王如竹，張川，翟曉強(qiáng)

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

關(guān)于住宅用空氣源熱泵空調(diào)、供暖與熱水設(shè)計(jì)要素的思考

王如竹*，張川，翟曉強(qiáng)

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

本文對(duì)目前家用空氣源熱泵空調(diào)、供暖與熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行了探討：指出家用空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該更加注重節(jié)能性，強(qiáng)調(diào)氣流組織和濕度控制的重要性，滿足人們?nèi)晟畹臒崾孢m性要求；提出了針對(duì)氣候特征的空氣源熱泵熱水器控制策略以及合理評(píng)價(jià)冷凝熱回收空調(diào)系統(tǒng)；分析了通過(guò)采用小溫差末端實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵高效舒適供暖來(lái)解決夏熱冬冷地區(qū)冬季供暖的可行性，進(jìn)而提出了空氣源熱泵冷熱水系統(tǒng)一機(jī)多能的系統(tǒng)方案。在此基礎(chǔ)上提出通過(guò)出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、優(yōu)化系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)、研發(fā)氣候適應(yīng)性熱泵技術(shù)，可以有效解決我國(guó)大多數(shù)地區(qū)的供暖和空調(diào)問(wèn)題，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)革新與升級(jí)。

空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)；空氣源熱泵熱水器；熱舒適性；南方供暖；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

0 引言

近年來(lái)，熱泵作為一種能夠有效提升熱能品位的技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，其中空氣源熱泵更是由于其良好的適應(yīng)性而被大量使用[1]。從上世紀(jì)70年代起，我國(guó)的空氣源熱泵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷引進(jìn)、消化吸收、自主創(chuàng)新后，形成了產(chǎn)品涵蓋空氣源熱泵冷/熱水機(jī)組、空氣源熱泵熱水器等的規(guī)模化產(chǎn)業(yè)鏈。2012年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的注冊(cè)的空氣源熱泵生產(chǎn)廠家達(dá)300余家，具有熱泵功能的房間空氣調(diào)節(jié)器生產(chǎn)總量達(dá)1億3千萬(wàn)臺(tái)[2]。

隨著國(guó)內(nèi)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(shè)計(jì)理念開始受到?jīng)_擊。房間空氣調(diào)節(jié)器最早是為滿足制冷舒適性需求，長(zhǎng)期以來(lái)節(jié)省材料、降低成本是家用空調(diào)發(fā)展的總趨勢(shì)。隨著二氧化碳減排的壓力加大，節(jié)能以及在空調(diào)器產(chǎn)品上實(shí)施能效標(biāo)識(shí)已經(jīng)成為大家的共識(shí)[3]。變頻技術(shù)由于可以根據(jù)熱負(fù)荷自適應(yīng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)行，不僅節(jié)能，而且也改善了空調(diào)的舒適度品質(zhì)，受到愈來(lái)愈多的用戶支持。然而空調(diào)器最早的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)冬季供暖，但是由于室內(nèi)機(jī)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(nèi)機(jī)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(shí)，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(nèi)供暖舒適性需求。室外機(jī)間斷性的熱氣融霜進(jìn)一步造成室內(nèi)制熱的間斷性。以上狀況造成了我國(guó)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(guó)具有廣泛產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)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(shù)創(chuàng)新，也需要有合理的適應(yīng)性供暖和空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)于制冷空調(diào)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)也有重大作用。

我國(guó)空氣源熱泵熱水器產(chǎn)業(yè)始于2003年，經(jīng)過(guò)10年的發(fā)展已經(jīng)形成了一個(gè)年銷售超過(guò)60億元的新興生活熱水產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)，眾多空調(diào)制造商最近5年陸續(xù)介入空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品，由于缺乏氣候特征適應(yīng)性設(shè)計(jì)考慮，一種單一的產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往成為銷往全國(guó)各地的產(chǎn)品，熱泵熱水器在實(shí)際使用中問(wèn)題不斷出現(xiàn)。為了擴(kuò)大賣點(diǎn)，空調(diào)廠商往往把冷凝熱回收加熱生活用水說(shuō)成是免費(fèi)的熱水，而沒有全面考慮熱泵空調(diào)和制熱水的綜合電力消耗，對(duì)于(3～5)匹的空氣源熱泵系統(tǒng)，冷凝熱回收問(wèn)題可能更加突出，不合理的設(shè)計(jì)方法會(huì)造成實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)總的能耗的增加。

