王如竹，張川，翟曉強

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

關于住宅用空氣源熱泵空調、供暖與熱水設計要素的思考

王如竹*，張川，翟曉強

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

本文對目前家用空氣源熱泵空調、供暖與熱水系統(tǒng)設計過程中的問題進行了探討：指出家用空氣源熱泵空調系統(tǒng)的設計應該更加注重節(jié)能性，強調氣流組織和濕度控制的重要性，滿足人們全年生活的熱舒適性要求；提出了針對氣候特征的空氣源熱泵熱水器控制策略以及合理評價冷凝熱回收空調系統(tǒng)；分析了通過采用小溫差末端實現(xiàn)空氣源熱泵高效舒適供暖來解決夏熱冬冷地區(qū)冬季供暖的可行性，進而提出了空氣源熱泵冷熱水系統(tǒng)一機多能的系統(tǒng)方案。在此基礎上提出通過出臺相關標準規(guī)范、優(yōu)化系統(tǒng)的關鍵參數(shù)、研發(fā)氣候適應性熱泵技術，可以有效解決我國大多數(shù)地區(qū)的供暖和空調問題，促進產業(yè)革新與升級。

空氣源熱泵空調系統(tǒng)；空氣源熱泵熱水器；熱舒適性；南方供暖；標準規(guī)范

0 引言

近年來，熱泵作為一種能夠有效提升熱能品位的技術得到了廣泛關注，其中空氣源熱泵更是由于其良好的適應性而被大量使用[1]。從上世紀70年代起，我國的空氣源熱泵產業(yè)的發(fā)展經歷引進、消化吸收、自主創(chuàng)新后，形成了產品涵蓋空氣源熱泵冷/熱水機組、空氣源熱泵熱水器等的規(guī)模化產業(yè)鏈。2012年國內市場的注冊的空氣源熱泵生產廠家達300余家，具有熱泵功能的房間空氣調節(jié)器生產總量達1億3千萬臺[2]。

隨著國內節(jié)能減排壓力的不斷加大，以及夏熱冬冷地區(qū)冬季供暖等的迫切需求，空氣源熱泵行業(yè)一些傳統(tǒng)的設計理念開始受到沖擊。房間空氣調節(jié)器最早是為滿足制冷舒適性需求，長期以來節(jié)省材料、降低成本是家用空調發(fā)展的總趨勢。隨著二氧化碳減排的壓力加大，節(jié)能以及在空調器產品上實施能效標識已經成為大家的共識[3]。變頻技術由于可以根據(jù)熱負荷自適應調節(jié)壓縮機的運行，不僅節(jié)能，而且也改善了空調的舒適度品質，受到愈來愈多的用戶支持。然而空調器最早的設計理念畢竟建立在夏季制冷的需求上，雖然可以具有熱泵功能實現(xiàn)冬季供暖，但是由于室內機安置在人的上部（適合制冷條件下的氣流組織），不適合于供暖條件下氣流組織。由于室內機尺寸總體偏小，冬季供暖就需要比較高的冷凝溫度，在室外溫度0℃左右時，往往蒸發(fā)溫度-10℃，而冷凝溫度要45℃～50℃，熱泵效率明顯降低，供熱功率不足以滿足室內供暖舒適性需求。室外機間斷性的熱氣融霜進一步造成室內制熱的間斷性。以上狀況造成了我國南方地區(qū)冬季供暖舒適性不能滿足人們要求的呼聲，有許多政界人士更是呼吁南方冬季的集中供暖。那么，建立在我國具有廣泛產業(yè)基礎上的空氣源熱泵能否從根本上解決南方的舒適性供暖呢?這迫切需要技術創(chuàng)新，也需要有合理的適應性供暖和空調標準。這對于制冷空調行業(yè)轉型升級也有重大作用。

我國空氣源熱泵熱水器產業(yè)始于2003年，經過10年的發(fā)展已經形成了一個年銷售超過60億元的新興生活熱水產品的產業(yè)，眾多空調制造商最近5年陸續(xù)介入空氣源熱泵熱水器產品，由于缺乏氣候特征適應性設計考慮，一種單一的產品設計往往成為銷往全國各地的產品，熱泵熱水器在實際使用中問題不斷出現(xiàn)。為了擴大賣點，空調廠商往往把冷凝熱回收加熱生活用水說成是免費的熱水，而沒有全面考慮熱泵空調和制熱水的綜合電力消耗，對于(3～5)匹的空氣源熱泵系統(tǒng)，冷凝熱回收問題可能更加突出，不合理的設計方法會造成實際空調系統(tǒng)總的能耗的增加。

基于此本文從空氣源熱泵空調系統(tǒng)的設計、空氣源熱泵熱水器的設計與運行策略、空氣源熱泵空調系統(tǒng)解決南方住宅供暖、空氣源熱泵設計與使用標準的轉變四個方面提出了一些新想法，與大家共同探討，希望起到啟發(fā)行業(yè)內部思考、促進行業(yè)內部轉型升級的作用。

