空气源热泵

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空气源热泵是最常见的热泵类型。它可以从建筑外部的寒冷空气中吸收热量，并通过热空气或热水的形式，将这些热量以更高的温度释放出来，为建筑供暖。通常用电力来驱动压缩机，每消耗一份电能，通常可以提供约3到4倍电加热器的输出热能。

空气源热泵的安装相对容易，且成本较低，因此成为使用最广泛的一种热泵类型。在气候温和时，其性能系数通常可达2到5；而在气温低于约−8°C时，空气源热泵仍然可以达到1到4的性能系数。

较早期的空气源热泵在低温环境下性能相对较差，因此更适合于温暖气候。然而，较新的型号配备了变频压缩机，即使在冰点以下的气温条件下仍能保持较高效率，使其能够在如美国的明尼苏达州和缅因州等寒冷地区得到应用，并节省成本。

截至2023年，全球约有10%的建筑使用空气源热泵供暖。它们是逐步淘汰住宅中燃油燃气锅炉的主力方式，以减少温室气体排放。

在欧洲，对俄罗斯产天然气的抵制加速了向替代能源的转型。如果有1400万户改用热泵，可减少消耗约130亿立方米天然气。在英国，高效热泵的运行成本目前比燃气锅炉低约27%。

## 技术

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任何自然温度下的空气都含有一定的热量。空气源热泵可以将这些热量从一个地方转移到另一个地方，例如在建筑物的室外与室内之间进行转移。

空气－空气热泵可以直接向单个房间提供热风或冷风，但通常不提供生活热水。空气－水热泵则利用风机盘管、散热器或地板采暖为整个住宅供暖，并且通常也可用于提供生活热水。

一台空气源热泵通常可以用1度的电能获得约4度的热能，因此其性能系数约为4。这类系统通常的供水温度范围为30–40°C，适于配备低温散热设备（如地暖或大面积散热器）的建筑。在效率下降比较明显的情况下，空气源热泵可以提供最高约80°C的供水温度，以满足采用踢脚板散热器的中央供暖需求。

热泵使用与空调相同的蒸气压缩制冷循环以及大致相同的部件，但运行方向相反，或者说是将热源与热汇对调。由于环境空气几乎随处可得，空气源热泵成为了最常见的一种热泵类型。而且由于其体积一般较小，通常用于为单户住宅或公寓供暖，而较少用于整个建筑群、区域供热或工业过程。

空气源热泵使用两个换热器来转移热量：一个位于建筑外部，带有翅片并通过风机强制对流；另一个位于建筑内部，将热量直接传递给室内空气，或加热水，再通过散热器或地板采暖系统在建筑中循环并释放热量。这些设备也可以在制冷模式下运行：通过内部换热器从室内吸收热量，并利用外部换热器将热量排放到环境空气中。其中一些系统还可以加热生活用水，并将其储存在家用热水罐中，用于日常洗浴等用途。

空气－空气系统可以设计为双向传热：在冬季为室内供暖，在夏季为室内制冷。室内可以使用风管系统来配送空气。空气－水系统也可以为房间供暖以及提供生活热水，夏季也可以通过室内制冷末端为提供制冷。以下将以室内供暖为例说明空气源热泵技术的原理。

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分体式（因为系统由室内与室外两个单元组成）空气源热泵的主要组件包括：

- 室外蒸发器盘管，用于从环境空气中提取热量。
- 连接各单元的制冷剂管道。
- 一个或多个室内冷凝器盘管，将热量传递给室内空气，或传递给室内供暖系统，例如散热器、地板采暖回路，以及生活热水罐。

整体式空气源热泵机组在北美地区较不常见，室外的一个机箱内集中了所有部件，并通过管道将热（或冷）的流体送入室内。这类系统的好处是：可以将有毒有害的制冷剂（例如易燃的丙烷）保持在室外。

空气源热泵在相同电能输入下，所提供的热量可以达到电加热器的三到四倍（性能系数约为4）。燃烧天然气或燃油会排放二氧化碳以及氮氧化物，这些物质可能对人体健康有害。空气源热泵本身不会排放二氧化碳、氮氧化物或其他气体，但在发电过程中可能会产生相关排放。它利用少量电能来转移大量的热能。

截至 2024 年，蒸汽压缩制冷循环仍然是市场上唯一具有重要地位的热泵技术。

## 用途

虽然其安装成本通常较高，但仍低于地源热泵的安装成本，因为地源热泵需要进行土方开挖来铺设地下环路。地源热泵的优势在于，它能够利用地下土壤的蓄热能力，因此在寒冷条件下可以用更少的电力产生更多热量。

