深度解析热泵市场与全类型特点详解

《气-水式空气源热泵系统》能效是当前历史时期的首要目标之一。“翻新改造浪潮”战略的目标是到2030年在欧洲实现3500万座建

《气-水式空气源热泵系统》

　　能效是当前历史时期的首要目标之一。“翻新改造浪潮”战略的目标是到2030年在欧洲实现3500万座建筑的深度能源革新改造。

　　能源革新涉及到诸多领域，从生产到使用，从原材料开始，经过加工方式、运输和销售，直到使用甚至回收利用或处理。

　　这种革新氛围显然也影响了空气调节行业，其中热泵（以下简称PDC）在实现欧盟新的减碳目标方面发挥着重要作用：这方面的技术是实现可再生和智慧能源系统的关键。

　　热泵在供暖和制冷领域的生态转型中的作用正变得越来越重要。随着各国落实欧盟和国家战略，热泵在可再生能源消费中的作用会逐年提高。以下我们简要介绍意大利和欧洲未来几年促进热泵发展的规范框架。

规范框架

　　《京都议定书》于2005年生效，是各国间达成的第一个应对全球变暖的国际协议。

　　欧盟落实《京都议定书》倡议，通过了气候和环境保护措施：能源相关产品指令 (ErP) 和能效标签指令 (ELD)。最终目标是通过一套评估空气调节系统和产品性能的新方法，从而提高各国空气调节系统的总体性能。《京都议定书》的第一个目标名为“20-20-20”，按计划应在2020年内实现，是一个“气候和能源一揽子方案”。

　　2030年的主要目标则集中在“气候和能源框架”中，重点是减少温室气体和土地使用规范。然而，欧盟委员会的长期战略愿景是到2050年成为一个气候中和经济体，目标是世界气温上升保持在2°C以下，甚至将这一限制降低到更低的1.5°C。

　　只有按2050年（翻新改造浪潮）愿景，在协调能效和可再生能源利用的基础上，确定和落实对现有建筑的节能改造战略，这些目标才能实现：在这种情况下，热泵的作用将至关重要。

热泵的能源相关产品指令

　　2015年，能源相关产品指令(ErP)引入了所有卫浴热水生产和供暖设备最低性能要求的规定。

　　所有产品必须附带能源标签，为用户提供简单而确切的信息，方便快速比对。除了能效等级（从 A +++ 到 G）外，热泵标签上的技术数据必须显示输出的热功率和噪音。

　　2019年9月以来，最低效率等级（从 E 到 G）已被淘汰，通过引入A +++等级，高性能热泵更加容易识别。

生态标签指令

　　如果说热泵和锅炉的性能要求受Erp指令的规范，那么生态标签指令关注的就是说明如何向消费者提供有关这些产品的信息，只有清晰易懂的信息才能激励人们购买最节能的产品。

　　从2015年开始，提供生活热水的热源设备也必须贴有能效标签。产品（或多个产品组合的系统）标签必须显示所达到的能效等级，从A +++到D。

建筑能效指令EPBD

　　建筑行业对实现欧盟设定的能源和环境目标至关重要。为此，欧盟委员会建立了一个立法框架，其中包括关于建筑物能效的指令，即EPBD（建筑能效指令）。

　　该指令倡导的政策将帮助欧盟各国政府到2050年提高现有建筑的能效。建筑能效指令所倡导的主要支持措施包括：确定更换或改造供暖和制冷系统的最低能效要求的必要性、采用智能技术如调节单个房间温度的控制和自动化系统，以及使用机械通风等清新空气的系统。建筑能效指令与其他措施并举，将发挥现有和未来建筑的能效潜力：高效住宅确保最终用户节约经济成本和污染更低，改善居住环境质量。

