关于住宅用空气源热泵空调、供暖与热水设计要素的思考

王如竹，张川，翟晓强

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

关于住宅用空气源热泵空调、供暖与热水设计要素的思考

王如竹*，张川，翟晓强

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

本文对目前家用空气源热泵空调、供暖与热水系统设计过程中的问题进行了探讨：指出家用空气源热泵空调系统的设计应该更加注重节能性，强调气流组织和湿度控制的重要性，满足人们全年生活的热舒适性要求；提出了针对气候特征的空气源热泵热水器控制策略以及合理评价冷凝热回收空调系统；分析了通过采用小温差末端实现空气源热泵高效舒适供暖来解决夏热冬冷地区冬季供暖的可行性，进而提出了空气源热泵冷热水系统一机多能的系统方案。在此基础上提出通过出台相关标准规范、优化系统的关键参数、研发气候适应性热泵技术，可以有效解决我国大多数地区的供暖和空调问题，促进产业革新与升级。

空气源热泵空调系统；空气源热泵热水器；热舒适性；南方供暖；标准规范

0 引言

近年来，热泵作为一种能够有效提升热能品位的技术得到了广泛关注，其中空气源热泵更是由于其良好的适应性而被大量使用[1]。从上世纪70年代起，我国的空气源热泵产业的发展经历引进、消化吸收、自主创新后，形成了产品涵盖空气源热泵冷/热水机组、空气源热泵热水器等的规模化产业链。2012年国内市场的注册的空气源热泵生产厂家达300余家，具有热泵功能的房间空气调节器生产总量达1亿3千万台[2]。

随着国内节能减排压力的不断加大，以及夏热冬冷地区冬季供暖等的迫切需求，空气源热泵行业一些传统的设计理念开始受到冲击。房间空气调节器最早是为满足制冷舒适性需求，长期以来节省材料、降低成本是家用空调发展的总趋势。随着二氧化碳减排的压力加大，节能以及在空调器产品上实施能效标识已经成为大家的共识[3]。变频技术由于可以根据热负荷自适应调节压缩机的运行，不仅节能，而且也改善了空调的舒适度品质，受到愈来愈多的用户支持。然而空调器最早的设计理念毕竟建立在夏季制冷的需求上，虽然可以具有热泵功能实现冬季供暖，但是由于室内机安置在人的上部（适合制冷条件下的气流组织），不适合于供暖条件下气流组织。由于室内机尺寸总体偏小，冬季供暖就需要比较高的冷凝温度，在室外温度0℃左右时，往往蒸发温度-10℃，而冷凝温度要45℃～50℃，热泵效率明显降低，供热功率不足以满足室内供暖舒适性需求。室外机间断性的热气融霜进一步造成室内制热的间断性。以上状况造成了我国南方地区冬季供暖舒适性不能满足人们要求的呼声，有许多政界人士更是呼吁南方冬季的集中供暖。那么，建立在我国具有广泛产业基础上的空气源热泵能否从根本上解决南方的舒适性供暖呢?这迫切需要技术创新，也需要有合理的适应性供暖和空调标准。这对于制冷空调行业转型升级也有重大作用。

我国空气源热泵热水器产业始于2003年，经过10年的发展已经形成了一个年销售超过60亿元的新兴生活热水产品的产业，众多空调制造商最近5年陆续介入空气源热泵热水器产品，由于缺乏气候特征适应性设计考虑，一种单一的产品设计往往成为销往全国各地的产品，热泵热水器在实际使用中问题不断出现。为了扩大卖点，空调厂商往往把冷凝热回收加热生活用水说成是免费的热水，而没有全面考虑热泵空调和制热水的综合电力消耗，对于(3～5)匹的空气源热泵系统，冷凝热回收问题可能更加突出，不合理的设计方法会造成实际空调系统总的能耗的增加。

基于此本文从空气源热泵空调系统的设计、空气源热泵热水器的设计与运行策略、空气源热泵空调系统解决南方住宅供暖、空气源热泵设计与使用标准的转变四个方面提出了一些新想法，与大家共同探讨，希望起到启发行业内部思考、促进行业内部转型升级的作用。

1 空气源热泵空调系统的设计

利用空气源热泵做冷热源的空调系统均属于空气源热泵空调系统。随着夏热冬冷地区冬季供暖需求的提出，要求南方地区的空气源热泵空调系统不仅具有夏季制冷功能，而且要在冬季能提供较好的供暖功能，从而使空气热泵的全年使用时间大大增加，运行工况也更为复杂。在这种背景下，空气源热泵空调系统的设计需重新考虑下面几点要素。