太阳能发电系统与空气源热泵同时安装可以降低能源成本，消减温室气体排放，正变得越来越受欢迎。

电加热蓄热作为辅助热源的解决方案可以与空气源热泵配合使用。如果实行分时电价，蓄热方式可能更具成本效益。热量被储存在具有隔热外壳中的高密度陶瓷砖内；蓄热式电暖器就是一个例子。

空气源热泵还可以与被动式太阳能供暖结合使用。由被动太阳能加热的蓄热物质（例如混凝土或岩石）能够稳定室内温度：在白天吸收热量，并在夜间室外温度较低、热泵效率下降时释放热量。

### 替换现有住宅中的燃气供暖系统

空气源热泵的体积通常比燃气锅炉更大，并且需要额外的室外安装空间，因此，与仅仅拆除燃气锅炉并在原位置安装一台空气源热泵相比，整个更换过程更复杂，成本也可能更高。如果运行成本很重要，那么正确选择热泵容量也非常关键，因为容量过大的空气源热泵运行费用会更高。

对于使用散热器/辐射板、踢脚板散热器，甚至较小直径风管的传统供暖系统来说，改造为采用空气源热泵供热可能会更加复杂。由于热泵的输出温度较低，因此散热器（以及可能的管道）可能需要更换为更大尺寸，或者需要安装低温地板辐射供暖系统。

另一种方案是安装高温热泵，这样可以保留现有的散热设备。不过，截至2023年，这类热泵的购买和运行成本都更高，因此它们可能只适用于那些难以改造或难以进行升级的建筑，例如一些大型历史建筑。

有人认为，与燃烧化石燃料的供暖设备（例如燃气加热器）相比，空气源热泵更有利于健康，因为它能够维持更加均匀的室内温度，并避免有害烟气带来的风险。此外，在炎热潮湿的夏季，空气源热泵还可以通过过滤空气和降低湿度来减少灰尘、过敏原以及霉菌，而这些因素都可能对健康造成风险。

### 寒冷地带运行空气源热泵

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通常不建议在低于−10℃的环境下运行普通空气源热泵。不过，有一种专为极寒气候设计的空气源热泵（在美国通过能源之星认证），即使在低至−30℃的室外空气中，仍然能够有效提取热量。这主要得益于采用了由逆变器驱动的变速压缩机。虽然在寒冷条件下，空气源热泵的效率不如安装良好的地源热泵，但空气源热泵的初投资较低，因此往往是更经济或更实际的选择。如果大型住宅难以进行充分保温，那么采用混合系统可能更合适，例如同时使用热泵和另一种热源（如化石燃料锅炉）。另外，也可以考虑安装多台热泵，或者使用高温热泵。

在某些天气条件下，冷凝水会在室外机换热器的盘管上形成并结冰，从而减少空气通过盘管的流量。为清除这些冰，设备会启动除霜循环，在几分钟内切换到制冷模式，使盘管升温，直到冰层融化。对于空气—水热泵，除霜所需的热量来自循环水，因此会导致水温出现下降。对于空气—空气系统，热量则来自建筑物内部的空气，或者由电加热器提供。一些空气—空气系统会直接停止室内外机风扇的运行，并切换到制冷模式，使室外机重新充当冷凝器，从而升温并进行除霜。

### 噪音

空气源热泵有一个室外机，其中包含风扇等运动机械部件，因此会产生噪音。现代设备通常提供“静音模式”执行时间表，通过降低风扇转速来减少噪音。这会降低系统的最大制热能力，但在室外气温较温和时，可以在几乎不损失效率的情况下使用。另一种降低敏感住宅区噪音的方法是安装隔音罩。对于保温性能良好的建筑，夜间甚至可以暂停热泵运行，而不会导致室温明显下降；只有在低温环境下，防冻保护功能才会在数小时后强制设备重新开机。此外，合理选择室外机的安装位置也非常重要。

在美国，允许的夜间噪音水准为45分贝（dBA）。在英国，根据MCS 020标准或同等标准，噪音上限被设定为从最近邻居位置测得的42分贝。在德国，住宅区的噪音限制为35分贝，通常依据欧洲标准EN 12102进行测量。

空气源热泵的另一个特点是：在制热模式下，室外机中的风扇需要不时停止运行数分钟，以清除积聚在室外机换热器上的霜层。除霜完成后，热泵才会重新开始工作。这种运行循环会导致风扇噪音突然发生两次变化。尤其在安静环境中，这种噪音变化的声学影响更加明显，因为夜间背景噪音可能低至0-10dBA。法国的相关法规已将这种情况纳入考虑。根据法国关于噪音扰民的概念，“噪音突增”是指：包含扰民噪音时的环境噪音，与不包含扰民噪音时的环境噪音之间的差值。相比之下，地源热泵由于不需要带有运动机械部件的室外机，因此不存在这类问题。