基于此本文從空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、空氣源熱泵熱水器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行策略、空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)解決南方住宅供暖、空氣源熱泵設(shè)計(jì)與使用標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)變四個(gè)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(nèi)部思考、促進(jìn)行業(yè)內(nèi)部轉(zhuǎn)型升級(jí)的作用。

1 空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

利用空氣源熱泵做冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)均屬于空氣源熱泵空調(diào)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(diào)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(shí)間大大增加，運(yùn)行工況也更為復(fù)雜。在這種背景下，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需重新考慮下面幾點(diǎn)要素。

1.1 從節(jié)材向節(jié)能轉(zhuǎn)變的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jì)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(yùn)行工況。其中，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的確定為經(jīng)驗(yàn)方法[4]；R410A是非共沸混合制冷劑，壓縮比定義為相應(yīng)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(shí)際運(yùn)行工況優(yōu)于名義工況，冬季實(shí)際運(yùn)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(duì)濕度偏大，勢(shì)必導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時(shí)“力不從心”，頻繁除霜，不能作為建筑的高效熱源；

2) 室內(nèi)末端換熱溫差偏大，大量?損發(fā)生在室內(nèi)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(shè)計(jì)的機(jī)組在冬季運(yùn)行時(shí)能效很低。

解決以上問(wèn)題的方法總結(jié)起來(lái)包括優(yōu)化熱力循環(huán)(多級(jí)壓縮或者復(fù)疊式循環(huán))、提升壓縮機(jī)性能、開發(fā)新型制冷劑等[7]，本質(zhì)上這些方法都立足于提升機(jī)組本身的性能，但空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為一個(gè)整體系統(tǒng)，機(jī)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(nèi)供暖或制冷效果的前提下，降低機(jī)組的冷凝溫度或者提升機(jī)組的蒸發(fā)溫度，使機(jī)組在更有利的工況下運(yùn)行，提升機(jī)組的能效。在換熱量一定的情況下，降低換熱溫差最簡(jiǎn)單可行的方法就是增大末端的換熱面積。事實(shí)上，空氣源熱泵結(jié)合地板輻射供暖系統(tǒng)也正是這種設(shè)計(jì)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(guò)增加末端換熱面積使機(jī)組的出水溫度增加至12℃，機(jī)組性能系數(shù)(COP)比出水溫度7℃高6%；增加出水溫度至15℃，機(jī)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(guò)增加末端換熱面積使機(jī)組的出水溫度降低至45℃，機(jī)組COP比出水溫度60℃高14%；降低出水溫度至35℃，機(jī)組COP比出水溫度60℃高24%。

在能源緊缺且機(jī)組使用時(shí)間增加的情況下，通過(guò)增加室內(nèi)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(shè)計(jì)由節(jié)材向節(jié)能要素轉(zhuǎn)變”，應(yīng)該是空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。從熱泵空調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮，這實(shí)際上是一個(gè)全生命周期產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題，即應(yīng)該綜合考慮材料加工的能耗和產(chǎn)品整個(gè)生命周期實(shí)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(yùn)行工況