1.1 从节材向节能转变的系统设计

表1分别基于夏热冬冷地区上海、南京、武汉的气候条件，理论计算了采用R22、R410A制冷剂的普通空气-空气热泵在夏季和冬季的运行工况。其中，蒸发温度和冷凝温度的确定为经验方法[4]；R410A是非共沸混合制冷剂，压缩比定义为相应温度下的饱和蒸汽压力比。从表1可以分析得出以下信息：

1) 空气源热泵的夏季实际运行工况优于名义工况，冬季实际运行工况比名义工况恶劣。以上海地区为例，冬季名义室外空气温度7℃，而上海最冷月的室外平均温度为1.5℃[5]，加之上海地区冬季室外空气相对湿度偏大，势必导致机组运行时“力不从心”，频繁除霜，不能作为建筑的高效热源；

2) 室内末端换热温差偏大，大量㶲损发生在室内末端，降低末端的换热温差有很大潜力[6]；

3) 冬季工况要求的压缩比是夏季工况的150%～200%，因此基于夏季工况设计的机组在冬季运行时能效很低。

解决以上问题的方法总结起来包括优化热力循环(多级压缩或者复叠式循环)、提升压缩机性能、开发新型制冷剂等[7]，本质上这些方法都立足于提升机组本身的性能，但空气源热泵空调系统作为一个整体系统，机组性能和末端性能是相互影响的，如果能够降低末端的换热温差，就能够在保证室内供暖或制冷效果的前提下，降低机组的冷凝温度或者提升机组的蒸发温度，使机组在更有利的工况下运行，提升机组的能效。在换热量一定的情况下，降低换热温差最简单可行的方法就是增大末端的换热面积。事实上，空气源热泵结合地板辐射供暖系统也正是这种设计思想的体现[8]。以R410A空气-水热泵系统的理论循环为例，假定夏季工况下环境温度30℃，如果通过增加末端换热面积使机组的出水温度增加至12℃，机组性能系数(COP)比出水温度7℃高6%；增加出水温度至15℃，机组COP比出水温度7℃高15%；同理，冬季工况下环境温度0℃，如果通过增加末端换热面积使机组的出水温度降低至45℃，机组COP比出水温度60℃高14%；降低出水温度至35℃，机组COP比出水温度60℃高24%。

在能源紧缺且机组使用时间增加的情况下，通过增加室内末端的耗材，采用小温差换热末端提升系统能效，即所谓的“设计由节材向节能要素转变”，应该是空气源热泵空调系统的发展方向之一。从热泵空调产品设计考虑，这实际上是一个全生命周期产品设计问题，即应该综合考虑材料加工的能耗和产品整个生命周期实际使用的能耗。

表1 夏热冬冷地区部分城市空气-空气热泵冬夏季运行工况

1.2 关注气流组织

目前大部分房间空气调节器室内机的出风口都在房间偏上的位置（包括窗式机、挂壁机和柜机），这种安装位置的选择最初也是基于制冷工况。在供暖时，由于热空气的浮升作用，热风往往不进入工作区而停留在房间上部，对于气密性不好的建筑甚至直接渗出。因此，考虑供暖工况之后空气源热泵空调系统的末端位置需要重新考虑。

以上海地区建筑面积20 m2、层高3 m的卧室为例，分别建立两个其他条件相同仅末端安装位置和风口大小不同的模型，对其在夏季制冷、冬季供暖时的房间气流组织进行模拟。模型一的室内末端为普通空调室内机，风口大小0.7 m×0.05 m，出风速度4 m/s，方向为斜向下45°，符合国家相关标准[9]；模型二的室内末端为安装位置较低的新型末端，风口大小0.9 m×0.1 m，出风速度3 m/s，方向为斜向上45°。夏季出风温度为16℃，冬季33℃，两种类型末端的出风量均能满足设计冷热负荷，模型如图1。模拟结果对比如表2所示。

气流组织的模拟基于Airpark软件，室外温度分别为：冬季0℃，夏季30℃。室内热舒适性的评价采用热舒适性投票(PMV)和热环境不满意率(PPD)评价，PMV从-3到3表示感觉从冷到热，PMV为0表示感觉热环境满意（不冷不热）；PPD为0表示对热环境满意，PPD为100%表示对热环境百分百不满意。全年加权PPD按供暖2个月、制冷3个月计算。