锅炉市场

　　意大利安装的锅炉数量超过1900万台，包括独立和集中式系统，大部分是低效率、高能耗和高排放的老旧设备。

　　更糟糕的是，据估计，有超过700万台锅炉在90/396/EC燃气设备器具指令之前安装的，即超过了 20 年。

　　佰世越管理咨询有限公司的一项研究指出，欧洲七大国从2006年至今每年售出和安装约500万台锅炉。特别是在意大利，近年来每年售出和安装约750,000台锅炉。

　　一方面冷凝式锅炉正在逐步取代性能较差的传统锅炉，而另一方面，向热泵的过渡趋势才刚刚起步。

热泵市场

　　佰世越管理咨询有限公司的市场分析指出，自2017年以来，欧洲市场上安装的水媒热泵数量以年约10%的速度增长。

　　这一趋势在2022年也得以证实，预计每年约安装一百万套。分体式和整体式气-水式空气源热泵占据了新安装部分最大份额，用于空调和卫浴热水的二合一或者单独的卫浴热水。

　　水-水式，即那些使用地层水、地下热能（地热）和热回收水源作为冷/热源的热泵，起到了补充作用，而且数量稳定。

　　尽管有国家法规和激励措施的大力推动，热泵市场取得了重大发展，但欧洲每年安装的热泵和锅炉之间的比例仍然严重不平衡。以市场目前的增长速度（图5），假设每年锅炉减少的数量与热泵增加的数量相等（图4），那么仍然需要12-15年两个市场才会有对等的数量。

热泵类型

　　热泵将低温环境的热能转移到高温环境，我们称之为外源和内源。热泵利用约75%的免费能源（来自太阳，储存于空气、水和土壤之中）以及25%的电能，以确保夏季和冬季最佳的室内舒适度。

工作原理

　　热泵与普通冰箱有一个类似的工作原理：通过冷媒的热力学循环实现制冷，冷媒根据其运行时的温度和压力状态，可以呈液态或气态。

　　[详见《水力杂志》第33期 ]

　　根据想要达到的实际效果，即给室内环境供暖或制冷，设备可以被定义为热泵或制冷机，它通过适当的膨胀阀将冷媒吸收或散发热量，导向室内或室外环境。这些设备亦称为可逆制冷循环或简单的制冷侧可逆。

基于压缩机类型的热泵分类

　　冷媒压力和温度升高的阶段（步骤3，图6）可以通过多种方式进行，其目的都是为冷媒流体提供能量。目前最普遍的方法是由电动机驱动的压缩机，当然也有其他方法，尽管还属于小众应用，不过具有可以利用和方便划算的特性。

电机驱动的压缩机热泵

　　由于电机的多功能性和经济性，以及电力作为能量介质的便捷，这种热泵最为普遍。压缩机有多种类型，最常用的有涡旋式、摆动式、螺杆式或磁悬浮式。

　　说到优点，有低成本、低维护和无需辅助系统（因为它们通常是自冷却的）。不过热泵，供水温度有限，并且由于启动电流高（部分功率用于电子设备缓冲）而导致高耗电量。

内燃机驱动的压缩机热泵

　　在此类热泵中，压缩机由内燃机驱动，内燃机通常由燃气提供动力并且是由汽车衍生而来的。这些机器也称为GHP（燃气热泵）或GEHP（燃气发动机热泵），优点是能够利用发动机的废气和冷却回路散发的热量来提高供水温度。正是基于这些原因，在更换燃气锅炉、特别是大功率锅炉的升级改造中不失为一个有效的替代方案。

　　它的主要优点是使用燃气和产生高温水。但是投资和维护成本高，在电力受限的场景下可以派上用场。

吸收式热泵

　　吸收式热泵和电力（或燃气）热泵最显著的区别是没有压缩步骤，取而代之以两个完全不同的步骤：发生和吸收。

　　在吸收器中，来自蒸发器的气态冷媒被一种流体（称为吸收剂）吸收并返回液态。随后，产生的流体（吸收性更强的冷媒）被泵入发生器，在那里，由于外部热量输入（例如来自热电联产机组、区域供热网络或工业过程），将冷媒在高温高压下输出。