1.2 關(guān)注氣流組織

目前大部分房間空氣調(diào)節(jié)器室內(nèi)機(jī)的出風(fēng)口都在房間偏上的位置（包括窗式機(jī)、掛壁機(jī)和柜機(jī)），這種安裝位置的選擇最初也是基于制冷工況。在供暖時(shí)，由于熱空氣的浮升作用，熱風(fēng)往往不進(jìn)入工作區(qū)而停留在房間上部，對(duì)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(diào)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(gè)其他條件相同僅末端安裝位置和風(fēng)口大小不同的模型，對(duì)其在夏季制冷、冬季供暖時(shí)的房間氣流組織進(jìn)行模擬。模型一的室內(nèi)末端為普通空調(diào)室內(nèi)機(jī)，風(fēng)口大小0.7 m×0.05 m，出風(fēng)速度4 m/s，方向?yàn)樾毕蛳?5°，符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]；模型二的室內(nèi)末端為安裝位置較低的新型末端，風(fēng)口大小0.9 m×0.1 m，出風(fēng)速度3 m/s，方向?yàn)樾毕蛏?5°。夏季出風(fēng)溫度為16℃，冬季33℃，兩種類型末端的出風(fēng)量均能滿足設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷，模型如圖1。模擬結(jié)果對(duì)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(nèi)熱舒適性的評(píng)價(jià)采用熱舒適性投票(PMV)和熱環(huán)境不滿意率(PPD)評(píng)價(jià)，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(duì)熱環(huán)境滿意，PPD為100%表示對(duì)熱環(huán)境百分百不滿意。全年加權(quán)PPD按供暖2個(gè)月、制冷3個(gè)月計(jì)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(diào)室內(nèi)機(jī)相比，增加了風(fēng)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(shì)。綜合考慮全年制冷和供暖時(shí)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(shí)上，目前夏熱冬冷地區(qū)冬季采用空氣源熱泵供暖時(shí)不舒適的重要原因之一就是氣流組織。對(duì)于我國(guó)廣東、福建等溫?zé)釒У貐^(qū)，一般需要單冷空調(diào)，空調(diào)器室內(nèi)機(jī)應(yīng)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(diào)也只是用于夏天制冷，室內(nèi)機(jī)也應(yīng)該安裝在2 m以上的高度。而對(duì)于供暖與制冷同樣需求的夏熱冬冷地區(qū)，空調(diào)器室內(nèi)機(jī)可能需要安裝在室內(nèi)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(duì)室內(nèi)氣流組織影響的模擬結(jié)果

1.3 考慮濕度控制

目前，家用空調(diào)熱泵系統(tǒng)對(duì)空氣的處理是溫度和濕度的耦合處理。夏季為了實(shí)現(xiàn)降溫過(guò)程中進(jìn)行除濕，一般將室內(nèi)機(jī)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(nèi)舒適性控制的空氣露點(diǎn)溫度。由于蒸發(fā)溫度低，制冷COP會(huì)受到明顯影響。冬季供暖時(shí)，熱泵室內(nèi)機(jī)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(nèi)空氣的相對(duì)濕度會(huì)降低到30%的水平，長(zhǎng)期的干燥對(duì)南方居民會(huì)感到不適應(yīng)?？傊?，濕度控制在保證空調(diào)系統(tǒng)熱舒適性和室內(nèi)空氣品質(zhì)、提升系統(tǒng)能效等方面有重要作用，應(yīng)該更多地考慮和重視[10]。一臺(tái)理想的熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該能將空調(diào)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(fù)荷的處理方式主要有固體轉(zhuǎn)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(jī)對(duì)空氣降溫，實(shí)現(xiàn)了濕負(fù)荷和熱負(fù)荷的分開處理和獨(dú)立控制。兩種技術(shù)在大型空調(diào)系統(tǒng)中都有工程應(yīng)用實(shí)例[11]，但在家用分體式空調(diào)或者中央空調(diào)系統(tǒng)中目前都沒有得到大規(guī)模推廣。為了實(shí)現(xiàn)供暖工況下增加室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度，居民用戶不得不通過(guò)在室內(nèi)加裝加濕器，來(lái)提高空調(diào)供暖房間的濕度。日本企業(yè)則直接應(yīng)用了固體轉(zhuǎn)輪安裝在室外機(jī)機(jī)箱內(nèi)，通過(guò)固體轉(zhuǎn)輪對(duì)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(nèi)，實(shí)現(xiàn)了供暖增濕，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)的通風(fēng)換氣。

