空氣源熱泵

空氣源熱泵是最常見的熱泵類型。它可以從建築外部的寒冷空氣中吸收熱量，並通過熱空氣或熱水的形式，將這些熱量以更高的溫度釋放出來，為建築供暖。通常用電力來驅動壓縮機，每消耗一份電能，通常可以提供約3到4倍電加熱器的輸出熱能。

空氣源熱泵的安裝相對容易，且成本較低，因此成為使用最廣泛的一種熱泵類型。在氣候溫和時，其性能係數通常可達2到5；而在氣溫低於約−8°C時，空氣源熱泵仍然可以達到1到4的性能係數。

較早期的空氣源熱泵在低溫環境下性能相對較差，因此更適合於溫暖氣候。然而，較新的型號配備了變頻壓縮機，即使在冰點以下的氣溫條件下仍能保持較高效率，使其能夠在如美國的明尼蘇達州和緬因州等寒冷地區得到應用，並節省成本。

截至2023年，全球約有10%的建築使用空氣源熱泵供暖。它們是逐步淘汰住宅中燃油燃氣鍋爐的主力方式，以減少溫室氣體排放。

在歐洲，對俄羅斯產天然氣的抵制加速了向替代能源的轉型。如果有1400萬戶改用熱泵，可減少消耗約130億立方米天然氣。在英國，高效熱泵的運行成本目前比燃氣鍋爐低約27%。

## 技術

任何自然溫度下的空氣都含有一定的熱量。空氣源熱泵可以將這些熱量從一個地方轉移到另一個地方，例如在建築物的室外與室內之間進行轉移。

空氣－空氣熱泵可以直接向單個房間提供熱風或冷風，但通常不提供生活熱水。空氣－水熱泵則利用風機盤管、散熱器或地板採暖為整個住宅供暖，並且通常也可用於提供生活熱水。

一台空氣源熱泵通常可以用1度的電能獲得約4度的熱能，因此其性能係數約為4。這類系統通常的供水溫度範圍為30–40°C，適於配備低溫散熱設備（如地暖或大面積散熱器）的建築。在效率下降比較明顯的情況下，空氣源熱泵可以提供最高約80°C的供水溫度，以滿足採用踢腳板散熱器的中央供暖需求。

熱泵使用與空調相同的蒸氣壓縮製冷循環以及大致相同的部件，但運行方向相反，或者說是將熱源與熱匯對調。由於環境空氣幾乎隨處可得，空氣源熱泵成為了最常見的一種熱泵類型。而且由於其體積一般較小，通常用於為單戶住宅或公寓供暖，而較少用於整個建築群、區域供熱或工業過程。

空氣源熱泵使用兩個換熱器來轉移熱量：一個位於建築外部，帶有翅片並通過風機強制對流；另一個位於建築內部，將熱量直接傳遞給室內空氣，或加熱水，再通過散熱器或地板採暖系統在建築中循環並釋放熱量。這些設備也可以在製冷模式下運行：通過內部換熱器從室內吸收熱量，並利用外部換熱器將熱量排放到環境空氣中。其中一些系統還可以加熱生活用水，並將其儲存在家用熱水罐中，用於日常洗浴等用途。

空氣－空氣系統可以設計為雙向傳熱：在冬季為室內供暖，在夏季為室內製冷。室內可以使用風管系統來配送空氣。空氣－水系統也可以為房間供暖以及提供生活熱水，夏季也可以通過室內製冷末端為提供製冷。以下將以室內供暖為例説明空氣源熱泵技術的原理。

分體式（因為系統由室內與室外兩個單元組成）空氣源熱泵的主要組件包括：

- 室外蒸發器盤管，用於從環境空氣中提取熱量。
- 連接各單元的製冷劑管道。
- 一個或多個室內冷凝器盤管，將熱量傳遞給室內空氣，或傳遞給室內供暖系統，例如散熱器、地板採暖迴路，以及生活熱水罐。

整體式空氣源熱泵機組在北美地區較不常見，室外的一個機箱內集中了所有部件，並通過管道將熱（或冷）的流體送入室內。這類系統的好處是：可以將有毒有害的製冷劑（例如易燃的丙烷）保持在室外。

