熱泵技術的應用現狀與發展前景

　　【中國制冷網】熱泵作為一種由電力驅動的可再生能源設備，獲取環境介質、余熱中的低品位能量，提供可被利用的高品位熱能，熱泵每消耗1份能量，可以獲得3倍甚至更多的熱量，很大程度上提高了能源的利用效率，是一種高效節能的清潔能源產品。另外，采用熱泵技術進行熱回收，以及采用不同的技術對余熱熱源進行充分利用，可為國家有效節約大量能源資源。熱泵不僅能夠同時兼顧夏季制冷和冬季供暖以及熱水制取，還可以在工農業生產、國防建設等國民經濟的諸多領域發揮作用，應用潛力巨大。

　　近年來，嚴重的霧霾已經影響了人民的正常生活。特別是2016年秋冬季以來，霧霾已經成為全國性的污染問題，影響范圍大、污染程度重、持續時間長，成為人民群眾的“心肺之患”。特別是包括京津冀的華北、東北、黃淮等地區，多次PM2.5濃度超過500微克/立方米，霾區面積超過百萬平方公里。如何解決霧霾問題，為人民營造一個和諧健康的生態環境，還子孫萬代一個綠水青山，已經成為擺在各級政府及社會各界面前迫切需要解決的重大任務和攻堅目標。

　　黨的十九大報告強調，要著力解決突出環境問題，堅持全民共治、源頭防治，持續實施大氣污染防治行動，打贏藍天保衛戰。2016年12月，中央財經領導小組在第十四次會議，即研究“十三五”規劃綱領重大工程項目進展和解決好人民群眾普遍關心的突出問題工作會議中強調，推進北方地區冬季清潔取暖等6個問題，都是關系廣大人民群眾生活的大事，是重大的民生工程、民心工程。推進北方地區冬季清潔取暖，關系北方地區廣大群眾能否溫暖過冬，關系霧霾天能不能減少，是能源生產和消費革命、農村生活方式革命的重要內容。要按照企業為主、政府推動、居民可承受的方針，宜氣則氣，宜電則電，盡可能利用清潔能源，加快提高清潔供暖比重。在推進北方地區冬季清潔取暖，打贏藍天保衛戰的征程中，熱泵作為一種節能環保的解決方案，一定能夠發揮應有的積極作用，為國家的環境保護和民生保障做出更多的貢獻。

　　1、推動熱泵應用的政策和行動

　　1.1 國家層面的政策和法規

　　近年來，國家高度重視環境污染的防治工作。2013年國務院發布了《大氣污染防治行動計劃》，隨后國家發改委、環保部、能源局、財政部、住建部等中央多個部門聯合發布了與推動熱泵應用相關的多項政策和措施（表1）。這些政策和措施主要涉及以下幾個方面的內容：

　　1） 積極發展綠色建筑，政府投資的公共建筑、保障性住房等要率先執行綠色建筑標準，新建建筑要嚴格執行強制性節能標準。

　　2） 大力推動清潔能源的利用，北方地區嚴厲禁止散煤使用，推動“煤改電”、“煤改氣”的應用。

　　3） 推動工業余熱的綜合利用，鼓勵“熱-電-冷”三聯供，繼續做好工業余熱供暖，大力發展熱泵、蓄熱及中低溫余熱利用技術，進一步提升余熱利用效率和范圍。

　　4） 在北方居民供暖領域，燃氣（熱力）管網覆蓋范圍以外的學校、商場、辦公樓、農村等場合，積極推進各種類型電供暖。根據氣溫、水源、土壤等條件特性，結合電網架構能力，因地制宜推廣使用空氣源、水源、地源熱泵供暖發揮電能高品質優勢，充分利用低溫熱源熱量，提升電能取暖效率。

