绪 论

近几年，空气源热泵已经成为替代燃煤、治理雾霾最主要的方式之一，因此得到了迅速的发展。

一直以来，天然气都是替代燃煤最主要的能源。因为利用天然气的方法和煤一样，都是通过燃烧产生较高的温度，所以用天然气代替燃煤最“省事”。因此，无论是工业生产还是建筑采暖都首选用天然气代替煤。但是天然气有两个短板，一是成本高，二是资源有限。对于工业生产，可以通过两方面来消解天然气成本高和资源不足的问题。一是节能降耗，过去我国工业生产能源利用效率低，节能空间大，能源成本提高后，促使能源综合利用效率大幅度提高；二是成本与价格向下游传递，成本是工业产品定价的基础，消化不了的成本，可以通过提高价格将成本向下游传递，价格没有竞争力的企业将被淘汰，而能源利用效率高、竞争力强的企业将会获得更大的市场份额。

但是供热具有民生和公用事业属性，具有与工业生产完全不同的特点，不能像工业生产那样解决问题。

首先，供热行业无法把成本与价格向下游传递，因为供热由政府通过价格听证的方式进行定价，并不是通过市场手段由供需关系决定价格。所以现在虽然能源成本提高了，人力成本提高了，供热价格却还是原来的价格，有些地区甚至还在执行十几年前的定价，产生了能源价格倒挂的现象，上游的成本高于下游的价格，单位面积供热消耗的天然气成本大大高于供热的收费价格。这种情况致使供热企业无法正常生存，只能通过政府补贴获取利润，这不仅给政府带来了沉重负担，而且带来更多的社会问题，无法形成健康合理的能源市场机制，严重制约了社会公平和可持续发展。

同时，在节能降耗方面供热也要比工业生产复杂得多。供热系统的能耗是由多种因素决定的，建筑保温、室内末端、管网损耗、热源效率等都会对供热的能耗产生重大影响，但很多都不是供热企业负责的。因此，供热企业对于整个供热系统的节能降耗也是无能为力的。另外，市政集中供热大多由当地政府所属企业负责，不能完全通过市场机制优胜劣汰。

因此，供热体制改革是十分必要的，而最为关键的是供热价格的改革。供热价格的制定既要体现公用事业属性，又要体现市场属性；既要保障居民的供暖需求和切身利益，又要理顺能源价格，满足供需关系，建立合理的市场机制。这样，供热行业才能健康发展。

到目前为止，我国北方采暖面积已突破200亿平方米，而且每年都在增加，并且随着南方对采暖需求的日益提高，我国采暖面积的增加还会不断加速。已有的燃煤采暖需要逐渐改造成清洁能源，新增的采暖面积必须采用清洁能源，所以我国采暖对清洁能源的需求是十分巨大的，这将使我国乃至全世界天然气资源面临压力和挑战。全部采用天然气采暖不仅不切实际，更影响我国的能源安全。

因此，近几年，人们把供热领域替代燃煤的关注点转移到了电能上。但是，电能是一种成本高、价值高的高品位能源，直接用电加热代价大、成本高。因此，能源利用效率更高的热泵成为人们新的选择。热泵用电能作为驱动，从自然界获取免费或廉价的低品位能源，从而获得数倍于电能的能量用于供热。自1994年清华大学徐秉业教授研制出我国第一台地源热泵以来，热泵在我国供热领域的应用已有二十几年的历史了。早期热泵所利用的低品位能源主要来自地下水、地下土壤、地表水、污水、工业余热等，与空气比起来，这些能源的品位相对较高，来源相对较稳定，但受到资源条件的限制，只能在有限范围内加以利用，无法在解决我国清洁采暖的能源需求中起到主导作用。

空气源热泵利用的低品位能源是空气，虽然空气的品位低于其他能源，但空气到处都有，不受资源条件的限制。空气源热泵较直接电加热有更高的能源利用效率，所以是解决清洁采暖的理想方式之一。