### 效率评价

空气源热泵的效率通常使用性能系数（COP，Coefficient of Performance）来衡量。例如，COP为4表示：热泵每消耗1份电能，就能产生4份热能。在 −3°C到10°C的温度范围内，许多热泵设备的COP都相对稳定。理论上，热泵最大的COP大约可表示为：

理论最大COP=（室内温度+273）/（室内温度-室外温度）

温度的单位为℃。

这个公式说明室内外温差越小，热泵理论效率越高；而随着室外温度下降、温差增大，热泵效率会逐渐降低。

在较温和的天气条件下，当室外温度为10°C时，高效空气源热泵的性能系数通常在4到6之间。然而，在寒冷的冬季，要将同样数量的热量输送到室内，相比温暖天气需要消耗更多能量。热泵的性能受到卡诺循环的限制，随着室内外温差增大，其COP会逐渐接近1.0。对于大多数空气源热泵来说，这种情况通常发生在室外温度接近−18°C时。采用二氧化碳作为制冷剂的热泵，能够使 COP 即使在−20°C时仍高于2，从而将热泵与传统电加热效率持平的“临界温度”进一步降低至约−30°C。相比之下，地源热泵的COP不会随着室外气温变化而产生如此明显的波动，因为其热量来源—地下土壤的温度比室外空气更加稳定。

热泵的设计会对其效率产生显著影响。许多空气源热泵最初主要是按照空调来设计的，重点用于夏季制冷。如果专门针对制热来设计热泵，则能够获得更高的性能系数以及更长的使用寿命。其中最主要的改进体现在压缩机和蒸发器的大小与类型上。

经过季节修正后的制热和制冷效率分别使用“制热季节性能系数”（HSPF）和“季节能效比”（SEER）来评价。在美国，法定最低效率标准为：SEER 14或15，HSPF为8.8。

### 制造

21世纪第一个二十年间，随着各国政府通过补贴政策推动能源安全和减少碳排放，美国和欧洲对热泵的需求不断增长。在欧洲，人们更倾向于采用空气—水热泵。这种系统通过热水输送热量，通常配合散热器或地板辐射供暖使用，而不是采用其他地区更常见的空气—空气热泵。2021年，全球约四分之三的热泵生产来自亚洲国家。亚洲不仅是最大的制造基地，也是最大的消费市场之一，尤其是在中国、日本和韩国等国家，热泵及空调产业拥有完善的供应链和大规模生产能力。

## 制冷剂类型

纯制冷剂可以分为有机物和无机物两大类。

其中，有机类包括烃类 (HCs)、氯氟烃(CFCs)、氢氯氟烃(HCFCs)、氢氟烃(HFCs)、氢氟烯烃(HFOs)和氢氯氟烯烃（HCFOs)类制冷剂。无机类则包括氨（NH₃）、二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）。这些制冷剂的沸点通常低于 −25°C。

在过去两百年里，制冷剂的标准和要求不断变化。如今，除了以往对安全性、实用性、材料相容性、适当的大气寿命以及制冷制热效率高等要求之外，还要求制冷剂具有较低的全球变暖潜值（GWP）。截至 2022 年，使用超低GWP制冷剂的设备市场占有率仍然较小，但由于法规逐渐强制实施，其作用预计会越来越重要，因为目前大多数国家已经批准了《吉佳利修正案》，以逐步淘汰 HFC 制冷剂。

异丁烷（R600A）和丙烷（R290）相比传统氢氟烃（HFC）对环境的危害小得多，并且已经开始应用于空气源热泵。其中，丙烷可能尤其适用于高温热泵。氨（R717）和二氧化碳（R744）同样具有较低的 GWP。不过截至 2023 年，小型二氧化碳热泵仍未广泛普及，相关研发工作仍在继续。一份2024年的报告指出，GWP较高的制冷剂未来仍可能面临进一步的国际限制。

20世纪90年代以前，制冷机、冰箱以及其他相关设备普遍使用氟氯烃（CFCs）作为制冷剂。当这些物质释放到大气中时，对臭氧层造成了严重破坏。为了应对这一问题，1987年8月签署了《蒙特利尔议定书》，对这些化学物质的使用进行了禁止或严格限制。CFC的替代品包括 R-134a和R-410A，这些都属于氢氟烃（HFC）类制冷剂。它们具有与CFC类似的热力学性能，而且臭氧消耗潜值（ODP）几乎可以忽略不计，因此不会像CFC那样严重破坏臭氧层。然而，HFC制冷剂存在另一个问题—全球变暖潜值（GWP）较高。HFC 是强效温室气体，会对气候变化产生显著影响。二甲醚（DME）后来也逐渐作为制冷剂受到关注，全球暖化潜值极低。近年来出现的新型制冷剂包括二氟甲烷（R32），二氟甲烷与R-410A等传统HFC相比，R32的GWP更低，但其全球变暖潜值仍然超过600，因此仍具有一定的温室效应影响。