　　5） 在長江中下游地區推廣熱泵供暖。

　　6） 推廣熱泵烘干技術的應用，比如在茶葉、烤煙、檳榔、木材等生產制造領域。

　　7） 要求各地方政府根據自身實際情況，有效利用大氣污染防治專項資金等資金渠道，通過獎勵、補貼等方式，對符合條件的電能替代項目、電能替代技術研發予以支持。

　　1.2 地方政府層面的政策法規

　　在推動熱泵應用國家層面的政策影響下，各個地方政府也出臺了多項的配套政策和激勵措施（表2），對采用熱泵等清潔能源利用方式給予大力扶持和補貼。

　　1.3 熱泵相關的標準

　　熱泵行業的健康發展離不開標準的支持，目前我國已經建立了較為完善的產品標準體系，包括方法及安全標準、主機產品及部件標準、能效標準、設計及安裝使用等標準。

　　在十年前，行業就專門制定了用熱泵制取熱水產品的標準，包括GB/T 23137—2008 《家用和類似用途熱泵熱水器》和GB/T 21362—2008《商業或工業用及類似用途的熱泵熱水機》。在現有制冷空調行業的一些產品標準中，很多也包括了對熱泵的要求和規定，例如房間空調器、單元式空調機、冷水機組等產品標準中都涉及到熱泵型產品的相關內容和規定；同時行業內還針對熱泵產品應用的低環境溫度等條件制訂了很多專用標準，如GB/T 25127.1—2010《低環境溫度空氣源熱泵（冷水）機組第1部分：工業或商業用及類似用途的熱泵（冷水）機組》、GB/T 25127.2—2010《低環境溫度空氣源熱泵（冷水）機組第2部分：戶用及類似用途的熱泵（冷水）機組》、GB/T 25857—2010《低環境溫度空氣源多聯式熱泵（空調）機組》等。

　　為了配合熱泵相關產品國家標準的貫徹執行和配套落實，行業及社會團體也配套制定了多項專用標準，在實際工作中發揮了重要的作用。比如中國制冷空調工業協會在2009年就制訂并發布了相關的協會標準CRAA 311《熱泵熱水系統設計、安裝及使用規范》。


　　1.4 推動熱泵應用的行動

　　在國家和各個省市發布的促進熱泵應用的政策和措施的激勵下，熱泵的應用和推廣取得了良好的成效。根據環保部、發改委等十六部門于2017年8月21日發布的《京津冀及周邊地區2017—2018年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》，京津冀及周邊地區需要全面完成以電代煤、以氣代煤任務。2017年10月底前，“2+26”城市完成以電代煤、以氣代煤300萬戶以上。北京市、天津市、廊坊市、保定市2017年10月底前完成“禁煤區”建設任務，散煤徹底“清零”。

　　根據相關的數據統計，在北京市，2016年超過15萬農戶完成了空氣源熱泵的供暖改造，2017年有約30萬農戶完成空氣源熱泵的供暖改造。在天津市，2016年完成煤改空氣源熱泵約3萬戶，2017年煤改空氣源熱泵約10萬戶。在河北省，2016年逐步開始煤改空氣源熱泵，2017年煤改空氣源熱泵約4.5萬戶。

　　除京津冀地區以外，全國其他一些省市也圍繞清潔能源替代工作展開了行動，如河南省在《河南省電能替代工作實施方案（2016—2020）》中提出，到2020年，累計推廣熱泵應用1億平方米。山東省在《關于加快推進電能替代工作的實施意見》里也提到2016年—2020年，力爭新增熱泵面積5 000萬平方米以上。

　　2 、熱泵市場的發展現狀

　　目前市場上的熱泵產品主要有空氣源熱泵、水（地）源熱泵、熱泵熱水機、吸收式熱泵等。據中國制冷空調工業協會統計，2016年我國工商用熱泵產品的產值超過530億元；而在家用房間空調器市場中，絕大部分產品也是熱泵型的，大約占到總產量的70%。

　　2.1 空氣源熱泵機組

　　空氣源熱泵是從空氣中吸收熱量進行制熱（制冷）的熱泵空調裝置，應用場合廣泛、安裝使用靈活，隨著低溫空氣源熱泵機組應用逐步成熟，未來空氣源熱泵的應用范圍及地域將繼續得到擴展。空氣源熱泵機組主要包括：空氣源單元式空調（熱泵）機、空氣源多聯式空調（熱泵）機組、空氣源屋頂式空調（熱泵）機組、空氣源風管送風式空調（熱泵）機組、風冷冷（熱）水機組等產品。圖1是我國空氣源熱泵機組近年來的銷售產值情況。