1 空氣源熱泵空調系統(tǒng)的設計

利用空氣源熱泵做冷熱源的空調系統(tǒng)均屬于空氣源熱泵空調系統(tǒng)。隨著夏熱冬冷地區(qū)冬季供暖需求的提出，要求南方地區(qū)的空氣源熱泵空調系統(tǒng)不僅具有夏季制冷功能，而且要在冬季能提供較好的供暖功能，從而使空氣熱泵的全年使用時間大大增加，運行工況也更為復雜。在這種背景下，空氣源熱泵空調系統(tǒng)的設計需重新考慮下面幾點要素。

1.1 從節(jié)材向節(jié)能轉變的系統(tǒng)設計

表1分別基于夏熱冬冷地區(qū)上海、南京、武漢的氣候條件，理論計算了采用R22、R410A制冷劑的普通空氣-空氣熱泵在夏季和冬季的運行工況。其中，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的確定為經驗方法[4]；R410A是非共沸混合制冷劑，壓縮比定義為相應溫度下的飽和蒸汽壓力比。從表1可以分析得出以下信息：

1) 空氣源熱泵的夏季實際運行工況優(yōu)于名義工況，冬季實際運行工況比名義工況惡劣。以上海地區(qū)為例，冬季名義室外空氣溫度7℃，而上海最冷月的室外平均溫度為1.5℃[5]，加之上海地區(qū)冬季室外空氣相對濕度偏大，勢必導致機組運行時“力不從心”，頻繁除霜，不能作為建筑的高效熱源；

2) 室內末端換熱溫差偏大，大量?損發(fā)生在室內末端，降低末端的換熱溫差有很大潛力[6]；

3) 冬季工況要求的壓縮比是夏季工況的150%～200%，因此基于夏季工況設計的機組在冬季運行時能效很低。

解決以上問題的方法總結起來包括優(yōu)化熱力循環(huán)(多級壓縮或者復疊式循環(huán))、提升壓縮機性能、開發(fā)新型制冷劑等[7]，本質上這些方法都立足于提升機組本身的性能，但空氣源熱泵空調系統(tǒng)作為一個整體系統(tǒng)，機組性能和末端性能是相互影響的，如果能夠降低末端的換熱溫差，就能夠在保證室內供暖或制冷效果的前提下，降低機組的冷凝溫度或者提升機組的蒸發(fā)溫度，使機組在更有利的工況下運行，提升機組的能效。在換熱量一定的情況下，降低換熱溫差最簡單可行的方法就是增大末端的換熱面積。事實上，空氣源熱泵結合地板輻射供暖系統(tǒng)也正是這種設計思想的體現(xiàn)[8]。以R410A空氣-水熱泵系統(tǒng)的理論循環(huán)為例，假定夏季工況下環(huán)境溫度30℃，如果通過增加末端換熱面積使機組的出水溫度增加至12℃，機組性能系數(shù)(COP)比出水溫度7℃高6%；增加出水溫度至15℃，機組COP比出水溫度7℃高15%；同理，冬季工況下環(huán)境溫度0℃，如果通過增加末端換熱面積使機組的出水溫度降低至45℃，機組COP比出水溫度60℃高14%；降低出水溫度至35℃，機組COP比出水溫度60℃高24%。

在能源緊缺且機組使用時間增加的情況下，通過增加室內末端的耗材，采用小溫差換熱末端提升系統(tǒng)能效，即所謂的“設計由節(jié)材向節(jié)能要素轉變”，應該是空氣源熱泵空調系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。從熱泵空調產品設計考慮，這實際上是一個全生命周期產品設計問題，即應該綜合考慮材料加工的能耗和產品整個生命周期實際使用的能耗。

表1 夏熱冬冷地區(qū)部分城市空氣-空氣熱泵冬夏季運行工況

1.2 關注氣流組織

目前大部分房間空氣調節(jié)器室內機的出風口都在房間偏上的位置（包括窗式機、掛壁機和柜機），這種安裝位置的選擇最初也是基于制冷工況。在供暖時，由于熱空氣的浮升作用，熱風往往不進入工作區(qū)而停留在房間上部，對于氣密性不好的建筑甚至直接滲出。因此，考慮供暖工況之后空氣源熱泵空調系統(tǒng)的末端位置需要重新考慮。

以上海地區(qū)建筑面積20 m2、層高3 m的臥室為例，分別建立兩個其他條件相同僅末端安裝位置和風口大小不同的模型，對其在夏季制冷、冬季供暖時的房間氣流組織進行模擬。模型一的室內末端為普通空調室內機，風口大小0.7 m×0.05 m，出風速度4 m/s，方向為斜向下45°，符合國家相關標準[9]；模型二的室內末端為安裝位置較低的新型末端，風口大小0.9 m×0.1 m，出風速度3 m/s，方向為斜向上45°。夏季出風溫度為16℃，冬季33℃，兩種類型末端的出風量均能滿足設計冷熱負荷，模型如圖1。模擬結果對比如表2所示。

