國(guó)家主導(dǎo)的北方地區(qū)“煤改電”為何力推低溫空氣源熱泵不推空調(diào)?

現(xiàn)實(shí)銷(xiāo)售過(guò)程中，經(jīng)常有客戶(hù)問(wèn)到空調(diào)也能制熱，空氣源熱泵也能制熱，而且跟空調(diào)長(zhǎng)得差不多，但為何熱泵價(jià)格相對(duì)高一截？特別是剛?cè)胄械呐笥岩苍诳紤]這個(gè)問(wèn)題，空氣源究竟是一種什么類(lèi)型的產(chǎn)品，空氣源的制熱能力為什么比空調(diào)強(qiáng)，究竟強(qiáng)在哪里？

如下是資深工程師系統(tǒng)而全面地解釋了兩者的異同點(diǎn)，并試圖盡量用科普和口語(yǔ)來(lái)說(shuō)明為什么空氣源能作空調(diào)用，而一般空調(diào)不能作為空氣源熱泵用。

空氣源熱泵的前世今生

空氣源熱泵在歐美大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，如澳大利亞、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家，在60～70年代已經(jīng)進(jìn)入了大多數(shù)家庭，美國(guó)在1971年，熱泵的產(chǎn)量就達(dá)到8.2萬(wàn)套/年，據(jù)1998年美國(guó)的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)約有30%的熱水供應(yīng)設(shè)備采用空氣源熱泵熱水器。在我國(guó)，空氣源熱泵熱水器于2002年前后進(jìn)入，首先登陸廣東，并迅速發(fā)展，但一直到2013年以前，空氣源熱泵產(chǎn)品線(xiàn)主要集中在熱水器、泳池?zé)岜脼橹鳎�烘干、采暖的熱泵為輔。

在2013年8月，北京市政府發(fā)布《北京市2013～2017年清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃重點(diǎn)任務(wù)分解》中明確說(shuō)明把空氣源熱泵作為清潔采暖的一個(gè)試點(diǎn)產(chǎn)品，并借此東風(fēng)，空氣源熱泵采暖機(jī)迅猛發(fā)展，并成為最近幾年和今后幾年的空氣源熱泵行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，并在2017年僅靠3種采暖產(chǎn)品型號(hào)就占有了空氣源熱泵產(chǎn)值的半壁江山。

熱泵是采用“逆卡諾循環(huán)”原理，也叫蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的產(chǎn)品，按冷熱來(lái)源分為三大類(lèi)：空氣源、水源、地源。

空氣源是指冷熱源來(lái)源于空氣，就是從空氣中吸取熱量，或把熱量排放到空氣中去。這類(lèi)產(chǎn)品包括：空調(diào)、風(fēng)冷（熱泵）冷水機(jī)組、VRV多聯(lián)機(jī)、空氣能熱水器、空氣源熱泵采暖機(jī)、冰箱、冷庫(kù)等形式的產(chǎn)品，空調(diào)歸屬空氣源大類(lèi)，是空氣源的一個(gè)小分支，也就是說(shuō)空氣源包含空調(diào)，但范圍比空調(diào)更廣、更寬。

但現(xiàn)在，一般說(shuō)空氣源或空氣源熱泵或空氣能，就是專(zhuān)指能燒熱水、采暖、冷暖兩聯(lián)供、烘干等形式的機(jī)組，為和現(xiàn)在約定成俗的名稱(chēng)相一致，現(xiàn)在說(shuō)的空氣源熱泵就專(zhuān)指這類(lèi)產(chǎn)品，空氣源熱泵與空調(diào)就屬于同等類(lèi)別產(chǎn)品，都來(lái)源于“逆卡諾循環(huán)”原理，那么，我們先來(lái)看看“逆卡諾循環(huán)”原理是何方真神。

圖一 逆卡諾循環(huán)原理圖

“逆卡諾循環(huán)”就是由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成。低溫低壓的液態(tài)制冷劑，進(jìn)入蒸發(fā)器中等溫吸熱蒸發(fā)，從空氣中吸收大量的熱量，蒸發(fā)吸熱后的制冷劑以氣態(tài)形式進(jìn)入壓縮機(jī)，被絕熱壓縮成高溫高壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器，將其所含熱量等溫釋放給進(jìn)入冷凝器中的冷水，冷水被加熱輸送到用戶(hù)端進(jìn)行采暖或洗浴，同時(shí)制冷劑變成高溫高壓的液態(tài)進(jìn)入節(jié)流裝置，絕熱膨脹成低溫低壓的液態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，周而復(fù)始；反之循環(huán)，則進(jìn)行制冷。