　　2.2 熱泵熱水機（器）

　　熱泵熱水機（器）將低品位熱源（如空氣、土壤、地下水和地表水等）的熱量轉移到需要加熱的水中，實現制取熱水的設備。近年來，熱泵熱水機（器）取得了快速發展（詳見圖2）。在協會等相關機構的積極推動和建議下，高效節能空氣源熱泵熱水機（器）于2012年6月被列入國家“節能產品惠民工程”補貼范圍，從國家層面推動了熱泵熱水機（器）的普及及應用。2013年10月，《熱泵熱水機（器）能效限定值及能效等級》的s*次實施，帶動了該行業能效升級及產品技術的進步。未來在國家政策的引導下，熱泵熱水機（器）市場規模還將進一步擴大，將會有越來越多的家用及工商用途領域用戶采用這種節能高效的熱水設備。

　　2.3 水（地）源熱泵機組

　　水（地）源熱泵機組是相對于空氣源熱泵機組而言，以水/土壤為熱源進行熱泵型制熱的空調裝置，熱源可以是江河湖水等地表水以及地下水和土壤等。這類產品中地下水源及土壤源型熱泵占據了較大的份額。雖然地下水源及土壤源熱泵在一些特殊政策的引導下過去十余年間經歷了一個相對較快的發展時期，但由于地下水式水源熱泵存在的水源回灌困難、可能對地下水體造成污染等問題，近年來已有多個省市出臺了限制地下水式的水源熱泵的使用政策，導致地下水式水源熱泵的應用呈現出逐步減少的態勢。另外，土壤源熱泵的熱平衡處理以及可能存在的影響生態平衡的地質環境變化等問題，加之我國建筑物的高密度環境給其應用帶來的制約等也導致土壤源熱泵的應用增長缺乏動能。圖3是我國水（地）源熱泵機組2011年—2016年的銷售產值情況。

　　2.4 吸收式熱泵機組

　　我國吸收式冷水機組的大規模市場化應用開始于上世紀80、90年代，當時嚴重的供電缺口和高額的用電增容費用，為吸收式冷水機組在空調領域的大量推廣使用起到了極大的助推作用。進入新世紀之后，隨著國家電力供應短缺問題的化解，吸收式冷水機組在空調領域的應用逐步減少，而應用于工業領域的吸收式熱泵機組的市場份額則呈現出不斷增加的態勢，這主要是吸收式熱泵機組在工業熱回收領域的適用性及良好的節能效果所帶來的新的市場擴張所致，這其中發電行業又是近些年來吸收式熱泵進行余熱回收應用的主要領域，這與我國絕大部分的電力來源仍以燃煤發電為主有關。但與蒸氣壓縮機循環熱泵機組相比，吸收式熱泵設備體積比較大，燃氣和燃油的熱泵運行成本比較高，燃油的尾氣環境污染還比較嚴重；并且隨著近年來國家電力供應狀況的改善以及可再生能源利用的力度不斷加大，新建燃煤電廠的比重在逐漸減少，已有熱電廠的技術改造也逐步完成，因而吸收式熱泵在這一余熱回收領域總的市場應用規模呈現出逐漸縮小的態勢。而圍繞著工業節能和余熱廢熱回收利用的這個大課題和大蛋糕，目前行業相關企業在不同工業領域開展積極研究和探索，吸收式熱泵技術在其他領域的應用，開發新的熱泵技術應用市場，相信未來吸收式熱泵機組在更多的特定領域仍然有相當大的市場空間，在為節能減排事業做出貢獻的同時也會迎來新的增長機遇。圖4是我國吸收式熱泵機組2011年—2016年的銷售產值情況。

　　3、 熱泵的關鍵技術和需解決的問題

　　3.1 空氣源熱泵

　　對空氣源熱泵來說，大家比較關注的關鍵技術包括換熱器除霜、低環境溫度下性能的改善、增加可靠性等問題。

　　1） 低溫性能的改善

　　國內很多學者就空氣源熱泵在低環境溫度下熱量衰減和能效降低的問題都進行了很多研究，目前低溫性能的改善和可靠性的提高主要有以下技術：

　　a.變頻技術：變頻技術的原理就是增加壓縮機的轉速，提升制冷劑循環量，來提高制熱量。同時，缺點是不能解決壓縮效率降低及排氣溫度高的問題。

　　b.雙級壓縮技術：雙級壓縮技術的原理是通過二次吸氣，提升有效制冷劑循環量及制熱量，并顯著提升熱泵在極低環境溫度下的效率。缺點是造價升高、變工況及低壓比制熱效率低。