空氣源熱泵在相同電能輸入下，所提供的熱量可以達到電加熱器的三到四倍（性能係數約為4）。燃燒天然氣或燃油會排放二氧化碳以及氮氧化物，這些物質可能對人體健康有害。空氣源熱泵本身不會排放二氧化碳、氮氧化物或其他氣體，但在發電過程中可能會產生相關排放。它利用少量電能來轉移大量的熱能。

截至 2024 年，蒸汽壓縮製冷循環仍然是市場上唯一具有重要地位的熱泵技術。

## 用途

雖然其安裝成本通常較高，但仍低於地源熱泵的安裝成本，因為地源熱泵需要進行土方開挖來鋪設地下環路。地源熱泵的優勢在於，它能夠利用地下土壤的蓄熱能力，因此在寒冷條件下可以用更少的電力產生更多熱量。

太陽能發電系統與空氣源熱泵同時安裝可以降低能源成本，消減溫室氣體排放，正變得越來越受歡迎。

電加熱蓄熱作爲輔助熱源的解決方案可以與空氣源熱泵配合使用。如果實行分時電價，蓄熱方式可能更具成本效益。熱量被儲存在具有隔熱外殼中的高密度陶瓷磚內；蓄熱式電暖器就是一個例子。

空氣源熱泵還可以與被動式太陽能供暖結合使用。由被動太陽能加熱的蓄熱物質（例如混凝土或岩石）能夠穩定室內溫度：在白天吸收熱量，並在夜間室外溫度較低、熱泵效率下降時釋放熱量。

### 替換現有住宅中的燃氣供暖系統

空氣源熱泵的體積通常比燃氣鍋爐更大，並且需要額外的室外安裝空間，因此，與僅僅拆除燃氣鍋爐並在原位置安裝一台空氣源熱泵相比，整個更換過程更複雜，成本也可能更高。如果運行成本很重要，那麼正確選擇熱泵容量也非常關鍵，因為容量過大的空氣源熱泵運行費用會更高。

對於使用散熱器/輻射板、踢腳板散熱器，甚至較小直徑風管的傳統供暖系統來說，改造為採用空氣源熱泵供熱可能會更加複雜。由於熱泵的輸出溫度較低，因此散熱器（以及可能的管道）可能需要更換為更大尺寸，或者需要安裝低溫地板輻射供暖系統。

另一種方案是安裝高溫熱泵，這樣可以保留現有的散熱設備。不過，截至2023年，這類熱泵的購買和運行成本都更高，因此它們可能只適用於那些難以改造或難以進行升級的建築，例如一些大型歷史建築。

有人認為，與燃燒化石燃料的供暖設備（例如燃氣加熱器）相比，空氣源熱泵更有利於健康，因為它能夠維持更加均勻的室內溫度，並避免有害煙氣帶來的風險。此外，在炎熱潮濕的夏季，空氣源熱泵還可以通過過濾空氣和降低濕度來減少灰塵、過敏原以及黴菌，而這些因素都可能對健康造成風險。

### 寒冷地帶運行空氣源熱泵

通常不建議在低於−10℃的環境下運行普通空氣源熱泵。不過，有一種專為極寒氣候設計的空氣源熱泵（在美國通過能源之星認證），即使在低至−30℃的室外空氣中，仍然能夠有效提取熱量。這主要得益於採用了由逆變器驅動的變速壓縮機。雖然在寒冷條件下，空氣源熱泵的效率不如安裝良好的地源熱泵，但空氣源熱泵的初投資較低，因此往往是更經濟或更實際的選擇。如果大型住宅難以進行充分保溫，那麼採用混合系統可能更合適，例如同時使用熱泵和另一種熱源（如化石燃料鍋爐）。另外，也可以考慮安裝多台熱泵，或者使用高溫熱泵。