日本某公司最近研制出了一種新型的濕負(fù)荷處理系統(tǒng)DESICA，并將其與高顯熱的VRV結(jié)合，構(gòu)成一種新型熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)，其原理圖[12]見圖2。DESICA本身具有壓縮機(jī)、膨脹閥和兩個(gè)換熱器，通過(guò)一個(gè)四位換向閥轉(zhuǎn)換制冷劑的流向，兩個(gè)換熱器交替充當(dāng)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(guò)換熱器的空氣中的水分或向流進(jìn)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(dāng)蒸發(fā)器，高溫高濕的空氣流經(jīng)蒸發(fā)器降溫除濕，換熱器2充當(dāng)冷凝器，低溫低濕的排氣流經(jīng)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(shí)，DESICA切換工作狀態(tài)，換熱器2充當(dāng)蒸發(fā)器，循環(huán)往復(fù)，實(shí)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(dāng)冷凝器，低溫低濕的空氣流經(jīng)冷凝器增溫增濕送入室內(nèi)，換熱器2充當(dāng)蒸發(fā)器，高溫高濕的排氣流經(jīng)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(shí)，DESICA切換工作狀態(tài)，換熱器1充當(dāng)蒸發(fā)器，循環(huán)往復(fù)，實(shí)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(cè)試結(jié)果表明，與HRV&VRV復(fù)合系統(tǒng)相比，DESICA&VRV復(fù)合系統(tǒng)能提供更舒適的室內(nèi)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(dá)到了高效節(jié)能的目的[12]。

DESICA&VRV復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例說(shuō)明考慮濕度控制對(duì)于空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性，通過(guò)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(diào)產(chǎn)品，是空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 空氣源熱泵熱水器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行策略

近幾年市場(chǎng)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(lái)說(shuō)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(guó)市場(chǎng)上空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品以采用R22和R410A制冷劑的居多。盡管與空氣源熱泵冷水機(jī)組基本原理相同，但空氣源熱泵熱水器有其自身的運(yùn)行特點(diǎn)：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(shè)計(jì)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(yùn)行；另一方面，熱泵熱水器不需要24小時(shí)運(yùn)行，每天運(yùn)行時(shí)間往往在幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)（取決于用戶用水量以及熱泵主機(jī)功率）。市場(chǎng)上常見的熱泵熱水器以帶儲(chǔ)熱水箱的為主，因而用戶往往會(huì)根據(jù)氣溫條件以及峰谷電價(jià)來(lái)設(shè)定運(yùn)行控制。由于用戶用水習(xí)慣不同，而且所處氣候條件不同，熱泵熱水器的運(yùn)行模式和控制策略尤其重要。

2.1 針對(duì)氣候特征的熱泵熱水器控制策略

目前針對(duì)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(yùn)行或者不能高效運(yùn)行的問(wèn)題，并以認(rèn)為我國(guó)寒冷地區(qū)推廣熱泵熱水器具有實(shí)際困難，或者干脆認(rèn)為空氣源熱泵熱水器不適合于在北方地區(qū)推廣應(yīng)用。

圖3給出了全國(guó)部分城市2011年全年實(shí)測(cè)氣候數(shù)據(jù)[5]。從圖中可以看出對(duì)于大部分城市來(lái)說(shuō)，一年之中大多數(shù)月份的室外溫度高于最小運(yùn)行工況的室外溫度。即使在沈陽(yáng)這樣的嚴(yán)寒地區(qū)，一年之中也有接近60%的時(shí)間熱泵熱水器是可以在最小工況下運(yùn)行的，其COP不低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.0（非靜態(tài)加熱式）。而在剩余時(shí)間的惡劣工況下，雖然熱泵熱水器不能將水從自來(lái)水溫度加熱到標(biāo)準(zhǔn)工況下的55℃，但仍可以將水的溫度提升到相對(duì)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(dāng)然輔助熱源的引入會(huì)增加熱水系統(tǒng)的初投資，要通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析確定最佳配比點(diǎn)[13]。