在北方清洁取暖“煤改电”工作中，已有1200多万户农村用户使用了空气源热泵取暖。这些空气源热泵的使用效果从总体来看是好的，无论是采暖效果还是运行成本，基本上都达到了预期。

在城市供热方面，我们从2011年就开始了直接替代锅炉的大功率空气源热泵的研发。自2015年石家市绿朗时光小区首次采用空气源热泵进行住宅集中采暖以来，已推广了千余万平方米的建筑采用空气源热泵采暖，基本都达到了供热效果，供热成本也低于燃气锅炉。近几年东北、内蒙古等严寒地区也有不少项目采用空气源热泵采暖，效果也是不错的，说明严寒地区采用空气源热泵采暖也是可行的。空气源热泵供热虽然也暴露了一些问题，比如结霜、占地、噪声、冷岛等，但这些问题都是可以克服和解决的。后面将提出解决这些问题的方法。

当年我们刚开始推广应用水地源热泵的时候，很多人就很疑惑，地下水、地下土壤也就十几摄氏度，哪儿来的热呢？现在水地源热泵已经接近普及，不再有人怀疑了，但对于空气源热泵，人们还是会质疑，零下十几、二十几摄氏度的空气中怎么可能有热量呢？关于空气源热泵怎样从零下十几、二十几摄氏度甚至更低温度的空气中提取热量，本书第二章第二节对热泵的原理有明确的阐述。热泵主要靠蒸发器中介质的蒸发进行吸热，目前空气源热泵的蒸发温度可以做到-45℃，因此，可以从不低于-35℃的空气中吸收热量；实验室中可以把热泵系统的蒸发温度做到-65℃以下，所以即便在严寒地区，空气源热泵正常运行也是没有问题的，可以从空气中提取热量。

采用空气源热泵采暖最大的优势是其能源成本低于除燃煤以外的其他方式。按照产生单位热量所需的能源成本作比较，几种供热方式的对比情况如表0-1所示。

空气源热泵供热虽然已经有了大规模的成功应用，但仍然有很多问题需要注意和解决，例如低环境温度下能否稳定高效地工作、供水温度能否适应各种供暖系统、能耗与运行成本是否可以接受、结霜与除霜是否影响热泵的正常工作、是否产生扰民的噪声、占地是否太大等。下面对影响空气源热泵应用的几个主要问题做简单的分析。

（1）低环境温度下的稳定性和供水温度与系统的匹配问题

不同的空气源热泵有不同的工作范围，所选的设备必须与所处地区的室外环境温度相适应，出水温度必须与供热或制冷的末端系统相匹配。

冬季供暖期间，室外环境温度决定空气源热泵蒸发温度的高低。室外环境温度越低，蒸发温度越低，空气源热泵的制热量和效率系数随之下降。如果蒸发温度低到超出热泵的工作范围，热泵将无法稳定工作。目前用于空气源热泵的双级压缩机能够适应的最低蒸发温度是-45℃，双级压缩的热泵设备可以在不低于-35℃的环境中正常应用。

空气源热泵面临的问题之一是制热量和效率都会随着环境温度的下降而衰减。而且，不同的空气源热泵有其一定的工作范围，当室外环境温度降低到一定程度时，普通的空气源热泵就将无法启动和正常运行。

为此，技术人员开发出不同的空气源热泵技术来适应各种不同的气候条件和使用条件；补气增焓技术就是其中最为重要的一项，在低温环境中应用空气源热泵发挥了重要作用。此外，适应低温环境的空气源热泵技术还有准二级压缩技术、单机双级压缩技术、双机双级压缩技术、双级耦合热泵技术、复叠式热泵技术等。通过这些技术，就可以解决空气源热泵在低环境温度下工作的稳定性和供水温度与系统匹配等问题。