氣流組織的模擬基于Airpark軟件，室外溫度分別為：冬季0℃，夏季30℃。室內熱舒適性的評價采用熱舒適性投票(PMV)和熱環(huán)境不滿意率(PPD)評價，PMV從-3到3表示感覺從冷到熱，PMV為0表示感覺熱環(huán)境滿意（不冷不熱）；PPD為0表示對熱環(huán)境滿意，PPD為100%表示對熱環(huán)境百分百不滿意。全年加權PPD按供暖2個月、制冷3個月計算。

圖1 某臥室兩種不同類型末端下的氣流組織模擬模型

從表2可以看出，與普通空調室內機相比，增加了風口大小、降低了安裝高度的小溫差換熱末端，制冷PMV和不滿意率PPD較高，略顯不足。但是在供暖工況下PMV趨近于0，PPD也明顯減小，具有熱舒適性的明顯優(yōu)勢。綜合考慮全年制冷和供暖時間，可以看到小溫差末端可以獲得全年更好的熱舒適性。

事實上，目前夏熱冬冷地區(qū)冬季采用空氣源熱泵供暖時不舒適的重要原因之一就是氣流組織。對于我國廣東、福建等溫熱帶地區(qū)，一般需要單冷空調，空調器室內機應該安裝在2 m以上的高度，而在采用集中供暖的北方寒冷地區(qū)，空調也只是用于夏天制冷，室內機也應該安裝在2 m以上的高度。而對于供暖與制冷同樣需求的夏熱冬冷地區(qū)，空調器室內機可能需要安裝在室內墻邊的低處位置，才能兼顧供暖和制冷的舒適性。

表2 末端形式及安裝位置對室內氣流組織影響的模擬結果

1.3 考慮濕度控制

目前，家用空調熱泵系統(tǒng)對空氣的處理是溫度和濕度的耦合處理。夏季為了實現(xiàn)降溫過程中進行除濕，一般將室內機蒸發(fā)溫度控制在5℃～7℃，這樣可以保障蒸發(fā)器翅片表面溫度在12℃左右，低于室內舒適性控制的空氣露點溫度。由于蒸發(fā)溫度低，制冷COP會受到明顯影響。冬季供暖時，熱泵室內機只起到加熱空氣的作用，空氣濕度是沒有控制的，如果房間溫度從5℃上升到20℃～22℃，室內空氣的相對濕度會降低到30%的水平，長期的干燥對南方居民會感到不適應。總之，濕度控制在保證空調系統(tǒng)熱舒適性和室內空氣品質、提升系統(tǒng)能效等方面有重要作用，應該更多地考慮和重視[10]。一臺理想的熱泵空調系統(tǒng)應該能將空調或供暖的溫度和濕度控制在滿足舒適性要求的水平，最理想的是溫度和濕度可以解耦控制。

濕負荷的處理方式主要有固體轉輪除濕、溶液除濕兩種，配合蒸發(fā)冷卻或者蒸發(fā)溫度為15℃左右的制冷機對空氣降溫，實現(xiàn)了濕負荷和熱負荷的分開處理和獨立控制。兩種技術在大型空調系統(tǒng)中都有工程應用實例[11]，但在家用分體式空調或者中央空調系統(tǒng)中目前都沒有得到大規(guī)模推廣。為了實現(xiàn)供暖工況下增加室內空氣的相對濕度，居民用戶不得不通過在室內加裝加濕器，來提高空調供暖房間的濕度。日本企業(yè)則直接應用了固體轉輪安裝在室外機機箱內，通過固體轉輪對室外低溫高濕的空氣吸濕，在再生區(qū)（電加熱）將濕熱的空氣送入室內，實現(xiàn)了供暖增濕，并同時實現(xiàn)了室內的通風換氣。

日本某公司最近研制出了一種新型的濕負荷處理系統(tǒng)DESICA，并將其與高顯熱的VRV結合，構成一種新型熱濕獨立控制系統(tǒng)，其原理圖[12]見圖2。DESICA本身具有壓縮機、膨脹閥和兩個換熱器，通過一個四位換向閥轉換制冷劑的流向，兩個換熱器交替充當蒸發(fā)器和冷凝器。換熱器的表面涂有吸附式干燥劑，用以吸附通過換熱器的空氣中的水分或向流進的空氣中釋放已吸附的水分。在除濕/制冷工況下，換熱器1充當蒸發(fā)器，高溫高濕的空氣流經蒸發(fā)器降溫除濕，換熱器2充當冷凝器，低溫低濕的排氣流經冷凝器增溫增濕被排到室外。換熱器1的除濕材料吸濕飽和時，DESICA切換工作狀態(tài)，換熱器2充當蒸發(fā)器，循環(huán)往復，實現(xiàn)不間斷地降溫除濕功能。在加濕/制熱工況下?lián)Q熱器1充當冷凝器，低溫低濕的空氣流經冷凝器增溫增濕送入室內，換熱器2充當蒸發(fā)器，高溫高濕的排氣流經蒸發(fā)器降溫除濕被排到室外。換熱器2的除濕材料吸濕飽和時，DESICA切換工作狀態(tài)，換熱器1充當蒸發(fā)器，循環(huán)往復，實現(xiàn)加濕升溫功能。