圖3 全國(guó)部分城市的全年溫度與空氣源熱泵熱水器的設(shè)計(jì)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(jìn)行判斷優(yōu)化運(yùn)行：例如寒冷地區(qū)如果白天的氣溫能夠達(dá)到0℃以上，則可以啟動(dòng)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(dòng)熱泵熱水器加熱熱水到45℃，后期可以通過(guò)啟動(dòng)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(yù)熱到35℃，后期再由電加熱補(bǔ)熱。由于我國(guó)北方地區(qū)采用了集中供暖，室內(nèi)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(shí)際運(yùn)行能效。

這種針對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骺刂撇呗院?jiǎn)圖如圖4所示。圖示控制策略與現(xiàn)有運(yùn)行模式的最大區(qū)別在于先根據(jù)室外溫度信號(hào)和該溫度下的經(jīng)驗(yàn)COP判斷熱泵熱水器能否高效運(yùn)行，如果熱泵熱水器在設(shè)定出水溫度和室外溫度條件下不能高效運(yùn)行，就先在保證機(jī)組高效運(yùn)行前提下，確定一個(gè)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(yùn)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(zhǎng)時(shí)間低能效運(yùn)行問(wèn)題。

圖4 針對(duì)氣候特征的空氣源熱泵熱水器控制策略

另外一種簡(jiǎn)單可行的解決空氣源熱泵熱水器在寒冷地區(qū)運(yùn)行的方法，就是通過(guò)減小機(jī)組尺寸，降低機(jī)組噪音至50 dB以下[14]，將整體式機(jī)組或者分體式機(jī)組的室外機(jī)放到室內(nèi)的廚房間、衛(wèi)生間或者儲(chǔ)藏室等對(duì)噪聲、溫度要求相對(duì)較低的地方，利用集中供暖少許的室內(nèi)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(jī)功率在200 W～500 W左右。這類產(chǎn)品可以充分滿足各類氣候條件的市場(chǎng)，因?yàn)榭諝庠礋岜霉ぷ髟谑覂?nèi)微氣候條件下運(yùn)行。

總之，推廣空氣源熱泵熱水器時(shí)大可不必將關(guān)注點(diǎn)集中在極端工況下，通過(guò)合理的運(yùn)行控制策略和安裝方式，完全可以實(shí)現(xiàn)熱泵熱水器的全年高效運(yùn)行。但是生產(chǎn)廠家在銷售產(chǎn)品時(shí)應(yīng)該考慮市場(chǎng)所處的氣候條件，或者是用戶實(shí)際的安裝條件。

2.2 正確看待冷凝熱回收的空調(diào)熱水系統(tǒng)

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

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

市場(chǎng)上銷售廠家對(duì)消費(fèi)者的誤導(dǎo)是：假設(shè)空調(diào)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(diào)熱水系統(tǒng)的能效比為6。

對(duì)于冷凝熱回收的空調(diào)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(diào)能效比定義是制冷量/輸入功率；冷凝熱回收的空調(diào)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(jī)組的綜合能效比可達(dá)6～7，但不能認(rèn)為單獨(dú)的制冷能效比也達(dá)到6～7。尤其是對(duì)于沒有風(fēng)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(lái)越低，制冷循環(huán)的冷凝溫度將越來(lái)越高[15]，壓縮機(jī)的工作條件越來(lái)越不利，系統(tǒng)的能效比不斷下降。夏季工況下，經(jīng)常出現(xiàn)的情況是有制冷需求，而水箱中制取好的熱水長(zhǎng)時(shí)間不使用。在這種情況下，就會(huì)出現(xiàn)由于冷凝熱回收制取熱水而影響系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行COP的“因小失大”問(wèn)題。為避免這個(gè)問(wèn)題，就要在系統(tǒng)中加入風(fēng)冷冷凝器，將不能及時(shí)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(jìn)水溫度15℃，出水溫度55℃為例，分別分析計(jì)算3匹機(jī)空調(diào)保證制冷效果前提下，冷凝熱回收模式和分時(shí)運(yùn)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(shí)間30分鐘，COP為4.0；工況2為夏季室外溫度35℃，維持室內(nèi)溫度26℃，COP為3.2；工況3為夏季室外溫度35℃，維持室內(nèi)溫度26℃，且同時(shí)由15℃冷水制取55℃熱水，所需時(shí)間55分鐘，該時(shí)間段內(nèi)平均COP為2.75。