（2）能耗问题

目前在华北地区应用空气源热泵为节能建筑采暖的能耗可以控制在每个采暖季每平方米25kW•h左右，运行成本较天然气有较大优势。但是由于不同厂家机组性能良莠不齐，以及系统匹配、建筑保温等因素的影响，仍有不少采用空气源热泵采暖的项目能耗偏高，供暖成本让用户无法接受。对此，一方面要看其他能源方式能耗的情况，总体来看，空气源热泵应该是除燃煤（包括燃煤热电联产）以外能源成本最低的一种方式；如果空气源热泵供热的能源成本高于燃气等其他能源方式，那可能是能源价格的问题，也可能是热泵产品性能或系统匹配的问题，应属于特殊情况，不能因此否定空气源热泵技术；另一方面，需要从技术上优化热泵产品和系统，进一步提高设备的效率系数，更重要的是做好系统的优化，降低供水温度。本书将要介绍的柔性供热能够紧贴用户需求，采用灵活精准的供能方式，非常有利于节能，有望把非严寒地区节能建筑的冬季采暖能耗降低至每个采暖季每平方米20kW•h以内。

（3）结霜问题

空气源热泵的室外换热器要比空气温度低5～10℃，当换热器表面温度低于水的冰点温度时，空气中的水蒸气就会在换热器表面结霜。室外换热器结霜是空气源热泵冬季运行不容忽视的问题。空气源热泵结霜后，不仅会造成室外换热器传热热阻增大、传热效率下降，还会造成空气流动阻力增大、风量减小；使换热器换热温差增大，压缩机吸排气温差和压差增大，制冷剂质量流量降低，导致机组耗功增加，供热能力将显著降低。甚至还会造成机组停机保护的恶性事故。结霜问题会严重影响空气源热泵机组的运行性能，是制约其应用发展的关键问题。本书第四章专门介绍空气源热泵的结霜与除霜问题。

（4）噪声问题

锅炉、空调以及地源热泵等设备虽然也有噪声，但这些设备安装在机房内，只需要对机房进行噪声处理而不必对设备本身进行过多的噪声处理。空气源热泵要从空气里取能，必须置于室外空间，无法像锅炉和空调那样可以通过机房与外界隔离，噪声的控制比较困难。本书第五章专门介绍噪声控制方法。

（5）占地问题

空气源热泵室外翅片换热器体积很大、占地很大，再加上无法将其置于地下空间，因此往往占用很大的地上面积。对于寸土寸金的城市而言，这无疑也是巨大的成本。本书第七章专门介绍空气源热泵的布置问题。

空气源热泵在技术上还有很大的发展和提升空间，我们可以为未来的空气源热泵画一个画像：压缩机采用永磁电动机，采用CO2自然工质，采用超声波或其他机械方式进行除霜，室外换热器采用非翅片的紧凑型换热器。永磁电动机可以提高压缩机的效率；CO2自然工质可以减小对环境的破坏，而且可以使空气源热泵有更好的性能；超声波除霜或其他机械除霜方式所消耗的能量只有目前常用的逆循环加热除霜方式的百分之一，而且可以使机组连续供热；非翅片的紧凑型室外换热器则可以大大减小空气源热泵的占地空间。

供热行业正在发生一场深刻的能源革命。燃煤受到严格的限制，燃气则遇到资源不足和成本高的困境。另外，按照传统热力发展方式建设大热源与大热网，存在投资大、施工难、建设周期长、热损大、经济性差等一系列问题。因此，新型能源技术将不可避免地在供热领域扮演越来越重要的角色。

然而，新型能源技术也存在投资大、运行成本高、技术不够成熟、不够稳定等一系列发展瓶颈。

为了破解上述供热发展的难题，编者在空气源热泵技术的基础上，提出了柔性供热的概念。将传统的能源站集成化、标准化、小型化、模块化、智能化，形成清洁高效的能源箱，不需要机房与管网，同时在用户端安装互联网能源输配调节控制装置（简称“智能终端”），实现精准按需供能，最大限度降低能源损耗，所有设备实现互联网云平台远程大数据智能控制。柔性供热既是一种技术，也是一种理念，其目的是紧贴用户需求，灵活方便、经济舒适。