基于热源类型的热泵分类

　　冷源（或外部源）可以是：空气、水或地表层。空气可以是外部空气或在某些情况下是热回收空气（由通风系统或工业冷却回路排出），水可以是地表水、地下水或源自冷凝回路的水，地表层里的热量通过被称为地热盘管的特殊交换器吸收。热源（即系统流体或内部源）可以是：空气（当热泵直接加热房间中的空气时）或水（当热泵加热水用作供暖回路中的介质时）。

气-气式热泵

　　此类热泵配备有空气/冷媒交换器。冷源是外界空气，取之不尽，但是温度波动大。由于暴露在非常低的外部温度下，它们需要定期除霜。

　　分为两类:

分体式。朝向冷源的交换器和制冷回路的其他部件位于室外，而朝向热源的交换器位于需供暖/制冷的房间内。交换器通过有冷媒的管道连接。

风管式。整个冷媒回路在一台设备中，空气通过管道输送到住宅内。

　　分体式气-气系统通常用于小型住宅和商业环境，因为制冷回路成本低且占地小。

　　而风管式系统更多地用于购物中心、剧院和有架设管道条件的生产环境。

气-水式空气源热泵

　　气-水式空气源热泵可以吸取空气中免费能源，并将其以热能形式传递给水。与气-气式热泵不同，以水为介质的热量传送技术保证了系统解决方案具有广泛通用性。因此，可以在住宅领域（带有散热器、风机盘管、地暖等）和第三产业以及工业领域（带有服务于空气处理单元的机组）使用气-水式空气源热泵。

　　另外，系统适用性强对于那些有燃气热源的系统来说，可以在不对整个系统升级改造的情况下保持现有的供暖系统。

　　其局限性在于功率和能效比的变化，供水温度有限。

水-气式水源热泵

　　利用从井中抽取的地下水作为冷源，将专门的水力回路（例如冷凝环）作热源。

　　通常安装在屋顶上，不过特殊情况下，出于空间或美观的原因，也可能放置在室内并与分体机连接。

　　这种类型很少用到，因为它们需要打井取水，要进行地质分析并有取水许可。

水-水式水源热泵

　　冷源和热源都通过水实现热交换。

　　冷的一侧从水中吸取能量，这些水通常取自地下水（常指潜水层）或地表水，如湖泊、河流或海洋。热源—侧使用传统的供暖系统。

　　运行稳定性和优异的性能是这些设备的优点。此外，它们可以在相对有限空间里输出较大的功率。

　　其局限性在于可获取热量的水源有限，而且需要相应的许可。这类热泵，还有一些特殊的应用，它利用回收热量工作，例如工业过程的冷却回路。

　水-水地源热泵

　　水-水式地源热泵，使用水作为媒介，与冷源地表层进行热交换。

　　交换器由埋入地下的塑料管道组成，称为“地热盘管”：它们向下延伸（垂直盘管）或纵横浅层地面（水平盘管）获取地表层热量。

　　地源式热泵，和水源式热泵一样，在与冷源进行稳定热交换的条件下运行，因此，它们不需要除霜循环。

　　与水源式热泵不同，它们不需要有水源存在。

　　不过地热盘管的铺设成本非常高。

气-水式空气源热泵

　　气-水式空气源热泵最常用于家庭供暖。与其它冷媒循环系统相比，它们普及的主要原因是：

多功能性。它们可以连接到传统的水暖系统，不管是既有的还是新建的。利用空气作为冷源，它们可应用于任何可以安装室外机或能够架设适当风道的环境。

低成本。与其它类型的热泵系统相比，安装成本低，不需要复杂的辅助系统例如取水和回灌工程、打井或铺设地热盘管道。

　技术持续发展。近年来，技术创新上取得长足发展：功率输出管理得到提升，效率提高，所能达到的最高供水温度升高和可靠性增加。

　　不过，此类设备也有一些局限:

高峰值耗电。设计选型通常考虑的是最不利的条件（外部气温），这会导致超配，特别是与其他类型热泵相比用电峰值更高。因此，与采用其他技术的同等热泵相比，一般需要更大功率。

除霜循环不可缺少。在某些条件下，外部空气中的湿气会在设备的热交换器上结冰，从而影响热交换和正常运行。为了恢复正常运行，要进行反向循环，加热交换器，融化凝结的冰层。这些循环造成能源消耗，不利于提高效率和节约成本。

性能受制于水和空气的温度。气-水式热泵的性能和运行成本取决于向系统供水的温度和外部的空气温度。针对此类设备的系统设计上的疏忽或调节不当会导致高耗能。

噪音。室外机要有合适的空间，以确保适当的空气交换。此外，对于这些单元的噪音水平必须作适当评估，有时需要安装适当的隔音屏障。

室外一体机式热泵

　　整体式热泵由单一设备组成，设备内部包括制冷回路的所有元件：水/冷媒板式交换器、压缩机、膨胀阀和允许空气/冷媒在蒸发器中进行热交换的风扇等。

　　水力回路的一些元件可以集成到设备中，例如循环泵、水流开关、膨胀罐、排气阀和安全阀等。

　　主机直接通过管道与室内系统相连，管道将技术用水从设备输送到建筑物内。

　　室外一体机在所有那些需要节省设备空间的建筑内优势明显。

室内一体机式热泵

　　带风扇的整体式热泵，风扇在空气交换器上，其扬程能够允许管道送风。

　　有些型号的送风和出风都可以利用管道；而其它型号，只有排气管道，而直接从安装环境中吸取空气。这些环境必须配备适当的开口，以确保设备需要的新鲜空气进入。

　　它们主要用于那些出于美观原因无法安装外机的地方。

分体式热泵

　　与整体式不同，分体式热泵由位于建筑物内部的室内机和与空气进行热交换的室外机组成。室内机的主要部件包括：水/冷媒板式交换器、循环泵、水流开关、膨胀罐、排气阀和安全阀等。

　　室外机则包括压缩机、冷媒循环泵、膨胀阀和通过外部空气与冷媒流体进行热交换的风扇。

　　两个单元之间采用高压冷媒管道连接。

　分液热泵

　　分液热泵概念上类似于一体式热泵，只是室外机里的水路组件和电子元件全部挪到室内机中，这样维修维护更为方便。

　　两个单元通过水路管道连接。

热泵的噪音控制

　　空气源热泵的室外机可能会给系统所服务的住宅或相邻建筑带来噪音和振动困扰。因此，安装和选址时要多加留意。

　　噪音传播可以通过:

　　固体: 设备振动产生的噪音通过建筑传播；

　　空气: 噪音通过空气传播。

　　为了降低噪声的固体传播，必须：

　　安装合适的防震支脚支撑设备，尤其设备位于住宅上方屋顶或阳台上时;

　　将设备安装在与房屋结构分离的地基上，例如花园。

　　为了降低通过空气传播的噪声，有必要 ：

　　设备安装不要靠近门窗等地方，尽可能越远越好;

　　注意防止噪声的反射;

　　安装适当的隔音屏障或顶篷。如果可能出现声波反射现象，隔音屏障也必须是吸音的。顶篷必须确保适当的空气流通，以保证设备正确运行。

　法律限制

　　噪声排放受法律限制，检测标准规定:

　　绝对检测: 对噪声发射值（在噪声源附近测量）和输入值（在要检测的点附近测量）设置一个限制。这些限制值因区域类型（例如住宅区和工业区）以及日夜时段而异。在夜间住宅区的情况下，发射限值设置为40分贝，噪声输入限值设置为45分贝。

　　差值检测: 噪声源开启和关闭时的噪声输入（在检测点附近测量）之间的差值。夜间这种差值不得超过3分贝。