從中可以看到，夏季工況下，直接將風(fēng)冷冷凝器用作蒸發(fā)器，室外空氣作為低溫?zé)嵩矗淅淠髯鳛槔淠鞯脑?，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(yùn)行模式下空調(diào)熱水的COP對(duì)比

總結(jié)起來(lái)，要實(shí)現(xiàn)高效的冷凝熱回收必須要滿足三個(gè)匹配，即質(zhì)的匹配、量的匹配、時(shí)間的匹配：在質(zhì)上，普通家用空調(diào)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(diào)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(dāng)，而一般家庭的生活熱水用熱遠(yuǎn)小于冷凝熱，熱水被加熱完成但長(zhǎng)時(shí)間不使用的話（對(duì)于家庭用水經(jīng)常出現(xiàn)這種情況），大量的冷凝熱其實(shí)還是通過(guò)風(fēng)冷換熱器直接排放了，因此冷凝熱回收更適應(yīng)在賓館、浴室等用熱水量大的場(chǎng)所；在時(shí)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(wèn)題。

總之，利用空調(diào)的冷凝熱要真正做到持久高效，最大限度地實(shí)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(diào)系統(tǒng)有效解決南方住宅供暖問(wèn)題

近年來(lái)隨著人民生活水平的提高，長(zhǎng)江流域夏熱冬冷地區(qū)的冬季供暖問(wèn)題得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。集中供暖管網(wǎng)初投資大且溫室氣體排放量大，燃?xì)夤┡?、電供暖等方式一次能源消耗量高，房間空氣調(diào)節(jié)器供暖時(shí)存在著氣流組織差、舒適性差的問(wèn)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(guò)使用小溫差換熱末端降低機(jī)組的冬季冷凝溫度或者提升機(jī)組的夏季蒸發(fā)溫度，可以提升機(jī)組的能效。在上述設(shè)計(jì)理念下，作者對(duì)位于上海交通大學(xué)中意綠色能源樓的100 m2住宅的系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性能測(cè)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(nèi)的小溫差風(fēng)機(jī)盤管，該末端可以起到冬季熱水供暖、夏季冷水空調(diào)制冷的目的）。測(cè)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(jié)合小溫差換熱末端供暖空調(diào)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究》[16]，這里只選取幾個(gè)代表性的圖表說(shuō)明研究結(jié)論。

圖7 空氣源熱泵結(jié)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(shí)溫度變化曲線，由于室內(nèi)末端的換熱溫差較小，故設(shè)定機(jī)組出水溫度在35℃，機(jī)組和整個(gè)系統(tǒng)的24小時(shí)COP變化如圖8(b)。從圖8可知，在24小時(shí)平均室外溫度4℃的工況下，室內(nèi)溫度能保持在20℃左右，系統(tǒng)平均COP在3.0左右，達(dá)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(guò)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(shì)，設(shè)計(jì)的空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱末端的供暖系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的供暖需要。

圖8 空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱末端系統(tǒng)上海地區(qū)冬季工況24小時(shí)運(yùn)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(shè)定機(jī)組出水溫度在11℃，在24小時(shí)平均室外溫度37℃的工況下，室內(nèi)溫度能保持在25℃左右，機(jī)組COP保持在3.0左右，達(dá)到了國(guó)家二級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅能滿足冬季供暖需求，在夏季制冷時(shí)也具有較高的能效比。