圖2 DESICA除濕原理示意圖（左為夏季工況，右為冬季工況）

測試結果表明，與HRV&VRV復合系統(tǒng)相比，DESICA&VRV復合系統(tǒng)能提供更舒適的室內環(huán)境：室溫維持在21℃左右，濕度維持在50%左右；能耗降低9%，達到了高效節(jié)能的目的[12]。

DESICA&VRV復合系統(tǒng)的設計案例說明考慮濕度控制對于空氣源熱泵空調系統(tǒng)設計的重要性，通過研究高蒸發(fā)溫度下耦合降溫除濕以及冷凝熱用于除濕再生的一體式除濕熱泵循環(huán)，最終形成可推廣的溫濕度可控家用空調產品，是空氣源熱泵空調系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

2 空氣源熱泵熱水器的設計與運行策略

近幾年市場上各種空氣源熱泵熱水器頻繁涌現(xiàn)，與電熱水器相比其節(jié)能性不言而喻，一般來說空氣源熱泵熱水器消耗一份的電力可以獲得4份的低溫位熱能（40℃～50℃）。我國市場上空氣源熱泵熱水器產品以采用R22和R410A制冷劑的居多。盡管與空氣源熱泵冷水機組基本原理相同，但空氣源熱泵熱水器有其自身的運行特點：一方面，生活熱水的需求是全年度的，要求熱泵熱水器具有較高的全年綜合能效比，因而熱泵熱水器設計必需考慮銷售用戶的全年氣候條件，保障熱泵熱水器安全可靠運行；另一方面，熱泵熱水器不需要24小時運行，每天運行時間往往在幾十分鐘到幾個小時（取決于用戶用水量以及熱泵主機功率）。市場上常見的熱泵熱水器以帶儲熱水箱的為主，因而用戶往往會根據(jù)氣溫條件以及峰谷電價來設定運行控制。由于用戶用水習慣不同，而且所處氣候條件不同，熱泵熱水器的運行模式和控制策略尤其重要。

2.1 針對氣候特征的熱泵熱水器控制策略

目前針對熱泵熱水器的研究工作大量致力于解決極端工況下熱泵熱水器不能運行或者不能高效運行的問題，并以認為我國寒冷地區(qū)推廣熱泵熱水器具有實際困難，或者干脆認為空氣源熱泵熱水器不適合于在北方地區(qū)推廣應用。

圖3給出了全國部分城市2011年全年實測氣候數(shù)據(jù)[5]。從圖中可以看出對于大部分城市來說，一年之中大多數(shù)月份的室外溫度高于最小運行工況的室外溫度。即使在沈陽這樣的嚴寒地區(qū)，一年之中也有接近60%的時間熱泵熱水器是可以在最小工況下運行的，其COP不低于相關標準規(guī)定的3.0（非靜態(tài)加熱式）。而在剩余時間的惡劣工況下，雖然熱泵熱水器不能將水從自來水溫度加熱到標準工況下的55℃，但仍可以將水的溫度提升到相對較高的溫度，起到溫度品位提升的作用，然后借助電加熱等輔助方式將熱水溫度加熱到需求溫度。當然輔助熱源的引入會增加熱水系統(tǒng)的初投資，要通過經濟性分析確定最佳配比點[13]。

圖3 全國部分城市的全年溫度與空氣源熱泵熱水器的設計工況溫度

另外空氣源熱泵熱水器還可以根據(jù)每天氣溫情況進行判斷優(yōu)化運行：例如寒冷地區(qū)如果白天的氣溫能夠達到0℃以上，則可以啟動熱泵熱水器加熱熱水到55℃；如果白天的氣溫最高在-5℃，則可以啟動熱泵熱水器加熱熱水到45℃，后期可以通過啟動電加熱輔助將45℃的熱水加熱到55℃；如果白天的氣溫最高在-10℃，則可以用熱泵熱水器將水預熱到35℃，后期再由電加熱補熱。由于我國北方地區(qū)采用了集中供暖，室內溫度較高，熱泵熱水器加熱溫度到42℃～45℃就可以滿足用戶用熱水需求了。這樣可以比較明顯提高熱泵熱水器的實際運行能效。

這種針對當?shù)貧夂蛱卣骺刂撇呗院唸D如圖4所示。圖示控制策略與現(xiàn)有運行模式的最大區(qū)別在于先根據(jù)室外溫度信號和該溫度下的經驗COP判斷熱泵熱水器能否高效運行，如果熱泵熱水器在設定出水溫度和室外溫度條件下不能高效運行，就先在保證機組高效運行前提下，確定一個中間溫度，然后再利用電加熱將熱水從中間溫度加熱到需求溫度。這種“先判斷再運行”的控制策略就避免了傳統(tǒng)熱泵熱水器直接加熱熱水直到“力不從心”，再啟用電加熱造成的長時間低能效運行問題。