　　c.雙級耦合技術：雙級耦合技術的原理是用水循環管路將兩套單級熱泵系統耦合起來，組成一套適合于寒冷地區應用的雙級熱泵供暖系統。解決北方嚴寒地區空氣源熱泵供熱時壓比大、運行效能差的問題。此項技術的優勢在于在低溫環境下，第一級供水溫度可降低，以降低排氣溫度；可有效地解決排氣溫度過高、低溫工況下性能衰減嚴重的問題；運行調節穩定，便于控制。相對于普通的單級熱泵系統，雙級耦合系統多了一套單級熱泵系統和耦合用的水循環管路，由此帶來成本較大提高。

　　d.渦旋壓縮機補氣技術：該技術的原理是通過中間補氣，提升有效制冷劑循環量，降低壓縮損失，實現容量和效率雙提升。該項技術在近年北方地區煤改電中得到了廣泛應用。缺點是在極低溫工況性能提升不及雙級壓縮。

　　e.三缸雙級變容積比壓縮機：該壓縮機s*次在單臺壓縮機上實現了可變容積比的雙級壓縮，根據工況調整容積比，使壓縮機在各工況下效率z*大化，搭載該壓縮機的空氣源熱泵可實現-35 ℃~54 ℃寬溫范圍穩定運行，在室外環境溫度低至-25 ℃時熱泵制熱量仍不衰減，取消了其它輔助加熱手段。該壓縮機的開發難度高，制造成本也有一定的增加。

　　2） 除霜及無霜技術

　　空氣源熱泵運行受環境影響比較大，在低溫環境下的結霜問題明顯。目前，針對除霜問題，種類方法很多。常用的除霜方式有電加熱除霜、逆循環除霜和蓄熱除霜等方式。

　　a.逆循環除霜：逆循環除霜技術利用四通換向閥改變制冷劑流向，機組逆向運行，除霜能量來自壓縮機耗功和從室內吸收的熱量，使制熱狀態變為制冷狀態，室外機變為冷凝器進行除霜。這種技術在除霜過程中，會從室內吸熱，降低了房間的舒適性，而且四通換向閥頻繁動作會導致易耗損等問題。

　　b.蓄熱除霜：原理是將蓄熱技術和除霜技術有機結合起來。采用相變材料在供熱過程中蓄存熱量用于除霜，解決除霜時熱源不足的問題，縮短了除霜時間，但是成本明顯增加。

　　c.無霜技術：利用固體/溶液除濕換熱器s*先對被處理的空氣進行除濕，從而抑制或延緩結霜。然而，隨著干燥劑吸收水蒸氣能力的減弱，抑制結霜的作用也逐漸失效。

　　3.2 水（地）源熱泵

　　水（地）源熱泵具有能效高、運行穩定的特點。對于地下水、地表水和土壤等不同熱源的機組，具有不同的優點和缺點。

　　1） 地表水源熱泵

　　地表水源熱泵一般僅適合靠近水源的需求場合，地表水源熱泵根據水源的不同，可以分為海水源、江湖水源等。就海水源熱泵來說，海水的腐蝕性比較強，換熱器需要采用特殊的材料，并且海水源距離使用場合一般都比較遠，需要解決長距離輸送的問題。

　　針對江湖水源熱泵，根據《中華人民共和國水法》和各地方的《城市用水管理條理》，均要求調用水審批，用水收費，有些地方將水源的抽取和排放兩次收費，導致水費偏高，使得水源熱泵的運行節能費用不足增加的水費。水源熱泵的推廣需要政府從可持續發展的角度，綜合能源、環保和資源各個方面的考慮，調整地表水源熱泵水源使用的政策，需重新確定水源如何管理和收費；同時江湖水源熱泵應用還涉及規劃、市政、航道、海事等多個部門，涉及眾多的審批環節，需要建立相應的協調聯動機制，才能促使其進一步發展。