以上系統(tǒng)是建立在采用一臺(tái)3匹機(jī)的空氣源熱泵基礎(chǔ)上，也就是一套住宅采用1臺(tái)3匹室外機(jī)，（4～5）個(gè)小溫差風(fēng)機(jī)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(shuō)明兩點(diǎn)：一是為什么采用風(fēng)機(jī)盤管末端？目前市場(chǎng)上戶式熱泵空調(diào)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(nèi)機(jī)或者風(fēng)機(jī)盤管末端，實(shí)際上是一套住宅、一套系統(tǒng)、兩種末端，經(jīng)濟(jì)性比較差，故本文試圖利用風(fēng)機(jī)盤管末端同時(shí)解決夏季空調(diào)和冬季制冷需求；二是風(fēng)機(jī)盤管的小溫差傳熱是怎樣實(shí)現(xiàn)的？降低末端的換熱溫差無(wú)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(shí)現(xiàn)，二是強(qiáng)化末端換熱，增加末端傳熱系數(shù)。小溫差風(fēng)機(jī)盤管傳熱，相對(duì)于原來(lái)傳統(tǒng)的中央空調(diào)風(fēng)機(jī)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(nèi)風(fēng)機(jī)盤管， 往往采用噪聲較小的貫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)更加合理。如果以市場(chǎng)5 kW風(fēng)機(jī)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(shí)測(cè)研究表明利用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組做冷熱源，結(jié)合小溫差換熱末端的分布式空調(diào)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(jìn)行推廣應(yīng)用。

4 低溫空氣源熱泵為北方冬季供暖提供新思路

近年來(lái)，北方集中供暖引發(fā)的霧霾等環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)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(guó)北方冬季供暖中有“用武之地”嗎？

表3羅列了國(guó)內(nèi)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(jì)南-3.4℃、沈陽(yáng)-17.6℃、長(zhǎng)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(jí)變頻壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)-30℃超低溫可靠運(yùn)行，與普通壓縮機(jī)系統(tǒng)相比，冬季制熱量最高提升40%以上，-20℃時(shí)出風(fēng)口溫度可達(dá)50℃。對(duì)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(guó)北方推廣應(yīng)用的條件。

表3 國(guó)內(nèi)外部分企業(yè)的低溫空氣源熱泵性能

同時(shí)，可采用以下技術(shù)方案進(jìn)一步提升熱泵的能效。優(yōu)化熱力循環(huán)：雙級(jí)壓縮、復(fù)疊壓縮、雙級(jí)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(jī)工作過(guò)程：低壓補(bǔ)氣、噴氣（液）冷卻等?？梢钥隙ǖ厥?，隨著低溫空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展和成熟，應(yīng)用空氣源熱泵解決北方供暖問(wèn)題，緩解環(huán)境壓力完全有可能。應(yīng)通過(guò)示范應(yīng)用到逐步推廣的方式推進(jìn)低溫空氣源熱泵在我國(guó)北方地區(qū)供暖中的應(yīng)用。同時(shí)必須降低供暖標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)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(dá)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(yīng)性以及節(jié)能性。

5 空氣源熱泵設(shè)計(jì)與使用標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)與轉(zhuǎn)變

上面是關(guān)于空氣源熱泵空調(diào)、供暖與熱水設(shè)計(jì)要素的一些思考，并期望能夠給我國(guó)空氣源熱泵產(chǎn)業(yè)的設(shè)計(jì)制造帶來(lái)一些理念上的變化。但是上述想法要想得到規(guī)?；墓こ虘?yīng)用和推廣，必須有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作指導(dǎo)。

當(dāng)前有關(guān)空氣源熱泵熱水器/冷熱水機(jī)組的主要國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(jī)》[18]，GB/T 18430.1-2007《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組》[19]，GB/T 18430.2-2008《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組第2部分：戶用及類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組》[20]，GB/T 25127.1-2010《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的熱泵（冷水）機(jī)組》[21]，GB/T 25127.2-2010《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組第2部分：戶用及類似用途的熱泵（冷水）機(jī)組》[22]等。從中可以看到最重要的一點(diǎn)就是商用和家用機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)有別，設(shè)計(jì)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(duì)住宅用空氣源熱泵制冷、供暖與生活熱水進(jìn)行思考的原因。