圖4 針對氣候特征的空氣源熱泵熱水器控制策略

另外一種簡單可行的解決空氣源熱泵熱水器在寒冷地區(qū)運行的方法，就是通過減小機組尺寸，降低機組噪音至50 dB以下[14]，將整體式機組或者分體式機組的室外機放到室內的廚房間、衛(wèi)生間或者儲藏室等對噪聲、溫度要求相對較低的地方，利用集中供暖少許的室內熱量，就可以獲得45℃～55℃的生活熱水。這類熱泵熱水器比較適用的熱水水箱在80 L～120 L左右，壓縮機功率在200 W～500 W左右。這類產品可以充分滿足各類氣候條件的市場，因為空氣源熱泵工作在室內微氣候條件下運行。

總之，推廣空氣源熱泵熱水器時大可不必將關注點集中在極端工況下，通過合理的運行控制策略和安裝方式，完全可以實現(xiàn)熱泵熱水器的全年高效運行。但是生產廠家在銷售產品時應該考慮市場所處的氣候條件，或者是用戶實際的安裝條件。

2.2 正確看待冷凝熱回收的空調熱水系統(tǒng)

冷凝熱回收一直是制冷空調行業(yè)的熱門研究課題，有學者提出將空調冷凝熱用于加熱生活熱水，形成空調熱水系統(tǒng)，市場上也有類似空調熱水器產品，其原理圖見圖5。

圖5 帶冷凝熱回收的空調-熱水一體機原理示意圖（風冷冷凝器和水冷冷凝器串聯(lián)的情況未表示）

市場上銷售廠家對消費者的誤導是：假設空調制冷COP=3，冷凝熱回收制熱水COP=3，銷售人員給出的熱泵空調熱水系統(tǒng)的能效比為6。

對于冷凝熱回收的空調熱水系統(tǒng)需要區(qū)分能效比與綜合能效比的概念。只有制冷功能的空調能效比定義是制冷量/輸入功率；冷凝熱回收的空調熱水器的綜合能效比定義為（制冷量+制熱量）/輸入功率。冷凝熱回收的機組的綜合能效比可達6～7，但不能認為單獨的制冷能效比也達到6～7。尤其是對于沒有風冷冷凝器，全部冷凝熱都靠和熱水水箱交換放出的系統(tǒng)，隨著水箱中水溫的升高，水冷冷凝器的換熱效率將越來越低，制冷循環(huán)的冷凝溫度將越來越高[15]，壓縮機的工作條件越來越不利，系統(tǒng)的能效比不斷下降。夏季工況下，經常出現(xiàn)的情況是有制冷需求，而水箱中制取好的熱水長時間不使用。在這種情況下，就會出現(xiàn)由于冷凝熱回收制取熱水而影響系統(tǒng)長時間運行COP的“因小失大”問題。為避免這個問題，就要在系統(tǒng)中加入風冷冷凝器，將不能及時排出的冷凝熱排到空氣中。

以普通家庭100 L的生活用水水箱，進水溫度15℃，出水溫度55℃為例，分別分析計算3匹機空調保證制冷效果前提下，冷凝熱回收模式和分時運行模式的能耗情況，如圖6所示。其中，工況1為夏季室外溫度35℃，由15℃冷水制取55℃熱水，所需時間30分鐘，COP為4.0；工況2為夏季室外溫度35℃，維持室內溫度26℃，COP為3.2；工況3為夏季室外溫度35℃，維持室內溫度26℃，且同時由15℃冷水制取55℃熱水，所需時間55分鐘，該時間段內平均COP為2.75。

從中可以看到，夏季工況下，直接將風冷冷凝器用作蒸發(fā)器，室外空氣作為低溫熱源，水冷冷凝器作為冷凝器的話，僅需30分鐘左右就能較高效提升生活用水溫度，因此完全可以利用沒有制冷需求的間歇期直接制取生活熱水，提升系統(tǒng)能效。

圖6 兩種不同運行模式下空調熱水的COP對比

總結起來，要實現(xiàn)高效的冷凝熱回收必須要滿足三個匹配，即質的匹配、量的匹配、時間的匹配：在質上，普通家用空調的夏季冷凝溫度一般在40℃左右，生活熱水的需求溫度范圍一般在35℃～60℃，如果要制取溫度品位在40℃以上熱水就需要提高空調原有的冷凝溫度，必然降低了系統(tǒng)的能效比；在量上，加熱生活熱水的需求熱量要與冷凝熱相當，而一般家庭的生活熱水用熱遠小于冷凝熱，熱水被加熱完成但長時間不使用的話（對于家庭用水經常出現(xiàn)這種情況），大量的冷凝熱其實還是通過風冷換熱器直接排放了，因此冷凝熱回收更適應在賓館、浴室等用熱水量大的場所；在時間上，所謂冷凝熱回收只存在制冷工況下，在常年有制冷需求的夏熱冬暖地區(qū)全年高效節(jié)能，在供暖工況下根本談不上冷凝熱回收的問題。

總之，利用空調的冷凝熱要真正做到持久高效，最大限度地實現(xiàn)冷凝熱的有效利用，決不能“為了冷凝熱回收而冷凝熱回收”。

3 空氣源熱泵空調系統(tǒng)有效解決南方住宅供暖問題

近年來隨著人民生活水平的提高，長江流域夏熱冬冷地區(qū)的冬季供暖問題得到了越來越廣泛的關注。集中供暖管網初投資大且溫室氣體排放量大，燃氣供暖、電供暖等方式一次能源消耗量高，房間空氣調節(jié)器供暖時存在著氣流組織差、舒適性差的問題，尋找適合南方夏熱冬冷地區(qū)冬季住宅供暖的高效舒適節(jié)能方式有重大意義。