预计采用R290（丙烷）作为制冷剂的设备将在未来发挥关键作用。丙烷的100年全球变暖潜值（GWP）仅为0.02，非常低，对气候的影响非常小，约比R32低 7000倍。然而，丙烷具有可燃性，因此必须采取额外的安全措施。出于安全考虑，法规规定的最大充注量远低于可燃性较低的制冷剂。例如，与R32相比，系统中允许充注的R290制冷剂数量大约少13.5倍。这意味着R290并不适用于所有应用场景或安装地点。尽管如此，截至2022年，采用R290的家用设备数量正在不断增加，尤其是在欧洲市场。

然而，氢氟烃（HFC）制冷剂目前仍然占据市场主导地位。近年来，政府法规推动了R22制冷剂的逐步淘汰。作为替代品，R32和R410A被推广为更环保的制冷剂，但它们的全球变暖潜值（GWP）仍然较高。一台热泵通常含有约3千克制冷剂。如果使用R32，这些制冷剂一旦全部泄漏，其在20年时间尺度上的温室效应相当于排放约7吨二氧化碳。作为比较，这大约相当于一个普通家庭使用天然气供暖两年所产生的二氧化碳排放量。另一方面，具有较高臭氧消耗潜值（ODP）的制冷剂已经基本被淘汰。

## 对脱碳和电力供应的影响

通过逐步取代燃气锅炉等化石燃料供暖设备，热泵成为家庭能耗脱碳的重要技术之一。由于热泵利用电能驱动，并从空气、土壤或水体中获取热量，因此在电力系统逐渐采用可再生能源的背景下，可以显著降低建筑供暖过程中的碳排放。

随着风电场越来越多地为部分电网供电（例如加拿大育空地区的电力系统），热泵带来的冬季用电负荷增加与风力发电机在冬季发电量增加的特点能够较好地匹配。此外，在风力较弱的日子里，即使室外气温仍然很低，大多数住宅的供暖负荷通常也会有所下降。

热泵可以通过需求侧响应帮助稳定电网运行。随着热泵普及率不断提高，一些国家（例如英国）可能需要鼓励家庭采用蓄热技术，例如保温性能非常好的储热水箱。在另一些国家（例如澳大利亚），如果将这种热储能系统与屋顶太阳能发电系统结合起来，还能够进一步提高能源利用效率。

## 经济

### 成本

尽管价格较高的热泵通常具有更高的效率，但一项2024年的研究得出结论：从能源系统的角度来看，最佳的成本效益方案是采用额定性能系数约为2.8～3.2的热泵。这类热泵的单位热功率成本通常低于650英镑/千瓦热功率（£/kWth）。为达到碳中和的目的，与其进一步提高热泵本身的效率，更经济的做法是在能源系统层面增加可再生能源发电设施的装机容量和电池储能系统容量，在此基础上，再进一步投资于开式燃气轮机，以及配备碳捕集与封存技术的联合循环燃气轮机。

### 市场

在挪威、澳大利亚和新西兰，大多数住宅供暖已经采用热泵。2022年，在美国和法国，热泵的销量已经超过了基于化石燃料的供暖设备。在英国，热泵年销量近年来持续增长，2018年销售了26,725台，到2023年，销量已增长至60,244台。通过提高天然气相对于电力的价格，或者采用更加灵活的电价机制，空气源热泵能够获得更强的市场竞争力。在美国，空气—空气式热泵是最常见的类型。截至2023年，全球已安装热泵中，超过80%属于空气源热泵。同样在2023年，国际能源署呼吁各国建立更完善的热泵市场统计资料体系，尤其是针对空气—空气式热泵的资料。

### 维护与可靠性

空气源热泵的大部分维护需求与传统空调和暖炉系统类似，例如定期更换过滤器，以及清洁室内蒸发器和室外冷凝器盘管。然而，空气源热泵还有一些其独有的维护措施，这些措施与热泵从室外空气中提取热量的工作原理有关。由于热泵在制冷模式下的运行方式本质上与传统空调系统相同，因此这些额外的维护措施主要涉及空气源热泵冬季运行，特别是在寒冷气候条件下。