图1 某卧室两种不同类型末端下的气流组织模拟模型

从表2可以看出，与普通空调室内机相比，增加了风口大小、降低了安装高度的小温差换热末端，制冷PMV和不满意率PPD较高，略显不足。但是在供暖工况下PMV趋近于0，PPD也明显减小，具有热舒适性的明显优势。综合考虑全年制冷和供暖时间，可以看到小温差末端可以获得全年更好的热舒适性。

事实上，目前夏热冬冷地区冬季采用空气源热泵供暖时不舒适的重要原因之一就是气流组织。对于我国广东、福建等温热带地区，一般需要单冷空调，空调器室内机应该安装在2 m以上的高度，而在采用集中供暖的北方寒冷地区，空调也只是用于夏天制冷，室内机也应该安装在2 m以上的高度。而对于供暖与制冷同样需求的夏热冬冷地区，空调器室内机可能需要安装在室内墙边的低处位置，才能兼顾供暖和制冷的舒适性。

表2 末端形式及安装位置对室内气流组织影响的模拟结果

1.3 考虑湿度控制

目前，家用空调热泵系统对空气的处理是温度和湿度的耦合处理。夏季为了实现降温过程中进行除湿，一般将室内机蒸发温度控制在5℃～7℃，这样可以保障蒸发器翅片表面温度在12℃左右，低于室内舒适性控制的空气露点温度。由于蒸发温度低，制冷COP会受到明显影响。冬季供暖时，热泵室内机只起到加热空气的作用，空气湿度是没有控制的，如果房间温度从5℃上升到20℃～22℃，室内空气的相对湿度会降低到30%的水平，长期的干燥对南方居民会感到不适应。总之，湿度控制在保证空调系统热舒适性和室内空气品质、提升系统能效等方面有重要作用，应该更多地考虑和重视[10]。一台理想的热泵空调系统应该能将空调或供暖的温度和湿度控制在满足舒适性要求的水平，最理想的是温度和湿度可以解耦控制。

湿负荷的处理方式主要有固体转轮除湿、溶液除湿两种，配合蒸发冷却或者蒸发温度为15℃左右的制冷机对空气降温，实现了湿负荷和热负荷的分开处理和独立控制。两种技术在大型空调系统中都有工程应用实例[11]，但在家用分体式空调或者中央空调系统中目前都没有得到大规模推广。为了实现供暖工况下增加室内空气的相对湿度，居民用户不得不通过在室内加装加湿器，来提高空调供暖房间的湿度。日本企业则直接应用了固体转轮安装在室外机机箱内，通过固体转轮对室外低温高湿的空气吸湿，在再生区（电加热）将湿热的空气送入室内，实现了供暖增湿，并同时实现了室内的通风换气。

日本某公司最近研制出了一种新型的湿负荷处理系统DESICA，并将其与高显热的VRV结合，构成一种新型热湿独立控制系统，其原理图[12]见图2。DESICA本身具有压缩机、膨胀阀和两个换热器，通过一个四位换向阀转换制冷剂的流向，两个换热器交替充当蒸发器和冷凝器。换热器的表面涂有吸附式干燥剂，用以吸附通过换热器的空气中的水分或向流进的空气中释放已吸附的水分。在除湿/制冷工况下，换热器1充当蒸发器，高温高湿的空气流经蒸发器降温除湿，换热器2充当冷凝器，低温低湿的排气流经冷凝器增温增湿被排到室外。换热器1的除湿材料吸湿饱和时，DESICA切换工作状态，换热器2充当蒸发器，循环往复，实现不间断地降温除湿功能。在加湿/制热工况下换热器1充当冷凝器，低温低湿的空气流经冷凝器增温增湿送入室内，换热器2充当蒸发器，高温高湿的排气流经蒸发器降温除湿被排到室外。换热器2的除湿材料吸湿饱和时，DESICA切换工作状态，换热器1充当蒸发器，循环往复，实现加湿升温功能。

图2 DESICA除湿原理示意图（左为夏季工况，右为冬季工况）

测试结果表明，与HRV&VRV复合系统相比，DESICA&VRV复合系统能提供更舒适的室内环境：室温维持在21℃左右，湿度维持在50%左右；能耗降低9%，达到了高效节能的目的[12]。