同宗同源，為何煤改電青睞熱泵？

既然空氣源熱泵和空調(diào)同宗同源，為什么北京“煤改電”不大力推廣空調(diào)，卻推“不熟悉”的低溫空氣源熱泵呢？酒店、學(xué)校、精裝房的生活熱水為什么強(qiáng)制要求空氣源熱泵作為節(jié)能建筑申請(qǐng)的必要條件，而不推廣改造用現(xiàn)成的空調(diào)去燒熱水？

要解答這個(gè)問(wèn)題，首先要了解空氣源熱泵和空調(diào)兩種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念不同，進(jìn)而理解其產(chǎn)品的不同，我們先把兩者設(shè)計(jì)理念不同的地方列表如下。

表一 空氣源熱泵和空調(diào)設(shè)計(jì)理念不同的地方

由于兩種產(chǎn)品的使用對(duì)象不同，決定他們采用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、選用的零部件、使用的地域、出風(fēng)（或出水）溫度、能效等均不同，列表分析如下：

表二 空氣源熱泵和空調(diào)兩種產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要不同點(diǎn)列表

在以上所有列項(xiàng)中，又以壓縮機(jī)不同為最重要，不同的壓縮機(jī)決定產(chǎn)品的不同使用效果和不同的使用地域。空調(diào)選用空調(diào)壓縮機(jī)，以R22為例，最大運(yùn)行壓力不超過(guò)2MPa，壓縮機(jī)比小于7，最高排氣溫度不超過(guò)90度；但空氣源熱泵必須采用熱泵壓縮機(jī)，同樣以R22為例，最大運(yùn)行壓力達(dá)到3 MPa，壓縮機(jī)比達(dá)到12，甚至更高到20，最高排氣溫度達(dá)到110度。

這些參數(shù)的不同，要求熱泵壓縮機(jī)的加工精度、軸承強(qiáng)度、電機(jī)耐溫性能等方面均是在空調(diào)壓縮機(jī)有數(shù)量級(jí)上的提升，為了表達(dá)更直觀，我們來(lái)看一下兩種壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍對(duì)比圖。

圖二 空調(diào)壓縮機(jī)（A/C）和熱泵壓縮機(jī)（HPWH）運(yùn)行范圍對(duì)比圖

圖中，橫軸對(duì)應(yīng)蒸發(fā)溫度（相當(dāng)于熱泵的室外環(huán)境溫度），縱軸對(duì)應(yīng)冷凝溫度（相當(dāng)于熱泵的使用側(cè)的出風(fēng)或水溫度），可以看出，熱泵壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍是在空調(diào)壓縮機(jī)上有成倍的擴(kuò)大。

有了強(qiáng)壯的“心臟”，空氣源熱泵才能高溫出風(fēng)（水），低溫運(yùn)行�！案邷亍钡綇V泛使用在出風(fēng)溫度達(dá)80℃以上的烘干行業(yè)，“低溫”到大西北新疆等地，帶老式鑄鐵暖氣片采暖。為滿(mǎn)足這種極端而又正常的使用條件，除了有強(qiáng)壯的“心臟”，還要有聰明的“大腦”，要求空氣源熱泵的主控制器既要保護(hù)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行可靠，又要保證用戶(hù)24小時(shí)不斷續(xù)的使用需求，容錯(cuò)性和精準(zhǔn)性，兩種相互矛盾的關(guān)系在空氣源熱泵的控制邏輯上得到完美的統(tǒng)一。

由于空氣源熱泵寬氣候的運(yùn)行特性，最高和最低環(huán)境溫度的溫差近80℃，由于制冷系統(tǒng)在低溫工況運(yùn)行時(shí)需要的制冷劑流量相對(duì)較小，較高溫工況運(yùn)行的制冷劑量減少20%以上，這對(duì)空氣源熱泵的系統(tǒng)容液量提出更高的要求，要系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)參與有效運(yùn)行的制冷劑的量。所以，需要對(duì)氣液分離器進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)，包括容積、回油孔、平衡孔等方面進(jìn)行熱泵方面的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和大量的試驗(yàn)驗(yàn)證。

同時(shí)為了保證系統(tǒng)全天候運(yùn)行時(shí)最適合的過(guò)冷度和滿(mǎn)液蒸發(fā)，又需要另外增加一個(gè)高壓儲(chǔ)液器，這一般也是空調(diào)不需要的設(shè)計(jì)。

為了驗(yàn)證制冷系統(tǒng)對(duì)多余的存液量的耐受度，需要增加至少三個(gè)以上驗(yàn)證試驗(yàn)，相對(duì)空調(diào)，包括：低溫液擊試驗(yàn)、低溫回油試驗(yàn)、低溫低電壓?jiǎn)��?dòng)試驗(yàn)。所以，空氣源熱泵的設(shè)計(jì)考核比空調(diào)來(lái)的更加嚴(yán)格、更加多項(xiàng)。