通過使用小溫差換熱末端降低機組的冬季冷凝溫度或者提升機組的夏季蒸發(fā)溫度，可以提升機組的能效。在上述設計理念下，作者對位于上海交通大學中意綠色能源樓的100 m2住宅的系統(tǒng)進行了系統(tǒng)性能測試（系統(tǒng)配置流程如圖7所示，其中換熱末端采用安裝在室內的小溫差風機盤管，該末端可以起到冬季熱水供暖、夏季冷水空調制冷的目的）。測試的具體方法以及數(shù)據(jù)處理分析等可參閱《上海地區(qū)空氣源熱泵結合小溫差換熱末端供暖空調系統(tǒng)性能的實驗研究》[16]，這里只選取幾個代表性的圖表說明研究結論。

圖7 空氣源熱泵結合小溫差換熱末端的供暖系統(tǒng)

圖8(a)是供暖房間在上海地區(qū)冬季1月份典型室外工況下的24小時溫度變化曲線，由于室內末端的換熱溫差較小，故設定機組出水溫度在35℃，機組和整個系統(tǒng)的24小時COP變化如圖8(b)。從圖8可知，在24小時平均室外溫度4℃的工況下，室內溫度能保持在20℃左右，系統(tǒng)平均COP在3.0左右，達到相同地區(qū)空氣源熱泵熱水地板輻射供暖系統(tǒng)的COP[8]，明顯超過了相同工況下普通空氣源熱泵制熱的COP。加之這種末端在氣流組織和舒適性的優(yōu)勢，設計的空氣源熱泵結合小溫差換熱末端的供暖系統(tǒng)真正實現(xiàn)了高效節(jié)能的供暖需要。

圖8 空氣源熱泵結合小溫差換熱末端系統(tǒng)上海地區(qū)冬季工況24小時運行情況

在上海地區(qū)夏季7月份由于小溫差換熱末端的使用，設定機組出水溫度在11℃，在24小時平均室外溫度37℃的工況下，室內溫度能保持在25℃左右，機組COP保持在3.0左右，達到了國家二級能效標準。說明所設計的系統(tǒng)不僅能滿足冬季供暖需求，在夏季制冷時也具有較高的能效比。

以上系統(tǒng)是建立在采用一臺3匹機的空氣源熱泵基礎上，也就是一套住宅采用1臺3匹室外機，（4～5）個小溫差風機盤管水系統(tǒng)即可以保障夏熱冬冷地區(qū)住宅的全年熱舒適性要求。這里需要說明兩點：一是為什么采用風機盤管末端？目前市場上戶式熱泵空調與供暖系統(tǒng)多是利用地板輻射末端解決冬季供暖，夏季制冷還是依靠室內機或者風機盤管末端，實際上是一套住宅、一套系統(tǒng)、兩種末端，經濟性比較差，故本文試圖利用風機盤管末端同時解決夏季空調和冬季制冷需求；二是風機盤管的小溫差傳熱是怎樣實現(xiàn)的？降低末端的換熱溫差無外乎兩種途徑，一是增加末端換熱面積，工程上也比較容易實現(xiàn)，二是強化末端換熱，增加末端傳熱系數(shù)。小溫差風機盤管傳熱，相對于原來傳統(tǒng)的中央空調風機盤管（45℃以上熱水），同等換熱量需要更大的換熱面積，作為住宅用室內風機盤管， 往往采用噪聲較小的貫流風機結構更加合理。如果以市場5 kW風機盤管配置用于小溫差供暖工況（35℃熱水），制熱量大致在2 kW左右。

實測研究表明利用空氣源熱泵冷熱水機組做冷熱源，結合小溫差換熱末端的分布式空調供暖系統(tǒng)具有較高的全年綜合能效比以及舒適性，可以在工程中進行推廣應用。

4 低溫空氣源熱泵為北方冬季供暖提供新思路

近年來，北方集中供暖引發(fā)的霧霾等環(huán)境問題已經嚴重影響到人們的正常生活；尋求北方冬季供暖的新思路意義重大。那么，空氣源熱泵在我國北方冬季供暖中有“用武之地”嗎？

表3羅列了國內外部分企業(yè)的低溫空氣源熱泵性能，2011年北方部分城市冬季最冷月平均溫度為：北京-4.5℃、天津-5.6℃、濟南-3.4℃、沈陽-17.6℃、長春-19.4℃、哈爾濱-20.9℃。此外，特別值得一提的是2013年格力研發(fā)了雙級變頻壓縮機實現(xiàn)-30℃超低溫可靠運行，與普通壓縮機系統(tǒng)相比，冬季制熱量最高提升40%以上，-20℃時出風口溫度可達50℃。對比表中數(shù)據(jù)可以看到，低溫空氣源熱泵基本上具備在我國北方推廣應用的條件。