在某些天氣條件下，冷凝水會在室外機換熱器的盤管上形成並結冰，從而減少空氣通過盤管的流量。為清除這些冰，設備會啟動除霜循環，在幾分鐘內切換到製冷模式，使盤管升溫，直到冰層融化。對於空氣—水熱泵，除霜所需的熱量來自循環水，因此會導致水溫出現下降。對於空氣—空氣系統，熱量則來自建築物內部的空氣，或者由電加熱器提供。一些空氣—空氣系統會直接停止室內外機風扇的運行，並切換到製冷模式，使室外機重新充當冷凝器，從而升溫並進行除霜。

### 噪音

空氣源熱泵有一個室外機，其中包含風扇等運動機械部件，因此會產生噪音。現代設備通常提供「靜音模式」執行時間表，通過降低風扇轉速來減少噪音。這會降低系統的最大制熱能力，但在室外氣溫較溫和時，可以在幾乎不損失效率的情況下使用。另一種降低敏感住宅區噪音的方法是安裝隔音罩。對於保溫性能良好的建築，夜間甚至可以暫停熱泵運行，而不會導致室溫明顯下降；只有在低溫環境下，防凍保護功能才會在數小時後強制設備重新開機。此外，合理選擇室外機的安裝位置也非常重要。

在美國，允許的夜間噪音水準為45分貝（dBA）。在英國，根據MCS 020標準或同等標準，噪音上限被設定為從最近鄰居位置測得的42分貝。在德國，住宅區的噪音限制為35分貝，通常依據歐洲標準EN 12102進行測量。

空氣源熱泵的另一個特點是：在制熱模式下，室外機中的風扇需要不時停止運行數分鐘，以清除積聚在室外機換熱器上的霜層。除霜完成後，熱泵才會重新開始工作。這種運行循環會導致風扇噪音突然發生兩次變化。尤其在安靜環境中，這種噪音變化的聲學影響更加明顯，因為夜間背景噪音可能低至0-10dBA。法國的相關法規已將這種情況納入考慮。根據法國關於噪音擾民的概念，「噪音突增」是指：包含擾民噪音時的環境噪音，與不包含擾民噪音時的環境噪音之間的差值。相比之下，地源熱泵由於不需要帶有運動機械部件的室外機，因此不存在這類問題。

### 效率評價

空氣源熱泵的效率通常使用性能係數（COP，Coefficient of Performance）來衡量。例如，COP為4表示：熱泵每消耗1份電能，就能產生4份熱能。在 −3°C到10°C的溫度範圍內，許多熱泵設備的COP都相對穩定。理論上，熱泵最大的COP大約可表示為：

理論最大COP=（室內溫度+273）/（室內溫度-室外溫度）

溫度的單位為℃。

這個公式說明室內外溫差越小，熱泵理論效率越高；而隨著室外溫度下降、溫差增大，熱泵效率會逐漸降低。

在較溫和的天氣條件下，當室外溫度為10°C時，高效空氣源熱泵的性能係數通常在4到6之間。然而，在寒冷的冬季，要將同樣數量的熱量輸送到室內，相比溫暖天氣需要消耗更多能量。熱泵的性能受到卡諾循環的限制，隨著室內外溫差增大，其COP會逐漸接近1.0。對於大多數空氣源熱泵來說，這種情況通常發生在室外溫度接近−18°C時。採用二氧化碳作為製冷劑的熱泵，能夠使 COP 即使在−20°C時仍高於2，從而將熱泵與傳統電加熱效率持平的「臨界溫度」進一步降低至約−30°C。相比之下，地源熱泵的COP不會隨著室外氣溫變化而產生如此明顯的波動，因為其熱量來源—地下土壤的溫度比室外空氣更加穩定。

熱泵的設計會對其效率產生顯著影響。許多空氣源熱泵最初主要是按照空調來設計的，重點用於夏季製冷。如果專門針對製熱來設計熱泵，則能夠獲得更高的性能係數以及更長的使用壽命。其中最主要的改進體現在壓縮機和蒸發器的大小與類型上。

經過季節修正後的制熱和製冷效率分別使用「制熱季節性能係數」（HSPF）和「季節能效比」（SEER）來評價。在美國，法定最低效率標準為：SEER 14或15，HSPF為8.8。

