用于空间加热和冷却的空气源热泵

摘要

目前，建筑行业的能源消耗约占全球总能耗的30%，其中近一半由供暖、通风和空调（HVAC）系统消耗。传统上，冷却器和锅炉分别用于建筑物的冷却和加热，在某些地区甚至直接使用电力进行加热，而这些技术既不环保也不节能。在可以通过单个设备提供加热和冷却的有前途的技术中，空气源热泵（ASHP）已在世界各地广泛开发和使用，并在减少温室气体排放方面发挥着越来越重要的作用。

IIR信息说明”用于空间加热和冷却的空气源热泵”[a]旨在提高人们对ASHP是一种节能技术的认识，可用于冷却和加热，特别是比直接电加热更节能。同时，介绍了ASHP技术在低环境温度下如何提高加热性能，如何有效防止霜冻或除霜以及替代制冷剂的最新技术，以进一步强调ASHP可以在不同气候下用于不同的功能。主要事实和建议总结如下：

· 到2018年，建筑物占全球能源消耗的30%，占全球温室气体排放量的28%[b]。建筑物消耗的能源中约有40%用于空间加热和冷却[c]。

· ASHP是一种节能技术，用于在不同的环境温度下加热。ASHP的正常加热效率比直接电加热高三到四倍。ASHP可以通过开发变频压缩机，渐进式ASHP，两级压缩和准两级压缩等技术，在-25°C至+50°C的不同气候下使用。

· 在过去的二十年中，ASHP的除霜方面取得了重大进展。已经开发了防冻技术，不同类型的除霜技术和智能控制除霜策略，以确保ASHP在潮湿的环境中高效可靠地运行。

全球变暖正在促使研究人员，制造商等考虑用于ASHP的替代制冷剂。低 GWP 制冷剂已应用于不同类型的 ASHP。

当然，ASHP的开发和应用仍存在许多挑战，例如降低初始成本，开发更节能，更环保的产品等。考虑到许多制冷和制热技术的效率要低得多，而且全球空调的快速增长，应该在全球范围内对制造商和客户采取更有利的政策。

本信息说明，请参阅下面的注释摘录，提供有关ASHP原理，ASHP技术的最新技术及其在全世界的应用的详细信息。

国际制冷学会（IIR）随时为其成员和政府、公司、公共和私人行为者提供服务，以帮助他们实现联合国的可持续发展目标。

介绍

自20世纪70年代能源危机以来，节能一直是全球政策制定者和从业者的热门话题。目前，建筑物的能源消耗约占总能源消耗的30%[[1]。由于对提高建筑环境热舒适性的需求不断增加，供暖、通风和空调（HVAC）系统的能源使用几乎占建筑物能源消耗的一半。因此，提高HVAC系统的能源效率以实现节能和低碳排放目标非常重要。

传统上，冷却器和锅炉分别用于建筑物的冷却和加热。然而，锅炉，如燃煤和燃气锅炉，由于燃烧过程中排放的温室气体和颗粒物，并不环保。由于一次能源效率低，电锅炉或直接电加热不节能。因此，作为使用单个设备进行高效加热和冷却的有前途的技术之一，热泵已在世界各地得到广泛开发和使用。根据热源/散热器的类型，热泵通常可分为空气源热泵（ASHP），地源热泵（GSHP），水源热泵（WSHP）等。

与WSHP和GSHP相反，ASHP从/拒绝来自/进入环境空气中的热量，这很便宜，可以在任何地方实施。因此，ASHP在需要加热和冷却的情况下起着越来越重要的作用。近年来，人们投入了大量精力来扩展可逆ASHP在建筑物供暖和制冷中的应用。

本信息说明提供了有关ASHP原理，ASHP技术的最新技术及其在全世界的应用的详细信息。由于近年来对ASHP冷却的研究已经发展良好，因此当前的挑战来自加热。因此，本信息说明主要关注供暖领域的新发展，一些技术也适用于制冷。

应用

作为一种有前途的空间冷却和加热技术，ASHP已应用于全球各种商业和住宅建筑中。在过去的几十年中，散热器一直被用作空间加热的主要终端，导致供水温度过高。然而，近年来，风机盘管和地暖的使用日益增加，导致供水温度下降。这导致了近年来ASHP应用的增加。此外，ASHP应用增加的另一个原因是对冷却和加热设备的需求不断增长。