DESICA&VRV复合系统的设计案例说明考虑湿度控制对于空气源热泵空调系统设计的重要性，通过研究高蒸发温度下耦合降温除湿以及冷凝热用于除湿再生的一体式除湿热泵循环，最终形成可推广的温湿度可控家用空调产品，是空气源热泵空调系统的发展趋势。

2 空气源热泵热水器的设计与运行策略

近几年市场上各种空气源热泵热水器频繁涌现，与电热水器相比其节能性不言而喻，一般来说空气源热泵热水器消耗一份的电力可以获得4份的低温位热能（40℃～50℃）。我国市场上空气源热泵热水器产品以采用R22和R410A制冷剂的居多。尽管与空气源热泵冷水机组基本原理相同，但空气源热泵热水器有其自身的运行特点：一方面，生活热水的需求是全年度的，要求热泵热水器具有较高的全年综合能效比，因而热泵热水器设计必需考虑销售用户的全年气候条件，保障热泵热水器安全可靠运行；另一方面，热泵热水器不需要24小时运行，每天运行时间往往在几十分钟到几个小时（取决于用户用水量以及热泵主机功率）。市场上常见的热泵热水器以带储热水箱的为主，因而用户往往会根据气温条件以及峰谷电价来设定运行控制。由于用户用水习惯不同，而且所处气候条件不同，热泵热水器的运行模式和控制策略尤其重要。

2.1 针对气候特征的热泵热水器控制策略

目前针对热泵热水器的研究工作大量致力于解决极端工况下热泵热水器不能运行或者不能高效运行的问题，并以认为我国寒冷地区推广热泵热水器具有实际困难，或者干脆认为空气源热泵热水器不适合于在北方地区推广应用。

图3给出了全国部分城市2011年全年实测气候数据[5]。从图中可以看出对于大部分城市来说，一年之中大多数月份的室外温度高于最小运行工况的室外温度。即使在沈阳这样的严寒地区，一年之中也有接近60%的时间热泵热水器是可以在最小工况下运行的，其COP不低于相关标准规定的3.0（非静态加热式）。而在剩余时间的恶劣工况下，虽然热泵热水器不能将水从自来水温度加热到标准工况下的55℃，但仍可以将水的温度提升到相对较高的温度，起到温度品位提升的作用，然后借助电加热等辅助方式将热水温度加热到需求温度。当然辅助热源的引入会增加热水系统的初投资，要通过经济性分析确定最佳配比点[13]。

图3 全国部分城市的全年温度与空气源热泵热水器的设计工况温度

另外空气源热泵热水器还可以根据每天气温情况进行判断优化运行：例如寒冷地区如果白天的气温能够达到0℃以上，则可以启动热泵热水器加热热水到55℃；如果白天的气温最高在-5℃，则可以启动热泵热水器加热热水到45℃，后期可以通过启动电加热辅助将45℃的热水加热到55℃；如果白天的气温最高在-10℃，则可以用热泵热水器将水预热到35℃，后期再由电加热补热。由于我国北方地区采用了集中供暖，室内温度较高，热泵热水器加热温度到42℃～45℃就可以满足用户用热水需求了。这样可以比较明显提高热泵热水器的实际运行能效。

这种针对当地气候特征控制策略简图如图4所示。图示控制策略与现有运行模式的最大区别在于先根据室外温度信号和该温度下的经验COP判断热泵热水器能否高效运行，如果热泵热水器在设定出水温度和室外温度条件下不能高效运行，就先在保证机组高效运行前提下，确定一个中间温度，然后再利用电加热将热水从中间温度加热到需求温度。这种“先判断再运行”的控制策略就避免了传统热泵热水器直接加热热水直到“力不从心”，再启用电加热造成的长时间低能效运行问题。

图4 针对气候特征的空气源热泵热水器控制策略

另外一种简单可行的解决空气源热泵热水器在寒冷地区运行的方法，就是通过减小机组尺寸，降低机组噪音至50 dB以下[14]，将整体式机组或者分体式机组的室外机放到室内的厨房间、卫生间或者储藏室等对噪声、温度要求相对较低的地方，利用集中供暖少许的室内热量，就可以获得45℃～55℃的生活热水。这类热泵热水器比较适用的热水水箱在80 L～120 L左右，压缩机功率在200 W～500 W左右。这类产品可以充分满足各类气候条件的市场，因为空气源热泵工作在室内微气候条件下运行。