### 製造

21世紀第一個二十年間，隨著各國政府通過補貼政策推動能源安全和減少碳排放，美國和歐洲對熱泵的需求不斷增長。在歐洲，人們更傾向於採用空氣—水熱泵。這種系統通過熱水輸送熱量，通常配合散熱器或地板輻射供暖使用，而不是採用其他地區更常見的空氣—空氣熱泵。2021年，全球約四分之三的熱泵生產來自亞洲國家。亞洲不僅是最大的製造基地，也是最大的消費市場之一，尤其是在中國、日本和韓國等國家，熱泵及空調產業擁有完善的供應鏈和大規模生產能力。

## 製冷劑類型

純製冷劑可以分為有機物和無機物兩大類。

其中，有機類包括烴類 (HCs)、氯氟烴(CFCs)、氫氯氟烴(HCFCs)、氫氟烴(HFCs)、氫氟烯烴(HFOs)和氫氯氟烯烴（HCFOs)類製冷劑。無機類則包括氨（NH₃）、二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）。這些製冷劑的沸點通常低於 −25°C。

在過去兩百年裡，製冷劑的標準和要求不斷變化。如今，除了以往對安全性、實用性、材料相容性、適當的大氣壽命以及製冷制熱效率高等要求之外，還要求製冷劑具有較低的全球變暖潛值（GWP）。截至 2022 年，使用超低GWP製冷劑的設備市場佔有率仍然較小，但由於法規逐漸強制實施，其作用預計會越來越重要，因為目前大多數國家已經批准了《吉佳利修正案》，以逐步淘汰 HFC 製冷劑。

異丁烷（R600A）和丙烷（R290）相比傳統氫氟烴（HFC）對環境的危害小得多，並且已經開始應用於空氣源熱泵。其中，丙烷可能尤其適用於高溫熱泵。氨（R717）和二氧化碳（R744）同樣具有較低的 GWP。不過截至 2023 年，小型二氧化碳熱泵仍未廣泛普及，相關研發工作仍在繼續。一份2024年的報告指出，GWP較高的製冷劑未來仍可能面臨進一步的國際限制。

20世紀90年代以前，製冷機、冰箱以及其他相關設備普遍使用氟氯烴（CFCs）作為製冷劑。當這些物質釋放到大氣中時，對臭氧層造成了嚴重破壞。為了應對這一問題，1987年8月簽署了《蒙特婁議定書》，對這些化學物質的使用進行了禁止或嚴格限制。CFC的替代品包括 R-134a和R-410A，這些都屬於氫氟烴（HFC）類製冷劑。它們具有與CFC類似的熱力學性能，而且臭氧消耗潛值（ODP）幾乎可以忽略不計，因此不會像CFC那樣嚴重破壞臭氧層。然而，HFC製冷劑存在另一個問題—全球變暖潛值（GWP）較高。HFC 是強效溫室氣體，會對氣候變化產生顯著影響。二甲醚（DME）後來也逐漸作為製冷劑受到關注，全球暖化潛值極低。近年來出現的新型製冷劑包括二氟甲烷（R32），二氟甲烷與R-410A等傳統HFC相比，R32的GWP更低，但其全球變暖潛值仍然超過600，因此仍具有一定的溫室效應影響。

預計採用R290（丙烷）作為製冷劑的設備將在未來發揮關鍵作用。丙烷的100年全球變暖潛值（GWP）僅為0.02，非常低，對氣候的影響非常小，約比R32低 7000倍。然而，丙烷具有可燃性，因此必須採取額外的安全措施。出於安全考慮，法規規定的最大充注量遠低於可燃性較低的製冷劑。例如，與R32相比，系統中允許充注的R290製冷劑數量大約少13.5倍。這意味著R290並不適用於所有應用場景或安裝地點。儘管如此，截至2022年，採用R290的家用設備數量正在不斷增加，尤其是在歐洲市場。