針對(duì)空氣源熱泵的使用特點(diǎn)，冬季全天候制熱運(yùn)行，為保證低溫環(huán)境下的制熱效果和室內(nèi)溫度舒適性（減少波動(dòng)），化霜是一個(gè)不可回避的問(wèn)題，并相對(duì)空調(diào)的化霜要求更高。常用的手段有：制冷劑換向化霜、熱氣旁通化霜、冷凝管末端余熱化霜、熱水回流翅片化霜、伴熱帶底盤(pán)化霜等等，真是手段無(wú)所不及。往往多種手段綜合使用，才能保證即使-25℃的環(huán)境運(yùn)行，化霜時(shí)間也就3分鐘左右，極大的提高機(jī)組的制熱效果和用戶(hù)的舒適性。

低溫空氣源熱泵與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異

最后，我們?cè)賮?lái)看一下，空氣源熱泵中的新貴，低溫空氣源熱泵與空調(diào)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的不同。在北京“煤改電”的政策推動(dòng)，空氣源熱泵在低溫環(huán)境的制熱技術(shù)得到一個(gè)新的提高，就是噴氣增焓技術(shù)的應(yīng)用，使得空氣源熱泵在“煤改電”活動(dòng)中，在諸多采暖設(shè)備中獨(dú)占鰲頭、獨(dú)步天下。

圖三 低溫空氣源熱泵系統(tǒng)圖

圖四 空調(diào)器熱泵的制熱系統(tǒng)圖

從圖三和圖四可以明顯看出，空調(diào)的四大件，壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置，到低溫空氣源熱泵中就變成了五大件，壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、雙節(jié)流裝置、經(jīng)濟(jì)器，也就由單一系統(tǒng)變成了帶噴氣增焓的雙系統(tǒng)，系統(tǒng)更復(fù)雜，成本更高，低溫制熱效果更好。

同時(shí)也可看出市面上80%以上的空調(diào)的節(jié)流裝置均采用雙毛細(xì)管節(jié)流，因?yàn)榭照{(diào)只需要考慮制冷國(guó)標(biāo)工況和制熱國(guó)標(biāo)工況，兩個(gè)單一工況，一根毛細(xì)管對(duì)應(yīng)一個(gè)工況，使其達(dá)到最佳點(diǎn)，其他工況（環(huán)境溫度）運(yùn)行的制冷（熱）性能就會(huì)偏離最佳運(yùn)行狀態(tài)，效果就會(huì)下降；

而低溫空氣源熱泵，采用了雙電子膨脹閥節(jié)流，針對(duì)不同的工況（環(huán)境溫度），計(jì)算系統(tǒng)的最佳過(guò)熱度和系統(tǒng)壓力，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)最佳的流量，使得低溫空氣源熱泵在全氣候運(yùn)行，系統(tǒng)均在最佳狀態(tài)運(yùn)行，效果均最佳，保證了低溫空氣源熱泵更加節(jié)能、更加可靠。

綜上所述，空氣源熱泵不同于并優(yōu)于空調(diào)的主要有：

• 空氣源熱泵采用熱泵專(zhuān)用壓縮機(jī)，耐壓、耐溫、加工精度等方面均在空調(diào)壓縮機(jī)上有數(shù)量級(jí)上的提高，并且使用壽命也大為延長(zhǎng)；

• 空氣源熱泵的主控制器的邏輯設(shè)計(jì)較空調(diào)來(lái)的更復(fù)雜，比空調(diào)的單一制冷系統(tǒng)控制，還多一個(gè)水路系統(tǒng)控制；

• 空氣源熱泵的寬氣候運(yùn)行特點(diǎn)，同樣匹數(shù)的機(jī)器，需要的制冷劑量較空調(diào)有增大，要求儲(chǔ)液器的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，一般還需要采用雙儲(chǔ)液器設(shè)計(jì)；

• 空氣源熱泵的化霜設(shè)計(jì)相對(duì)空調(diào)要求更高，既要保證制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，又要減少室內(nèi)溫度的波動(dòng)幅度，提高用戶(hù)的舒適度；

• 低溫空氣源熱泵一般采用“五大件”設(shè)計(jì)，由空調(diào)的“四大件”的單一系統(tǒng)變成了帶噴氣增焓的雙系統(tǒng)，低溫制熱效果更好，性能系數(shù)更高；

• 空氣源熱泵的節(jié)流裝置全部采用電子膨脹閥或外平衡熱力膨脹閥，相對(duì)空調(diào)的毛細(xì)管節(jié)流精度更高，調(diào)節(jié)范圍更寬。

基于以上幾點(diǎn)，空氣源熱泵不等同空調(diào)，可以說(shuō)是空調(diào)的升級(jí)品，也是將來(lái)建筑舒適節(jié)能系統(tǒng)的必選品。