总之，推广空气源热泵热水器时大可不必将关注点集中在极端工况下，通过合理的运行控制策略和安装方式，完全可以实现热泵热水器的全年高效运行。但是生产厂家在销售产品时应该考虑市场所处的气候条件，或者是用户实际的安装条件。

2.2 正确看待冷凝热回收的空调热水系统

冷凝热回收一直是制冷空调行业的热门研究课题，有学者提出将空调冷凝热用于加热生活热水，形成空调热水系统，市场上也有类似空调热水器产品，其原理图见图5。

图5 带冷凝热回收的空调-热水一体机原理示意图（风冷冷凝器和水冷冷凝器串联的情况未表示）

市场上销售厂家对消费者的误导是：假设空调制冷COP=3，冷凝热回收制热水COP=3，销售人员给出的热泵空调热水系统的能效比为6。

对于冷凝热回收的空调热水系统需要区分能效比与综合能效比的概念。只有制冷功能的空调能效比定义是制冷量/输入功率；冷凝热回收的空调热水器的综合能效比定义为（制冷量+制热量）/输入功率。冷凝热回收的机组的综合能效比可达6～7，但不能认为单独的制冷能效比也达到6～7。尤其是对于没有风冷冷凝器，全部冷凝热都靠和热水水箱交换放出的系统，随着水箱中水温的升高，水冷冷凝器的换热效率将越来越低，制冷循环的冷凝温度将越来越高[15]，压缩机的工作条件越来越不利，系统的能效比不断下降。夏季工况下，经常出现的情况是有制冷需求，而水箱中制取好的热水长时间不使用。在这种情况下，就会出现由于冷凝热回收制取热水而影响系统长时间运行COP的“因小失大”问题。为避免这个问题，就要在系统中加入风冷冷凝器，将不能及时排出的冷凝热排到空气中。

以普通家庭100 L的生活用水水箱，进水温度15℃，出水温度55℃为例，分别分析计算3匹机空调保证制冷效果前提下，冷凝热回收模式和分时运行模式的能耗情况，如图6所示。其中，工况1为夏季室外温度35℃，由15℃冷水制取55℃热水，所需时间30分钟，COP为4.0；工况2为夏季室外温度35℃，维持室内温度26℃，COP为3.2；工况3为夏季室外温度35℃，维持室内温度26℃，且同时由15℃冷水制取55℃热水，所需时间55分钟，该时间段内平均COP为2.75。

从中可以看到，夏季工况下，直接将风冷冷凝器用作蒸发器，室外空气作为低温热源，水冷冷凝器作为冷凝器的话，仅需30分钟左右就能较高效提升生活用水温度，因此完全可以利用没有制冷需求的间歇期直接制取生活热水，提升系统能效。

图6 两种不同运行模式下空调热水的COP对比

总结起来，要实现高效的冷凝热回收必须要满足三个匹配，即质的匹配、量的匹配、时间的匹配：在质上，普通家用空调的夏季冷凝温度一般在40℃左右，生活热水的需求温度范围一般在35℃～60℃，如果要制取温度品位在40℃以上热水就需要提高空调原有的冷凝温度，必然降低了系统的能效比；在量上，加热生活热水的需求热量要与冷凝热相当，而一般家庭的生活热水用热远小于冷凝热，热水被加热完成但长时间不使用的话（对于家庭用水经常出现这种情况），大量的冷凝热其实还是通过风冷换热器直接排放了，因此冷凝热回收更适应在宾馆、浴室等用热水量大的场所；在时间上，所谓冷凝热回收只存在制冷工况下，在常年有制冷需求的夏热冬暖地区全年高效节能，在供暖工况下根本谈不上冷凝热回收的问题。

总之，利用空调的冷凝热要真正做到持久高效，最大限度地实现冷凝热的有效利用，决不能“为了冷凝热回收而冷凝热回收”。

3 空气源热泵空调系统有效解决南方住宅供暖问题

近年来随着人民生活水平的提高，长江流域夏热冬冷地区的冬季供暖问题得到了越来越广泛的关注。集中供暖管网初投资大且温室气体排放量大，燃气供暖、电供暖等方式一次能源消耗量高，房间空气调节器供暖时存在着气流组织差、舒适性差的问题，寻找适合南方夏热冬冷地区冬季住宅供暖的高效舒适节能方式有重大意义。