表3 國內外部分企業(yè)的低溫空氣源熱泵性能

同時，可采用以下技術方案進一步提升熱泵的能效。優(yōu)化熱力循環(huán)：雙級壓縮、復疊壓縮、雙級耦合等；開發(fā)新型制冷劑：非共沸制冷劑、CO2制冷劑等；優(yōu)化壓縮機工作過程：低壓補氣、噴氣（液）冷卻等?？梢钥隙ǖ厥牵S著低溫空氣源熱泵技術的發(fā)展和成熟，應用空氣源熱泵解決北方供暖問題，緩解環(huán)境壓力完全有可能。應通過示范應用到逐步推廣的方式推進低溫空氣源熱泵在我國北方地區(qū)供暖中的應用。同時必須降低供暖標準所設定的熱水溫度，小型住宅用熱泵熱水供暖系統(tǒng)采用35℃熱水的小溫差換熱末端即可以達到舒適性要求， 這樣可以大大拓寬空氣源熱泵熱水及供暖系統(tǒng)的氣候適應性以及節(jié)能性。

5 空氣源熱泵設計與使用標準的升級與轉變

上面是關于空氣源熱泵空調、供暖與熱水設計要素的一些思考，并期望能夠給我國空氣源熱泵產業(yè)的設計制造帶來一些理念上的變化。但是上述想法要想得到規(guī)?；墓こ虘煤屯茝V，必須有相關的標準規(guī)范作指導。

當前有關空氣源熱泵熱水器/冷熱水機組的主要國家標準包括GB/T 23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》[17]，GB/T 21362-2008《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機》[18]，GB/T 18430.1-2007《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水（熱泵）機組》[19]，GB/T 18430.2-2008《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組第2部分：戶用及類似用途的冷水（熱泵）機組》[20]，GB/T 25127.1-2010《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的熱泵（冷水）機組》[21]，GB/T 25127.2-2010《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組第2部分：戶用及類似用途的熱泵（冷水）機組》[22]等。從中可以看到最重要的一點就是商用和家用機組標準有別，設計小型系統(tǒng)不能照搬大型系統(tǒng)的參數(shù)和模式。這也是為什么本文著重對住宅用空氣源熱泵制冷、供暖與生活熱水進行思考的原因。

1）要將節(jié)能設計的理念明確在標準規(guī)范中。前面指出空氣源熱泵設計過程中要注重節(jié)能性，對此國家標準和行業(yè)規(guī)范應該給出引導性的評級體制，形成像冰箱、房間空氣調節(jié)器一樣的能效標準，對符合節(jié)能設計的產品予以相應補貼，引導行業(yè)的發(fā)展方向。

2）突出濕度控制和氣流組織在空氣源熱泵設計規(guī)范中的作用。前面提到氣流組織和濕度控制對空氣源熱泵空調供暖系統(tǒng)的舒適性、節(jié)能性有很大的影響，但當前有關機組和系統(tǒng)的規(guī)范中對這方面涉及比較少，突出氣流組織和濕度控制在系統(tǒng)設計中的作用應該是新一代標準中需要考慮的問題。

3）對于空氣源熱泵結合小溫差換熱末端的南方冬季供暖系統(tǒng)，當下設計中遇到的主要問題是小溫差換熱模式下機組和末端的性能沒有明確給出。以冬季供暖為例，國內很少有廠家給出風機盤管末端在低進水溫度下的制熱量，也很少有廠家給出機組在相應出水溫度下的制熱量，這就導致設計人員在選型時只能根據(jù)經驗推算或者出現(xiàn)選型過大過小的情況。應該盡快在規(guī)范中填補此類空白。

4）通過優(yōu)化熱力循環(huán)、開發(fā)新型制冷劑等技術創(chuàng)新措施推動低溫空氣源熱泵技術的發(fā)展，完全可以使低溫空氣源熱泵在解決我國北方冬季供暖上發(fā)揮用武之地，緩解當前由于北方冬季集中供暖帶來的環(huán)境問題。尤其是在我國大步走向城鎮(zhèn)化的背景下，制冷暖通行業(yè)必須能提供滿足人民舒適性基本需求、明顯節(jié)能而且初投資低的戶用供暖與空調系統(tǒng)。

5）目前我國關于空氣源熱泵空調、供暖、熱水系統(tǒng)已有部分相關國家標準[17-22]，但這些標準都立足于空氣源熱泵冷熱水機組或者空氣源熱泵熱水器本身的性能評價。而正常家庭對冷熱的需求無外乎夏季制冷、冬季供暖以及生活熱水，通過合理的系統(tǒng)設計，完全可以利用熱泵滿足這三種需求，形成熱泵家庭能源中心[23]。可以預見，熱泵家庭能源中心的產品會像空調、熱水器一樣實現(xiàn)批量化生產和應用，而在這種推廣過程中我們需要一部相關規(guī)范來對產品中的核心部件、關鍵參數(shù)、控制模式等做定型和推薦，出臺關于此類產品的標準也具有重要意義。

總之，通過出臺相關規(guī)范做指導，在政府、企業(yè)和科研院所的共同努力下，一定可以實現(xiàn)我國空氣源熱泵行業(yè)的新發(fā)展，推進我國制冷空調行業(yè)的轉型升級，為解決惠及廣大百姓的制冷供暖與生活熱水問題提供高效節(jié)能的新出路。

參考文獻

[1] CHUA K J, CHOU S K, YANG W M. Advances in heat pump systems: A review[J]. Applied Energy, 2010, 87: 3611-3624.