然而，氫氟烴（HFC）製冷劑目前仍然佔據市場主導地位。近年來，政府法規推動了R22製冷劑的逐步淘汰。作為替代品，R32和R410A被推廣為更環保的製冷劑，但它們的全球變暖潛值（GWP）仍然較高。一台熱泵通常含有約3千克製冷劑。如果使用R32，這些製冷劑一旦全部洩漏，其在20年時間尺度上的溫室效應相當於排放約7噸二氧化碳。作為比較，這大約相當於一個普通家庭使用天然氣供暖兩年所產生的二氧化碳排放量。另一方面，具有較高臭氧消耗潛值（ODP）的製冷劑已經基本被淘汰。

## 對脫碳和電力供應的影響

通過逐步取代燃氣鍋爐等化石燃料供暖設備，熱泵成爲家庭能耗脫碳的重要技術之一。由於熱泵利用電能驅動，並從空氣、土壤或水體中獲取熱量，因此在電力系統逐漸採用可再生能源的背景下，可以顯著降低建築供暖過程中的碳排放。

隨著風電場越來越多地為部分電網供電（例如加拿大育空地區的電力系統），熱泵帶來的冬季用電負荷增加與風力發電機在冬季發電量增加的特點能夠較好地匹配。此外，在風力較弱的日子裡，即使室外氣溫仍然很低，大多數住宅的供暖負荷通常也會有所下降。

熱泵可以通過需求側響應幫助穩定電網運行。隨著熱泵普及率不斷提高，一些國家（例如英國）可能需要鼓勵家庭採用蓄熱技術，例如保溫性能非常好的儲熱水箱。在另一些國家（例如澳大利亞），如果將這種熱儲能系統與屋頂太陽能發電系統結合起來，還能夠進一步提高能源利用效率。

## 經濟

### 成本

儘管價格較高的熱泵通常具有更高的效率，但一項2024年的研究得出結論：從能源系統的角度來看，最佳的成本效益方案是採用額定性能係數約為2.8～3.2的熱泵。這類熱泵的單位熱功率成本通常低於650英鎊/千瓦熱功率（£/kWth）。爲達到碳中和的目的，與其進一步提高熱泵本身的效率，更經濟的做法是在能源系統層面增加可再生能源發電設施的裝機容量和電池儲能系統容量，在此基礎上，再進一步投資於開式燃氣輪機，以及配備碳捕集與封存技術的聯合循環燃氣輪機。

### 市場

在挪威、澳大利亞和紐西蘭，大多數住宅供暖已經採用熱泵。2022年，在美國和法國，熱泵的銷量已經超過了基於化石燃料的供暖設備。在英國，熱泵年銷量近年來持續增長，2018年銷售了26,725台，到2023年，銷量已增長至60,244台。通過提高天然氣相對於電力的價格，或者採用更加靈活的電價機制，空氣源熱泵能夠獲得更強的市場競爭力。在美國，空氣—空氣式熱泵是最常見的類型。截至2023年，全球已安裝熱泵中，超過80%屬於空氣源熱泵。同樣在2023年，國際能源署呼籲各國建立更完善的熱泵市場統計資料體系，尤其是針對空氣—空氣式熱泵的資料。

### 維護與可靠性

空氣源熱泵的大部分維護需求與傳統空調和暖爐系統類似，例如定期更換過濾器，以及清潔室內蒸發器和室外冷凝器盤管。然而，空氣源熱泵還有一些其獨有的維護措施，這些措施與熱泵從室外空氣中提取熱量的工作原理有關。由於熱泵在製冷模式下的運行方式本質上與傳統空調系統相同，因此這些額外的維護措施主要涉及空氣源熱泵冬季運行，特別是在寒冷氣候條件下。

在較寒冷的氣候條件下，壓縮機從室外空氣中提取熱量更爲困難，因此，為了保持空氣源熱泵的性能，防止室外盤管表面結霜至關重要。這些霜會形成一層隔熱層，並阻礙空氣順利流經室外盤管，降低了熱交換效率。為了防止這一問題，必須保持室外盤管清潔，避免其表面聚集灰塵或污垢，因為這些雜質會導致空氣中的水分更容易在盤管表面凍結。此外，還應確保室外機冷凝器盤管周圍的散熱翅片以及進風格柵沒有樹葉等雜物堵塞，否則會進一步阻礙空氣流動，影響熱交換效率。做好這些維護工作，有助於減少熱泵頻繁除霜。除霜時，熱泵會暫時切換到製冷模式，將高溫製冷劑輸送至冷凝器盤管，以融化積聚的霜層。頻繁的除霜循環可能導致製冷劑管路內的壓力波動，從而引起製冷劑洩漏，並降低系統的整體性能。