通过使用小温差换热末端降低机组的冬季冷凝温度或者提升机组的夏季蒸发温度，可以提升机组的能效。在上述设计理念下，作者对位于上海交通大学中意绿色能源楼的100 m2住宅的系统进行了系统性能测试（系统配置流程如图7所示，其中换热末端采用安装在室内的小温差风机盘管，该末端可以起到冬季热水供暖、夏季冷水空调制冷的目的）。测试的具体方法以及数据处理分析等可参阅《上海地区空气源热泵结合小温差换热末端供暖空调系统性能的实验研究》[16]，这里只选取几个代表性的图表说明研究结论。

图7 空气源热泵结合小温差换热末端的供暖系统

图8(a)是供暖房间在上海地区冬季1月份典型室外工况下的24小时温度变化曲线，由于室内末端的换热温差较小，故设定机组出水温度在35℃，机组和整个系统的24小时COP变化如图8(b)。从图8可知，在24小时平均室外温度4℃的工况下，室内温度能保持在20℃左右，系统平均COP在3.0左右，达到相同地区空气源热泵热水地板辐射供暖系统的COP[8]，明显超过了相同工况下普通空气源热泵制热的COP。加之这种末端在气流组织和舒适性的优势，设计的空气源热泵结合小温差换热末端的供暖系统真正实现了高效节能的供暖需要。

图8 空气源热泵结合小温差换热末端系统上海地区冬季工况24小时运行情况

在上海地区夏季7月份由于小温差换热末端的使用，设定机组出水温度在11℃，在24小时平均室外温度37℃的工况下，室内温度能保持在25℃左右，机组COP保持在3.0左右，达到了国家二级能效标准。说明所设计的系统不仅能满足冬季供暖需求，在夏季制冷时也具有较高的能效比。

以上系统是建立在采用一台3匹机的空气源热泵基础上，也就是一套住宅采用1台3匹室外机，（4～5）个小温差风机盘管水系统即可以保障夏热冬冷地区住宅的全年热舒适性要求。这里需要说明两点：一是为什么采用风机盘管末端？目前市场上户式热泵空调与供暖系统多是利用地板辐射末端解决冬季供暖，夏季制冷还是依靠室内机或者风机盘管末端，实际上是一套住宅、一套系统、两种末端，经济性比较差，故本文试图利用风机盘管末端同时解决夏季空调和冬季制冷需求；二是风机盘管的小温差传热是怎样实现的？降低末端的换热温差无外乎两种途径，一是增加末端换热面积，工程上也比较容易实现，二是强化末端换热，增加末端传热系数。小温差风机盘管传热，相对于原来传统的中央空调风机盘管（45℃以上热水），同等换热量需要更大的换热面积，作为住宅用室内风机盘管， 往往采用噪声较小的贯流风机结构更加合理。如果以市场5 kW风机盘管配置用于小温差供暖工况（35℃热水），制热量大致在2 kW左右。

实测研究表明利用空气源热泵冷热水机组做冷热源，结合小温差换热末端的分布式空调供暖系统具有较高的全年综合能效比以及舒适性，可以在工程中进行推广应用。

4 低温空气源热泵为北方冬季供暖提供新思路

近年来，北方集中供暖引发的雾霾等环境问题已经严重影响到人们的正常生活；寻求北方冬季供暖的新思路意义重大。那么，空气源热泵在我国北方冬季供暖中有“用武之地”吗？

表3罗列了国内外部分企业的低温空气源热泵性能，2011年北方部分城市冬季最冷月平均温度为：北京-4.5℃、天津-5.6℃、济南-3.4℃、沈阳-17.6℃、长春-19.4℃、哈尔滨-20.9℃。此外，特别值得一提的是2013年格力研发了双级变频压缩机实现-30℃超低温可靠运行，与普通压缩机系统相比，冬季制热量最高提升40%以上，-20℃时出风口温度可达50℃。对比表中数据可以看到，低温空气源热泵基本上具备在我国北方推广应用的条件。

