第五节　新型低品位能源——空气

室外空气的热量来源于太阳对地球表面的直接或间接的辐射。前文所述的浅层地热能、工业余热能以及生活余热能等属于比较优质的低品位能源，以它们作为低温热泵的热泵系统效率较高。但这些能源的利用受到资源条件的严格限制，无法得到普遍应用。而空气由于到处都有，尽管其品位低于前述几种能源，但其意义更加重大。因此，要应用好空气源热泵，首先要了解室外空气的物理性质。其次，不同地区的气候特点差异很大，这将直接对空气源热泵的结构、性能、运行特性产生明显的影响；只有充分地了解我国的气候特点，才能设计和开发出适合我国气候特征的高效空气源热泵，才能在我国各个地区正确且合理地使用好空气源热泵。

一、湿空气的物理性质

湿空气是由干空气和水蒸气组成的。干空气是由氮（体积分数约为78%）、氧（21%）、氩、氖、二氧化碳和其他一些微量气体组成的混合气体。

湿空气的状态参数主要是湿空气的压力、温度、含湿量、相对湿度、比体积、密度和焓。

1.湿空气的压力（B）

湿空气的压力应为干空气压力（pg）与水蒸气压力（pq）之和，即：

大气压力不是一个定值。通常以北纬45°海平面的全年平均气压作为一个标准大气压，其数值是101325Pa，或101.325kPa。海拔高度越高的地方大气压力越低。同时，在同一个地区的不同季节，大气压力也有大约±5%的变化。

2.温度

空气的温度表示空气的冷热程度，是热泵空调中的一个重要参数。

3.含湿量（d）

湿空气的含湿量为所含水蒸气的质量（mq）与干空气质量（mg）之比，即：

也可导出：

4.相对湿度（）

所谓相对湿度，就是空气中水蒸气分压力与同温度下饱和状态空气水蒸气分压力之比，用百分数表示，即：

式中　pq——湿空气的水蒸气分压力，Pa；

　pq.b——同温度下湿空气的饱和水蒸气分压力，Pa。

湿空气的饱和水蒸气分压力是温度的单值函数，也可用表查得。

应该注意，含湿量（d）与相对湿度（ψ）虽然都是表示空气湿度的参数，但意义却有不同。ψ能表示空气接近饱和的程度，但不能表示水蒸气含量的多少；而d恰好与之相反，能表示水蒸气的含量，却不能表示空气的饱和程度。

如果近似地认为B-pq≈B-pq.b，则空气的相对湿度可近似地表示为：

这样的计算结果，可能会造成1%～3%的误差。

5.比体积（υ）和密度（ρ）

单位质量的空气所占有的体积称为空气的比体积。而单位体积空气具有的质量，称为空气的密度。两者互为倒数，因此可视为一个状态参数。

湿空气为干空气与水蒸气的混合物，两者均匀混合并占有相同体积。因此不难理解，湿空气的密度ρ为干空气的密度ρg与水蒸气的密度ρq之和，即：

经整理得：

由于水蒸气的密度（ρg）较小，因此干空气与湿空气的密度在标准条件下（压力101325Pa，温度为20℃）相差较小；在工程上取ρ=1.2kg/m3，精度足够精确。

6.湿空气的焓（i）

湿空气的焓等于1kg干空气的焓与共存的水蒸气的焓的和，即：

如果取0℃的干空气和0℃的水焓值为0，则湿空气的焓为：

式中　cp.g，cp.q——干空气与水蒸气的比定压热容，cp.g=1.005k（k•℃），=J/gcp.q1.84kJ/（kg•℃）；

2500——t=0℃时，水蒸气的汽化潜热，kJ/kg；

　d——湿空气的含湿量。

在空气源热泵设计中，湿空气的状态变化过程可视为定压过程，因此，可以利用空气状态变化前后的焓差值来计算空气热量的变化。

二、我国的气候特点

气候是自然地理环境的重要组成部分，并且是一个易于变化的不稳定因素。我国疆域辽阔，气候涵盖了温带、亚热带、热带。按我国GB 50178—93《建筑气候区划标准》，全国分为7个一级区和20个二级区。各区气候特点及地区位置见表1-14和表1-15。与此相应，空气源热泵的设计与应用方式等，各地区都有所不同。

Ⅲ区属于我国夏热冬冷地区，其范围大致为陇海线以南，南岭以北，四川盆地以东，大体上可以说是长江中下游地区。该地区包括上海、浙江、江西、湖北、湖南全境；江苏、安徽、四川大部；陕西、河南南部；贵州东部；福建、广东、广西北部及甘肃南部的部分地区。夏热冬冷地区的气候特征是夏季闷热，7月份平均气温25～30℃，年日平均气温大于25℃的日数为40～100天；冬季湿冷，1月平均气温0～10℃，年日平均气温小于5℃的日数为0～90天。