　　2） 地下水源熱泵

　　對于地下水式的水源熱泵，需要大量集中開采地下水，一般地下水埋藏深度大、取水成本高，同時地下水在利用過程中還需要防止遭到污染以及地下水水位下降造成地面沉降。回灌技術同時也具有如下缺點和問題：回灌跟地質條件密切相關，建造合適的回灌井有難度、費用高；回灌壓力高；地下水污染和回灌流體泄漏到地表面；生產井化學性質的改變等。目前，地下水使用受到國家的嚴格管制，例如北京市先后出臺了《北京市實施<中華人民共和國水法>辦法》、《北京市水污染防治條例》等政策，嚴格限制地下水的開采和使用。

　　3） 污水源熱泵

　　近年來，污水源熱泵的發展在國內也有了長足的進步。污水源的水溫適合熱泵，但是污水成分復雜，需要解決換熱器臟堵的問題，并且系統容易滋生細菌，需要長期的監測，污水源熱泵機房也需滿足衛生防疫要求。

　　4） 土壤源熱泵

　　對于地埋管式土壤源熱泵，在北方地區以供熱為主，存在土壤源熱泵長期熱不平衡問題，冬季的取熱量大于排熱量，這樣會導致土壤溫度的長期持續下降，造成系統性能的衰減甚至無法運行。目前對于熱不平衡所采取的措施主要就是通過減少取熱或者輔助設備進行補熱，例如鍋爐補熱、太陽能補熱及空氣源熱泵補熱方式。另外，地埋管方式需要占用大量的空間，在制定系統方案之前需要對項目進行地質勘察，以確保有足夠的空間進行地埋管的鋪設，同時也應考慮土壤源熱泵的初投資成本較高的問題。

　　3.3 吸收式熱泵

　　吸收式熱泵分兩類，第一類利用高溫熱源驅動，吸收廢熱（余熱）的熱量，輸出比廢熱（余熱）溫度高的熱水/蒸汽用于生產工藝或供暖。第二類直接利用中溫廢熱（余熱）的熱量驅動，輸出比中溫廢熱（余熱）溫度高的熱水/蒸汽用于生產工藝或供暖。吸收式熱泵的難點包括系統結構的改進、提高換熱效率和性能系數以及充分提高低溫熱源熱利用效率。此外，不同溫度的熱源如何實現長距離的經濟可行的輸送以及溴化鋰溶液的防腐、防結晶問題也是當前吸收式熱泵的研究熱點。

　　3.4 產品安裝和使用

　　制冷空調產品是“三分產品，七分安裝”。例如在目前農村“煤改電”項目熱泵供暖應用中，由于農民每家每戶的情況都不完全相同，就需要做到一戶一設計、一戶一方案，因此安裝、設計工作非常繁瑣，這需要企業建立起完善的設計、施工和監督流程。

　　另外，由于農村消費者的文化程度普遍不高，對熱泵產品的了解和認知程度不高，對熱泵的運行和使用不了解，加上沒有專業人員進行不間斷的運行和維護，存在著很大的使用安全隱患。也需要各相關企業高度重視，對用戶一定要進行一定程度的基本操作保養知識培訓，并在用戶使用區域建立起售后服務體系，在出現問題時及時提供必要的服務。

　　3.5 統一的能效標準

　　目前，我國能效標準逐步從考慮產品單一名義工況的能效比過渡到綜合考慮產品全年制冷制熱性能的綜合能效比，比如單元式空調、多聯式空調、風管式送風式空調、水（地）源熱泵機組等大類產品都已實現了性能考核體系的轉變。但是隨著熱泵技術的發展，在北方農村地區的“煤改電”等場合采用熱泵供暖的機組，是單一制熱的產品，在夏天很少用來制冷。目前，這些專門用來單一供暖的熱泵產品，還沒有統一的能效標準，這也給市場上如何評價單一供暖的各類熱泵產品的優劣帶來了困難。為了規范市場的發展，國家能效標準的制定機構需要針對單一供暖的熱泵產品盡快制定統一的能效標準。

　　4 、未來發展展望

　　自2017年入冬以來，北方空氣質量指數與上一年同期相比明顯得到了改善，霧霾天數明顯減少。可以看出，國家近年來大力推動的“煤改電”、“煤改氣”等政策和措施取得了明顯的成效。所采取的清潔供暖方式，包括了天然氣供暖、電暖器、熱泵等多種方式；按照相關專業人士的分析，以及諸多應用實例表明，熱泵的能源利用率比較高，減排效果突出，為國家的環境污染治理發揮了極其重要的作用。