表3 国内外部分企业的低温空气源热泵性能

同时，可采用以下技术方案进一步提升热泵的能效。优化热力循环：双级压缩、复叠压缩、双级耦合等；开发新型制冷剂：非共沸制冷剂、CO2制冷剂等；优化压缩机工作过程：低压补气、喷气（液）冷却等。可以肯定地是，随着低温空气源热泵技术的发展和成熟，应用空气源热泵解决北方供暖问题，缓解环境压力完全有可能。应通过示范应用到逐步推广的方式推进低温空气源热泵在我国北方地区供暖中的应用。同时必须降低供暖标准所设定的热水温度，小型住宅用热泵热水供暖系统采用35℃热水的小温差换热末端即可以达到舒适性要求， 这样可以大大拓宽空气源热泵热水及供暖系统的气候适应性以及节能性。

5 空气源热泵设计与使用标准的升级与转变

上面是关于空气源热泵空调、供暖与热水设计要素的一些思考，并期望能够给我国空气源热泵产业的设计制造带来一些理念上的变化。但是上述想法要想得到规模化的工程应用和推广，必须有相关的标准规范作指导。

当前有关空气源热泵热水器/冷热水机组的主要国家标准包括GB/T 23137-2008《家用和类似用途热泵热水器》[17]，GB/T 21362-2008《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》[18]，GB/T 18430.1-2007《蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组第1部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组》[19]，GB/T 18430.2-2008《蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组第2部分：户用及类似用途的冷水（热泵）机组》[20]，GB/T 25127.1-2010《低环境温度空气源热泵（冷水）机组第1部分：工业或商业用及类似用途的热泵（冷水）机组》[21]，GB/T 25127.2-2010《低环境温度空气源热泵（冷水）机组第2部分：户用及类似用途的热泵（冷水）机组》[22]等。从中可以看到最重要的一点就是商用和家用机组标准有别，设计小型系统不能照搬大型系统的参数和模式。这也是为什么本文着重对住宅用空气源热泵制冷、供暖与生活热水进行思考的原因。

1）要将节能设计的理念明确在标准规范中。前面指出空气源热泵设计过程中要注重节能性，对此国家标准和行业规范应该给出引导性的评级体制，形成像冰箱、房间空气调节器一样的能效标准，对符合节能设计的产品予以相应补贴，引导行业的发展方向。

2）突出湿度控制和气流组织在空气源热泵设计规范中的作用。前面提到气流组织和湿度控制对空气源热泵空调供暖系统的舒适性、节能性有很大的影响，但当前有关机组和系统的规范中对这方面涉及比较少，突出气流组织和湿度控制在系统设计中的作用应该是新一代标准中需要考虑的问题。

3）对于空气源热泵结合小温差换热末端的南方冬季供暖系统，当下设计中遇到的主要问题是小温差换热模式下机组和末端的性能没有明确给出。以冬季供暖为例，国内很少有厂家给出风机盘管末端在低进水温度下的制热量，也很少有厂家给出机组在相应出水温度下的制热量，这就导致设计人员在选型时只能根据经验推算或者出现选型过大过小的情况。应该尽快在规范中填补此类空白。

4）通过优化热力循环、开发新型制冷剂等技术创新措施推动低温空气源热泵技术的发展，完全可以使低温空气源热泵在解决我国北方冬季供暖上发挥用武之地，缓解当前由于北方冬季集中供暖带来的环境问题。尤其是在我国大步走向城镇化的背景下，制冷暖通行业必须能提供满足人民舒适性基本需求、明显节能而且初投资低的户用供暖与空调系统。

5）目前我国关于空气源热泵空调、供暖、热水系统已有部分相关国家标准[17-22]，但这些标准都立足于空气源热泵冷热水机组或者空气源热泵热水器本身的性能评价。而正常家庭对冷热的需求无外乎夏季制冷、冬季供暖以及生活热水，通过合理的系统设计，完全可以利用热泵满足这三种需求，形成热泵家庭能源中心[23]。可以预见，热泵家庭能源中心的产品会像空调、热水器一样实现批量化生产和应用，而在这种推广过程中我们需要一部相关规范来对产品中的核心部件、关键参数、控制模式等做定型和推荐，出台关于此类产品的标准也具有重要意义。

总之，通过出台相关规范做指导，在政府、企业和科研院所的共同努力下，一定可以实现我国空气源热泵行业的新发展，推进我国制冷空调行业的转型升级，为解决惠及广大百姓的制冷供暖与生活热水问题提供高效节能的新出路。

参考文献

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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：制冷空调中的能源利用等。联系地址：上海市上海交通大学机械与动力工程学院A楼404室，邮编：200240。联系电话：021-34206548。Email：rzwang@sjtu.edu.cn。

中国制冷学会2013年学术年会大会主旨报告。