[2] 國家統(tǒng)計局. 2011年全國主要工業(yè)產品的生產、銷售與庫存[R].

[3] 封加平, 許濤, 楊飛, 等. 空氣源熱泵在我國暖通空調中應用與發(fā)展[J]. 建筑熱能通風空調, 2005, 24(5): 20-23.

[4] 吳靜怡, 江明旒, 王如竹, 等. 空氣源熱泵熱水機組全年綜合能效評定[J]. 制冷學報, 2009, 30(5): 14-20.

[5] 國家統(tǒng)計局. 2011年全國主要城市氣溫和相對濕度[R].

[6] BYRNE P, MIRIEL J, LENAT Y. Experimental study of an air-source heat pump for simultaneous heating and cooling-Part 1: Basic concepts and performance verification[J]. Applied Energy, 2011, 88: 1841-1847.

[7] HEPBASLI A, KALINCI Y. A review of heat pump water heating systems[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13: 1211-1229.

[8] 王恩承, 譚洪衛(wèi). 上海地區(qū)空氣源熱泵地板采暖系統(tǒng)應用研究[J]. 建筑熱能通風空調, 2004, 23(6): 25-29.

[9] GB/T 50019-2003, 采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范[S].

[10] 趙榮義. 空氣調節(jié)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2004.

[11] 江億, 李震. 除濕法空調及系統(tǒng)[C]. 全國暖通空調制冷2002年學術年會論文集.

[12] 黃溢, 江宇, 葛天舒, 等. 一種新型熱濕獨立控制系統(tǒng)冬季工況下的實驗研究[J]. 制冷學報(已錄用).

[13] 姜益強, 姚揚，馬最良, 等. 空氣源熱泵冷熱水機組的選擇[J]. 暖通空調, 2003, 33(6): 30-35.

[14] GB50118-2010, 民用建筑隔聲設計規(guī)范[S].

[15] 季杰, 裴剛, 何偉, 等. 空調——熱水器一體機制冷兼制熱水模式的性能模擬和實驗分析[J]. 暖通空調, 2003, 33(2): 19-26.

[16] 張川, 陳金峰, 王如竹. 上海地區(qū)空氣源熱泵結合小溫差換熱末端的供暖空調系統(tǒng)性能的實驗研究[J]. 制冷技術, 2014, 34(1): 1-5.

[17] GB/T 23137-2008, 家用和類似用途熱泵熱水器[S].

[18] GB/T 21362-2008, 商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機[S].

[19] GB/T 18430.1-2008, 蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組第1部分: 工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水（熱泵）機組[S].

[20] GB/T 18430.2-2008, 蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組第2部分: 戶用及類似用途的冷水（熱泵）機組[S].

[21] GB/T 25127.1-2010, 低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組第1部分: 工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的熱泵（冷水）機組[S].

[22] GB/T 25127.2-2010, 低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組第2部分: 戶用及類似用途的熱泵（冷水）機組[S].

[23] WANG R Z, YU X, GE T S, et al. The present and future of residential refrigeration, power generation and energy storage [J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 53: 256-270.

Discussion on the Design Elements of Air Source Heat Pump Air-conditioning, Heating and Hot Water System for Residential Uses

WANG Ru-zhu*, ZHANG Chuan, ZHAI Xiao-qiang
(Institute of refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200040, China)

The paper discusses some key design elements about air source heat pump (ASHP) air-conditioning, heating and domestic hot water system for residential uses. The design of ASHP air-conditioning system should focus more on energy-saving, also emphasize air distribution and humidity control to ensure good indoor comfort for a whole year; ASHP domestic water heater should be designed in good consideration on the adaptability of the control strategy under the local climate condition, and the design for a condensing heat recovery ASHP should consider wisely the total energy consumption for air-conditioning and hot water functions. Besides, the feasibility of using ASHP for efficient room heating and air-conditioning by using small temperature difference terminals in hot summer and cold winter areas was analyzed, thereby a multi-function ASHP energy center was discussed. It is indicated that, the heating and air-conditioning problems in most areas of China can be solved by updating the related standards, optimizing the key parameters of the system and developing heat pumping technology with climate adaptability, and the HVAC & R industries can be innovated and updated.

ASHP air-conditioning system; ASHP water heater; Thermal comfort; Residential heating in south area; Standards

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.201

*王如竹（1964-），男，教授，博士。研究方向：制冷空調中的能源利用等。聯(lián)系地址：上海市上海交通大學機械與動力工程學院A樓404室，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206548。Email：rzwang@sjtu.edu.cn。

中國制冷學會2013年學術年會大會主旨報告。