　　根據《京津冀及周邊地區2017—2018年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》，2017年10月底前，在北方“2+26”城市完成以電代煤、以氣代煤超過300萬戶，由于成本等原因，絕大部分仍然不是采用熱泵產品來替代，而是采用以氣代煤，進一步加重了天燃氣的緊缺，造成了今冬嚴重的氣荒，嚴重影響了人民的生活質量；另外，由于我國天然氣大部分進口，價格與國際市場聯動密切，價格較高，這不論是對政府還是居民，高昂的成本都是需要謹慎考慮的；而且燃氣壁掛爐和小型燃氣鍋爐燃燒過程中會產生大量氮氧化物；再加上低空排放，它對大氣污染也有很大的影響，對改善空氣質量效果還有待商榷。電鍋爐供暖和電暖氣供暖，相當于熱效率只有30%左右的燃煤鍋爐供暖，能效較低，還導致了電網負荷的大幅度增加。而熱泵每消耗1份能量，可以獲得2～3倍甚至更多的熱量，極大提高了能源的利用效率，相較于前述的幾種供暖方式而言，無疑是一種高效節能的模式，值得大力推廣。

　　我國是q*z*大的制冷空調設備制造國和消費國，我國制冷空調行業的整體技術和制造水平近年來也在快速向國際先進水平靠攏。熱泵作為制冷空調行業一個新興的產品類別，通過z*近幾年的國家和地方政府的大力支持和激勵，在替代傳統燃煤供暖等場合的應用越來越多。根據目前熱泵應用的經驗來看，根據用戶的供暖、供熱水和制冷空調的各種需求，結合建筑特征、氣候環境變化以及熱泵的節能環保優勢，配合系統、末端進行綜合改造治理，提供合適的綜合技術解決方案具有極大的節能價值和潛力。而未來清潔供熱之路，更需要統籌進行規劃管理，因地制宜地選擇可再生能源作為熱泵的熱源，重視和推廣各種能源的綜合利用，把空氣源、污水源、海水源、江湖水源、余熱和廢熱、太陽能等適當的組合利用，克服熱源單一的缺點，從而充分提高供熱供冷的綜合集成效率，取得z*佳的節能效益。

　　從發展趨勢分析，我們相信熱泵在未來將具有更大的應用空間。在我國1.6億農戶中，分散燃煤采暖超過6 000萬戶。根據《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017—2021年）》，截至2016年底，我國北方地區城鄉建筑取暖總面積約206億平方米。其中，城鎮建筑取暖面積141億平方米，農村建筑取暖面積65億平方米。我國北方地區取暖使用能源仍以燃煤為主，燃煤取暖面積約占總取暖面積的83%，取暖用煤年消耗約4億噸標煤，其中散燒煤（含低效小鍋爐用煤）約2億噸標煤。按照該規劃，到2019年北方地區清潔取暖率達到50%，替代散燒煤7 400萬噸；到2021年北方地區清潔取暖率達到70%，替代散燒煤1.5億噸。而在我國長江流域等非傳統集中供暖區域，絕大部分建筑物內并無供暖設施，隨著人民生活水平的提高，這些區域的供暖也已開始提上議事日程。而這些地區人口非常密集，未來大范圍的供暖需求的解決必定帶來巨大的能源消耗需求及污染排放的壓力。因此制冷空調行業如何利用熱泵這一環保高效的采暖技術，使其在未來的清潔供暖推廣方面做出積極貢獻，是當前行業內外需要共同關注和研究解決的大課題。黨的“十九大”的報告指出，綠水青山就是金山銀山，要抓住人民z*關心z*直接z*現實的利益問題，保障群眾基本生活，不斷滿足人民日益增長的美好生活需要。這一核心思想為我們今后的工作直接指明了方向。我們相信，在國家政策指引和相關引導措施的激勵和扶植下，在行業同仁的共同努力下，未來熱泵技術一定能在國民經濟建設的各個領域發揮更加突出的作用，熱泵產業也將會迎來更加廣闊的發展前景和美好未來。