn)有81萬戶采用空氣源熱泵空調(diào)供暖系統(tǒng)，根據(jù)GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》提供的常規(guī)能源替代量的評(píng)價(jià)方法，能效提升后預(yù)計(jì)可節(jié)約電量770.0 GW·h，相當(dāng)于每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤13.4 萬t，可實(shí)現(xiàn)CO2減排33.21 萬t，SO2減排0.30萬t，粉塵減排0.10 萬t。

3 空氣源熱泵空調(diào)面臨的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢(shì)

3.1 面臨的挑戰(zhàn)

隨著國際上對(duì)環(huán)境問題的日益關(guān)注以及我國“雙碳”目標(biāo)的提出，空氣源熱泵空調(diào)潛力將會(huì)被進(jìn)一步挖掘，市場(chǎng)將進(jìn)一步擴(kuò)大。但空氣源熱泵空調(diào)的推廣應(yīng)用面臨各種挑戰(zhàn)，包括技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、監(jiān)管、政策和公眾接受等問題，如圖12所示［49］。政策不確定、無明確的低碳路線和技術(shù)革新是熱泵發(fā)展面臨的主要問題。

圖12 空氣源熱泵空調(diào)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)Fig.12 Challenges faced by the air-source heat pump air conditioning systems

（1）政策的制定很大程度依賴用戶末端的用能形式和供熱技術(shù)，普適性的政策對(duì)目標(biāo)達(dá)成效果并不好。雖然各國出臺(tái)了各種鼓勵(lì)政策，如英國空氣源熱泵空調(diào)補(bǔ)貼為0.60～1.15 元/（kW·h），法國空氣源熱泵空調(diào)可獲得25%的設(shè)備金額減免，日本和歐美各國都給予了購買價(jià)25%的政策性補(bǔ)貼，我國各省也陸續(xù)出臺(tái)了相應(yīng)的空氣源熱泵空調(diào)補(bǔ)貼政策，但總體來說，補(bǔ)貼不足也是熱泵技術(shù)不能廣泛應(yīng)用的一個(gè)障礙。

（2）公眾對(duì)熱泵不熟悉、不了解對(duì)環(huán)境的意義和成本效益、熱泵存在噪聲、運(yùn)行費(fèi)用高、初投資高、不推薦在保溫不好的建筑物使用等，導(dǎo)致公眾對(duì)熱泵的接受度較低。

（3）缺乏標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)強(qiáng)制性政策也限制了熱泵的發(fā)展，雖然有相關(guān)熱泵設(shè)計(jì)和安裝規(guī)范，但缺乏安裝和維修的專業(yè)人員，不能滿足一些行業(yè)的特殊需求。

（4）熱泵的大規(guī)模使用會(huì)增加高峰期的電力需求量，在英國，熱泵的使用可能會(huì)導(dǎo)致峰值電力需求增加14%［49］。因此，熱泵的使用規(guī)模與峰值電力需求之間存在一定的匹配問題，有學(xué)者提出采用蓄熱來解決該問題。

總的來說，空氣源熱泵空調(diào)的發(fā)展面臨各種挑戰(zhàn)，但在減少溫室氣體排放和對(duì)供暖和制冷行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的貢獻(xiàn)已毋庸置疑。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

為提高空氣源熱泵空調(diào)的性能，可通過優(yōu)化系統(tǒng)部件、優(yōu)化系統(tǒng)、改進(jìn)除霜方法、采用新工質(zhì)等實(shí)現(xiàn)。通過采用高效的壓縮機(jī)和換熱技術(shù)，擴(kuò)寬系統(tǒng)運(yùn)行范圍，在大溫差工況下保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；通過深入研究熱泵系統(tǒng)理論機(jī)理，優(yōu)化設(shè)計(jì)空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，開發(fā)新型空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)等，使制熱量、COP 等得到提升；通過深入研究結(jié)霜機(jī)理、提出新的除霜方法、優(yōu)化除霜控制等措施來改善低溫運(yùn)行性能；通過研究制冷劑的熱物性、研發(fā)綠色高效的新型制冷劑來促進(jìn)空氣源熱泵空調(diào)技術(shù)的發(fā)展。