在较寒冷的气候条件下，压缩机从室外空气中提取热量更为困难，因此，为了保持空气源热泵的性能，防止室外盘管表面结霜至关重要。这些霜会形成一层隔热层，并阻碍空气顺利流经室外盘管，降低了热交换效率。为了防止这一问题，必须保持室外盘管清洁，避免其表面聚集灰尘或污垢，因为这些杂质会导致空气中的水分更容易在盘管表面冻结。此外，还应确保室外机冷凝器盘管周围的散热翅片以及进风格栅没有树叶等杂物堵塞，否则会进一步阻碍空气流动，影响热交换效率。做好这些维护工作，有助于减少热泵频繁除霜。除霜时，热泵会暂时切换到制冷模式，将高温制冷剂输送至冷凝器盘管，以融化积聚的霜层。频繁的除霜循环可能导致制冷剂管路内的压力波动，从而引起制冷剂泄漏，并降低系统的整体性能。

当供暖性能下降时，空气源热泵仍然可以依靠其辅助电加热器保持可靠运行。这种辅助加热装置通过电阻加热提供额外的热量，以弥补热泵供热能力不足所造成的热量损失。然而，与热泵本身的工作方式相比，这种电阻加热的效率要低得多。

一般认为，空气源热泵的维护需求比化石燃料供暖系统更少。还有一些人认为，由于地下管路一旦发生泄漏，查找和维修都比较困难，因此空气源热泵比地源热泵更容易维护。如果安装的空气源热泵容量过小，可能会因为长期高负荷运行而缩短其使用寿命；相反，如果设备容量过大，则运行效率会降低。不过，也有人认为，传统锅炉系统所需的维护工作实际上比空气源热泵更少。根据美国《消费者报告》的一项调查，平均来看，大约有一半的热泵在用户拥有它们八年后会出现某种故障或问题。

## 二氧化碳热泵

现代制冷技术的发展始于1824年提出的卡诺循环之后。1843年，雅各·珀金斯发明了一种以乙醚为制冷剂的制冰机。1850年，艾德蒙·卡雷制造出一种利用水和硫酸作为工作介质的制冷设备。在日本，久原房之助，即日立的创始人，于1917年为自己住宅制造了一台空调设备，采用二氧化碳作为制冷剂。

1930年，小汤玛斯·米奇利发现了二氯二氟甲烷，这是一种被称为“氟利昂”的氯氟烃（CFC）制冷剂。CFC很快取代了包括二氧化碳在内的传统制冷剂，并被广泛应用于热泵和冰箱等设备中（对于家用设备而言，二氧化碳较难压缩）。然而，从20世纪80年代开始，人们发现CFC会破坏臭氧层，因此其作为制冷剂逐渐失去市场青睐。后来出现的两类替代制冷剂—氢氟烃（HFC）和氢氯氟烃（HCFC）—也因被认定为温室气体而逐渐受到限制。此外，人们还发现HCFC对臭氧层的破坏程度比最初认为的更严重。因此，《保护臭氧层维也纳公约》、《蒙特利尔议定书》以及《京都议定书》都要求逐步淘汰这类制冷剂，并计划在2030年前全面停止使用。

1989年，在国际社会普遍关注氯氟烃和氢氯氟烃对臭氧层影响的背景下，科学家古斯塔夫·洛伦岑与挪威科技工业研究所申请了一项专利，提出将二氧化碳用作供热和制冷系统制冷剂的方法。此后，位于比利时布鲁塞尔的SHECCO（可持续二氧化碳供热与制冷组织）继续开展二氧化碳制冷技术研究，推动了二氧化碳制冷剂技术在欧洲的日益广泛应用。

1993年，日本公司“电装”与科学家古斯塔夫·洛伦岑合作，开发出一种以二氧化碳为制冷剂的汽车空调系统。1998年6月，他们在国际制冷学会/古斯塔夫·洛伦岑会议上展示了这项发明。会议结束后，日本电力中央研究所和东京电力公司联系了电装公司，希望开发一种使用天然制冷剂而非氟利昂的热泵原型机。随后，三方共同制造了 30台原型设备，并在日本各地进行了为期一年的试验安装。从寒冷的北海道到炎热的冲绳，均设有测试地点。在成功完成可行性验证后，电装公司于2000年9月从挪威科技工业研究所获得了一项关于热泵中压缩二氧化碳制冷剂的专利授权。21世纪初，采用二氧化碳制冷剂的热泵技术在日本以EcoCute的专利名称逐渐普及，成为新建住宅中广受欢迎的热水供应系统。不过，这项技术在日本以外地区的推广速度则相对较慢。