该地区气温的日较差较小，年降雨量大，日照偏小。该地区的气候特点适合应用空气源热泵。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范附条文说明[另册]》（GB 50736—2012）中也指出夏热冬冷地区的中、小型建筑可采用空气源热泵供冷、供暖。

近年来，随着我国国民经济的发展，这些地区生产总值约占全国的48%，是经济、文化较发达的地区，同时又是我国人口密集（城乡人口约为5.5亿）的地区。这些地区的民用建筑中常要求夏季供冷，冬季供暖。因此，在这些地区选用空气源热泵解决供冷、供暖问题是较为合适的选择；其应用越来越普遍，已成为设计人员、业主的首选方案之一。

Ⅴ区主要包括云南大部，贵州、四川西南部，西藏南部一小部分地区。这些地区1月平均气温0～13℃，年日平均气温小于5℃的日数为0～90天。在这样的气候条件下，过去一般情况建筑物不安装采暖设备。但是，近年来随着人们对居住和工作环境的要求越来越高，这些地区的部分建筑也开始安装采暖系统。在这些地区选用空气源热泵系统也是非常合适的。

在室外空气温度大于-3℃的情况下，普通的空气源热泵能安全可靠地运行。因此，普通空气源热泵冷热水机组的应用范围已由长江流域北扩至黄河流域，即已进入气候区划标准Ⅱ区的部分地区内，如山东的胶东地区、济南、西安、京津地区、郑州、徐州、石家庄等地。

在我国寒冷地区（如室外气温低于-10℃），由于室外气温过低，用普通的空气源热泵有些困难，需要采用超低温的空气源热泵。

三、空气作为低温热源的特点及其对机组的影响

空气处处皆有（地点的无限制性）、时时可用（时间的无限性），是空气作为低温热泵的最大优点。这为空气源热泵的安装与使用创造许多便利的条件。

但空气温度季节性的变化影响了空气源热泵机组的制热量、制冷量和能效比等。夏季要求供冷负荷越大时，对应的冷凝温度越高；而冬季要求供暖负荷越大时，对应的蒸发温度越低，因此增大了机组的容量和运行能耗。空气源热泵运行的恶劣工况随机性出现又为机组运行的稳定性带来不利影响。空气源热泵环境温度在5～0℃之间，有雾或雨雪天气里运行是最不利的工况。此时，由于机组结霜严重，蒸发压力过低，常使机组停止运行。机组结霜严重时，制冷剂蒸发量急剧减小，由于回液过多造成液击的可能性大大增加。这使机组运行的不稳定性大大增加，机组运行中容易发生故障，甚至停机。

近年来，由于城市化的发展，城市市区的气温要比郊区高，出现了城市热岛现象。城市的空气作为热泵的低位热源，热泵从城市的空气中吸取热量，向建筑物供暖，有缓解城市热岛的作用；但是，由于热泵的驱动功最终以热量的形式散发到空气中，因此，建筑物采用空气源热泵供暖时，外界空气的温度也不会降得低于城市四周空气的温度。

空气的单位容积比热容很小。常温下空气的单位容积比热容约为1.21kJ/（m3•℃），而水的单位容积比热容为4186kJ/（m3•℃）。两者相差悬殊，这意味着在相同的温降下，从空气和水中吸取相同的热量所需要的空气量（m3）是水的3460倍。因此，设计空气源热泵室外换热器时，空气进出口温差一般取8～10℃，要比水大些。另外，也可以看出，由于空气单位容积比热容很小，热泵要从空气中获得足够的热量，势必需要较多的空气量，从而使风机的容量也增大。因此，在设计、安装和运行中应注意空气源热泵的噪声问题。

空气自由运动时对流换热系数大约为5～12W/（m2•℃），空气受迫运动时对流换热系数的数值约为100～200W/（m2•℃）。相对于管内制冷剂沸腾换热系数或制冷剂管内凝结换热系数，管外侧空气的对流换热系数很小。因此，空气源热泵室外换热器需要在管外装设肋片以强化换热，通常采用连续整体肋片形式。为了减小室外换热器体积，空气源热泵室外换热器通常采用强迫对流，在室外换热器上设置轴流风机。

在自然界中，江、河、湖、海里的水会不断蒸发，所以大气中或多或少都含有水蒸气。因此，当室外换热器表面温度低于0℃，且低于空气的露点温度时，空气中的水蒸气在换热器表面就会凝结成霜，致使空气源热泵的制热性能系数和运行的可靠性降低。

空气源热泵蒸发器的结霜情况取决于室外空气温湿度。在相对湿度相同的情况下（70%以上），室外空气温度在3～5℃范围内，结霜最严重。空气相对湿度变化对结霜情况的影响远远大于空气温度变化对结霜的影响。当空气的相对湿度低于65%时，单位时间的结霜量明显减少；而相对湿度在50%以下时，则不会结霜。