近年來，隨著新材料的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)、人工智能概念的提出，空氣源熱泵空調(diào)技術(shù)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇和新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。空氣源熱泵空調(diào)與儲(chǔ)熱技術(shù)結(jié)合是實(shí)現(xiàn)節(jié)能、調(diào)節(jié)電力負(fù)荷、減少運(yùn)行費(fèi)用的重要技術(shù)路線。材料的傳熱傳質(zhì)特性嚴(yán)重制約了能量的儲(chǔ)存和傳遞，相變儲(chǔ)熱材料在應(yīng)用過程中仍存在諸多問題，如相分離、過冷、導(dǎo)熱性能差、儲(chǔ)熱密度低、腐蝕性強(qiáng)、相容性差等，這些問題都迫切需要解決；另外，多數(shù)儲(chǔ)熱材料的熱導(dǎo)率均較低，導(dǎo)致蓄、放熱速率慢，不能滿足工業(yè)應(yīng)用需求，傳熱強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)成為相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的研究重點(diǎn)［50-51］。在空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)建立模型，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收和計(jì)算，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，在故障發(fā)生前及時(shí)預(yù)警，找出故障源并實(shí)現(xiàn)維護(hù)預(yù)測(cè)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省能耗、節(jié)省維護(hù)時(shí)間、降低人工維護(hù)成本的目的。另外，運(yùn)行效率與運(yùn)行環(huán)境、用戶使用習(xí)慣等密切相關(guān)，通過大數(shù)據(jù)長期分析與監(jiān)測(cè)，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析，采用數(shù)據(jù)挖掘算法和人工智能，建立制冷空調(diào)系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)模型，提前預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來的能耗，精確匹配機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)控制，提高運(yùn)行效率，使系統(tǒng)始終在滿足室內(nèi)負(fù)荷的條件下最優(yōu)化運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的［52］。

4 結(jié)論

近年來，空氣源熱泵空調(diào)技術(shù)迅猛發(fā)展，中國、日本、歐洲和美國是核心熱點(diǎn)區(qū)域。在我國，供暖和熱水占空氣源熱泵空調(diào)應(yīng)用的92.7%?？諝庠礋岜每照{(diào)的研究工作主要圍繞循環(huán)構(gòu)建、除霜、系統(tǒng)控制等方面開展。準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵循環(huán)在低溫空氣源熱泵空調(diào)產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛；與太陽能、地源和水源等耦合的多源熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效提升，彌補(bǔ)單一熱源的不足，但有些問題仍待解決，實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較少；空氣源熱泵空調(diào)結(jié)合相變蓄熱在電力負(fù)荷調(diào)節(jié)和熱量匹配方面具有優(yōu)勢(shì)。比較了主動(dòng)除霜和被動(dòng)除霜的優(yōu)缺點(diǎn)，指出系統(tǒng)控制是保證系統(tǒng)運(yùn)行的重要手段?？諝庠礋岜每照{(diào)在制冷方面已有成熟應(yīng)用，制熱方面，制取生活熱水、采暖和烘干等技術(shù)相對(duì)較成熟。空氣源熱泵空調(diào)在我國北方煤改清潔能源項(xiàng)目中扮演著重要角色，所監(jiān)測(cè)的空氣源熱泵熱水機(jī)的COP 平均值為2.13，供熱量平均值達(dá)到44.7 W/m2，節(jié)能減排效果明顯。經(jīng)濟(jì)性、政策的不確定性、公眾接受度低、技術(shù)瓶頸等成為熱泵廣泛應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)，新材料、大數(shù)據(jù)、人工智能與空氣源熱泵空調(diào)融合成為發(fā)展方向，空氣源熱泵空調(diào)在新形勢(shì)下將會(huì)發(fā)揮重要的作用。