1）要將節(jié)能設(shè)計(jì)的理念明確在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中。前面指出空氣源熱泵設(shè)計(jì)過(guò)程中要注重節(jié)能性，對(duì)此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范應(yīng)該給出引導(dǎo)性的評(píng)級(jí)體制，形成像冰箱、房間空氣調(diào)節(jié)器一樣的能效標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)符合節(jié)能設(shè)計(jì)的產(chǎn)品予以相應(yīng)補(bǔ)貼，引導(dǎo)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(shè)計(jì)規(guī)范中的作用。前面提到氣流組織和濕度控制對(duì)空氣源熱泵空調(diào)供暖系統(tǒng)的舒適性、節(jié)能性有很大的影響，但當(dāng)前有關(guān)機(jī)組和系統(tǒng)的規(guī)范中對(duì)這方面涉及比較少，突出氣流組織和濕度控制在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用應(yīng)該是新一代標(biāo)準(zhǔn)中需要考慮的問(wèn)題。

3）對(duì)于空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱末端的南方冬季供暖系統(tǒng)，當(dāng)下設(shè)計(jì)中遇到的主要問(wèn)題是小溫差換熱模式下機(jī)組和末端的性能沒有明確給出。以冬季供暖為例，國(guó)內(nèi)很少有廠家給出風(fēng)機(jī)盤管末端在低進(jìn)水溫度下的制熱量，也很少有廠家給出機(jī)組在相應(yīng)出水溫度下的制熱量，這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員在選型時(shí)只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推算或者出現(xiàn)選型過(guò)大過(guò)小的情況。應(yīng)該盡快在規(guī)范中填補(bǔ)此類空白。

4）通過(guò)優(yōu)化熱力循環(huán)、開發(fā)新型制冷劑等技術(shù)創(chuàng)新措施推動(dòng)低溫空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展，完全可以使低溫空氣源熱泵在解決我國(guó)北方冬季供暖上發(fā)揮用武之地，緩解當(dāng)前由于北方冬季集中供暖帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。尤其是在我國(guó)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(diào)系統(tǒng)。

5）目前我國(guó)關(guān)于空氣源熱泵空調(diào)、供暖、熱水系統(tǒng)已有部分相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[17-22]，但這些標(biāo)準(zhǔn)都立足于空氣源熱泵冷熱水機(jī)組或者空氣源熱泵熱水器本身的性能評(píng)價(jià)。而正常家庭對(duì)冷熱的需求無(wú)外乎夏季制冷、冬季供暖以及生活熱水，通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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]?？梢灶A(yù)見，熱泵家庭能源中心的產(chǎn)品會(huì)像空調(diào)、熱水器一樣實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)和應(yīng)用，而在這種推廣過(guò)程中我們需要一部相關(guān)規(guī)范來(lái)對(duì)產(chǎn)品中的核心部件、關(guān)鍵參數(shù)、控制模式等做定型和推薦，出臺(tái)關(guān)于此類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)也具有重要意義。

總之，通過(guò)出臺(tái)相關(guān)規(guī)范做指導(dǎo)，在政府、企業(yè)和科研院所的共同努力下，一定可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)空氣源熱泵行業(yè)的新發(fā)展，推進(jìn)我國(guó)制冷空調(diào)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，為解決惠及廣大百姓的制冷供暖與生活熱水問(wèn)題提供高效節(jié)能的新出路。

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

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

[22] GB/T 25127.2-2010, 低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組第2部分: 戶用及類似用途的熱泵（冷水）機(jī)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(diào)中的能源利用等。聯(lián)系地址：上海市上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院A樓404室，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206548。Email：rzwang@sjtu.edu.cn。

中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2013年學(xué)術(shù)年會(huì)大會(huì)主旨報(bào)告。