當供暖性能下降時，空氣源熱泵仍然可以依靠其輔助電加熱器保持可靠運行。這種輔助加熱裝置通過電阻加熱提供額外的熱量，以彌補熱泵供熱能力不足所造成的熱量損失。然而，與熱泵本身的工作方式相比，這種電阻加熱的效率要低得多。

一般認為，空氣源熱泵的維護需求比化石燃料供暖系統更少。還有一些人認為，由於地下管路一旦發生洩漏，查找和維修都比較困難，因此空氣源熱泵比地源熱泵更容易維護。如果安裝的空氣源熱泵容量過小，可能會因為長期高負荷運行而縮短其使用壽命；相反，如果設備容量過大，則運行效率會降低。不過，也有人認為，傳統鍋爐系統所需的維護工作實際上比空氣源熱泵更少。根據美國《消費者報告》的一項調查，平均來看，大約有一半的熱泵在使用者擁有它們八年後會出現某種故障或問題。

## 二氧化碳熱泵

現代製冷技術的發展始於1824年提出的卡諾循環之後。1843年，雅各·珀金斯發明了一種以乙醚為製冷劑的製冰機。1850年，艾德蒙·卡雷製造出一種利用水和硫酸作為工作介質的製冷設備。在日本，久原房之助，即日立的創始人，於1917年為自己住宅製造了一台空調設備，採用二氧化碳作為製冷劑。

1930年，小湯瑪斯·米奇利發現了二氯二氟甲烷，這是一種被稱為「氟利昂」的氯氟烴（CFC）製冷劑。CFC很快取代了包括二氧化碳在內的傳統製冷劑，並被廣泛應用於熱泵和冰箱等設備中（對於家用設備而言，二氧化碳較難壓縮）。然而，從20世紀80年代開始，人們發現CFC會破壞臭氧層，因此其作為製冷劑逐漸失去市場青睞。後來出現的兩類替代製冷劑—氫氟烴（HFC）和氫氯氟烴（HCFC）—也因被認定為溫室氣體而逐漸受到限制。此外，人們還發現HCFC對臭氧層的破壞程度比最初認為的更嚴重。因此，《保護臭氧層維也納公約》、《蒙特婁議定書》以及《京都議定書》都要求逐步淘汰這類製冷劑，並計畫在2030年前全面停止使用。

1989年，在國際社會普遍關注氯氟烴和氫氯氟烴對臭氧層影響的背景下，科學家古斯塔夫·洛倫岑與挪威科技工業研究所申請了一項專利，提出將二氧化碳用作供熱和製冷系統製冷劑的方法。此後，位於比利時布魯塞爾的SHECCO（可持續二氧化碳供熱與製冷組織）繼續開展二氧化碳製冷技術研究，推動了二氧化碳製冷劑技術在歐洲的日益廣泛應用。

1993年，日本公司「電裝」與科學家古斯塔夫·洛倫岑合作，開發出一種以二氧化碳為製冷劑的汽車空調系統。1998年6月，他們在國際製冷學會/古斯塔夫·洛倫岑會議上展示了這項發明。會議結束後，日本電力中央研究所和東京電力公司聯繫了電裝公司，希望開發一種使用天然製冷劑而非氟利昂的熱泵原型機。隨後，三方共同製造了 30台原型設備，並在日本各地進行了為期一年的試驗安裝。從寒冷的北海道到炎熱的沖繩，均設有測試地點。在成功完成可行性驗證後，電裝公司於2000年9月從挪威科技工業研究所獲得了一項關於熱泵中壓縮二氧化碳製冷劑的專利授權。21世紀初，採用二氧化碳製冷劑的熱泵技術在日本以EcoCute的專利名稱逐漸普及，成為新建住宅中廣受歡迎的熱水供應系統。不過，這項技術在日本以外地區的推廣速度則相對較慢。