根据国际能源署[[2]的统计数据，2016年全球空调（包括室内空调、VRF系统、成套窗机组等）存量达到约15亿台（图1）。在所有类型的空调系统中，室内空调和VRF系统占大多数，如图2（a）所示。此外，中国和美国的库存占总销售额的一半以上（图2（b））。其他销量超过2000万的国家包括日本、韩国、巴西和印度。

图 1. 1990-2050年全球空调库存（百万台）。[注2]

（a） 按类型分列的航空器库存，2016年底

（b） 按国家/地区分列的库存情况，2016年底

图 2. 1990-2050年全球空调库存。[注2]

自1982年在日本创建以来，多分体式VRF系统的应用在全世界迅速发展。多分体式VRF系统于1987年进入欧洲市场，20世纪90年代末进入中国市场，2000年后陆续进入美国市场[3]。2018年，日本多分体式VRF系统的年销量达到146，000台（图3（a））[4]。在中国，VRF系统多年来一直保持着中央空调市场最高的份额和增长率，大约一半的中型商业建筑和三分之一的大型商业建筑[5]。据统计，2018年VRF在中国的销量达到约100万台，占世界市场的58.8%（图3（b））。而且，中国市场如此巨大的销量，推动了欧美市场VRF的发展。

为了对抗传统锅炉的空气污染，低温ASHP已广泛应用于世界各地的寒冷地区，包括北欧，中国北部和加拿大。近年来，中国北方省级政府启动了加速淘汰农村家庭供暖煤炭的计划[[6]，这导致了低温ASHP的蓬勃发展。在主要的替代选择中，专为在非常寒冷的地区供暖而设计的直接膨胀热泵近年来经历了快速增长。此外，ASHP空气加热器[7]等新型加热设备在中国北方得到广泛应用。2017年，中国用于空间供热的ASHP产值达到56亿元人民币（8.5亿美元）[8]。具有准两级或两级压缩的低温ASHP在中国北方得到广泛应用，即使在环境温度低至-35°C的地区也是如此。

（a） 日本（b） 中国

图 3.多分体式VRF系统在日本和中国的市场销售。[注2]

国际投资协定建议

热泵在降低建筑物能耗和实现节能和低碳排放的全球目标方面可以发挥重要作用。由于它直接从环境空气中提取热量或将其排入空气中，因此方便的空气源热泵是使用最广泛的热泵类型，有望成为绿色供暖目标的重要组成部分。

尽管ASHP已经被研究和实施了几十年，但其全球总装机容量仍远低于直接燃烧化石燃料和直接加热电力。仍然需要采取许多措施来加速在建筑物中使用ASHP。主要结论和建议如下：

· 在一年多的时间里（2018年），建筑物占全球能源消耗的30%，占全球温室气体排放量的28%。建筑物消耗的能源中约有40%用于空间加热和冷却。ASHP可以在减少温室气体排放方面发挥重要作用。

· ASHP是一种节能技术，允许在不同的环境温度下加热。ASHP的正常加热效率比直接电加热高3~4倍。ASHP可用于-25°C至+50°C的不同气候，通过开发变频压缩机，级联ASHP，两级压缩和准两级压缩等技术。

· 应不断开发具有较高能源效率的ASHP，以适应当地的环境条件和经济形势。应鼓励国际交流与合作。

· 为了降低实际能耗，现场的实际性能是最重要的考虑因素，因为它通常低于标称条件下的性能。开发现场自适应智能控制是必要的。

· 应进一步努力提高决策者和公众对空气源热泵益处的认识。

引用

[1] 国际能源署，《2019年全球建筑和施工现状 告》。

[2] 国际能源署。制冷的未来：节能空调的机遇（2019年）。

[3] 石伟，程军，赵伟，多联接空调技术实施指南及相关标准。中国标准出版社.2011.

[4] 日本空调、供暖和制冷新闻。VRF特刊（2019年）。

[5] 中央空调市场。中国中央空调市场摘要 告，（2018）。[10] 中文版

[6] 环境保护部。《民用煤燃烧污染综合治理技术指南（试行）》（2016）.[10] 中文版

[7] 中国标准JB/T13573-2018。环境温度低，空气源热泵空气加热器。工信部，北京，中国： 中国标准出版社 （2018）.[10] 中文版

[8] 中国空气源热泵市场发展 告（2017年）。[10] 中文版