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國家主導的北方地區(qū)“煤改電”為何力推低溫空氣源熱泵不推空調?
現(xiàn)實銷售過程中，經常有客戶問到空調也能制熱，空氣源熱泵也能制熱，而且跟空調長得差不多，但為何熱泵價格相對高一截？特別是剛入行的朋友也在考慮這個問題，空氣源究竟是一種什么類型的產品，空氣源的制熱能力為什么比空調強，究竟強在哪里？
如下是資深工程師系統(tǒng)而全面地解釋了兩者的異同點，并試圖盡量用科普和口語來說明為什么空氣源能作空調用，而一般空調不能作為空氣源熱泵用。
空氣源熱泵的前世今生
空氣源熱泵在歐美大多數(shù)發(fā)達國家，如澳大利亞、英國、法國、德國、美國等國家，在60～70年代已經進入了大多數(shù)家庭，美國在1971年，熱泵的產量就達到8.2萬套/年，據(jù)1998年美國的調查數(shù)據(jù)顯示，美國約有30%的熱水供應設備采用空氣源熱泵熱水器。在我國，空氣源熱泵熱水器于2002年前后進入，首先登陸廣東，并迅速發(fā)展，但一直到2013年以前，空氣源熱泵產品線主要集中在熱水器、泳池熱泵為主，烘干、采暖的熱泵為輔。
在2013年8月，北京市政府發(fā)布《北京市2013～2017年清潔空氣行動計劃重點任務分解》中明確說明把空氣源熱泵作為清潔采暖的一個試點產品，并借此東風，空氣源熱泵采暖機迅猛發(fā)展，并成為最近幾年和今后幾年的空氣源熱泵行業(yè)的重點發(fā)展方向，并在2017年僅靠3種采暖產品型號就占有了空氣源熱泵產值的半壁江山。
熱泵是采用“逆卡諾循環(huán)”原理，也叫蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的產品，按冷熱來源分為三大類：空氣源、水源、地源。
空氣源是指冷熱源來源于空氣，就是從空氣中吸取熱量，或把熱量排放到空氣中去。這類產品包括：空調、風冷（熱泵）冷水機組、VRV多聯(lián)機、空氣能熱水器、空氣源熱泵采暖機、冰箱、冷庫等形式的產品，空調歸屬空氣源大類，是空氣源的一個小分支，也就是說空氣源包含空調，但范圍比空調更廣、更寬。
但現(xiàn)在，一般說空氣源或空氣源熱泵或空氣能，就是專指能燒熱水、采暖、冷暖兩聯(lián)供、烘干等形式的機組，為和現(xiàn)在約定成俗的名稱相一致，現(xiàn)在說的空氣源熱泵就專指這類產品，空氣源熱泵與空調就屬于同等類別產品，都來源于“逆卡諾循環(huán)”原理，那么，我們先來看看“逆卡諾循環(huán)”原理是何方真神。
圖一 逆卡諾循環(huán)原理圖
“逆卡諾循環(huán)”就是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。低溫低壓的液態(tài)制冷劑，進入蒸發(fā)器中等溫吸熱蒸發(fā)，從空氣中吸收大量的熱量，蒸發(fā)吸熱后的制冷劑以氣態(tài)形式進入壓縮機，被絕熱壓縮成高溫高壓的氣態(tài)制冷劑進入冷凝器，將其所含熱量等溫釋放給進入冷凝器中的冷水，冷水被加熱輸送到用戶端進行采暖或洗浴，同時制冷劑變成高溫高壓的液態(tài)進入節(jié)流裝置，絕熱膨脹成低溫低壓的液態(tài)進入蒸發(fā)器，周而復始；反之循環(huán)，則進行制冷。
同宗同源，為何煤改電青睞熱泵？
既然空氣源熱泵和空調同宗同源，為什么北京“煤改電”不大力推廣空調，卻推“不熟悉”的低溫空氣源熱泵呢？酒店、學校、精裝房的生活熱水為什么強制要求空氣源熱泵作為節(jié)能建筑申請的必要條件，而不推廣改造用現(xiàn)成的空調去燒熱水？
要解答這個問題，首先要了解空氣源熱泵和空調兩種產品的設計理念不同，進而理解其產品的不同，我們先把兩者設計理念不同的地方列表如下。
表一 空氣源熱泵和空調設計理念不同的地方
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序 |
不同點 |
空調 |
空氣源熱泵 |
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1 |
使用對象不同 |
主要使用在有制冷需求的地方，所以空調設計時強調制冷，制熱為輔，這也是當前空調制熱運行時，都要采用電加熱輔助方式補充制熱的原因 |
主要使用在有制熱需求的地方，所以空氣源熱泵設計時首先強調制熱，以全氣候運行中不采用電加熱輔助制熱為目標，并且兼顧有制冷功能 |
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2 |
功能不同 |
空調功能單一，只有制冷和制熱 |
空氣源熱泵不單可以制冷和制熱，也可以做泳池、洗浴、電泳等特種工業(yè)的加熱源，也可以做農業(yè)烘干、污泥烘干等工作，用途廣泛 |
由于兩種產品的使用對象不同，決定他們采用的國家標準、選用的零部件、使用的地域、出風（或出水）溫度、能效等均不同，列表分析如下：
表二 空氣源熱泵和空調兩種產品設計主要不同點列表
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序 |
不同點 |
空調 |
空氣源熱泵 |
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1 |
執(zhí)行國家標準不同 |
標準主要包括：家用空調、多聯(lián)機、風冷冷水機組等標準。 以制冷量和能效比為衡量指標 |
標準主要包括：家用熱水、商業(yè)熱水、家用采暖、商業(yè)采暖等標準。 以制熱量和性能系數(shù)為衡量指標，冷暖機還必須考核制冷量和能效比 |
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2 |
主要零部件不同 |
1）空調壓縮機 2）翅片冷凝器或板式冷凝器器 3）不帶親水膜的室外翅片換熱器 4）沒有系統(tǒng)高壓等保護控制 |
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3 |
使用區(qū)域不同 |
在環(huán)境溫度-7℃~43℃范圍內使用區(qū)域 |
在環(huán)境溫度-30℃~43℃范圍內使用區(qū)域 |
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4 |
最高出風（出水）溫度不同 |
最高出風（出水）溫度50℃以下 |
最高出水溫度60℃。特種如烘干機等，最高出風（出水）溫度達到90℃左右 |
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5 |
能效要求不同 |
空調只對制冷工況有能效要求，制熱無要求，屬于單工況設計 |
空氣源熱泵不僅對制冷有要求（兩聯(lián)供機組），而且對制熱能效有要求，特別低溫機，要求在-12℃測試 屬于雙工況設計 |
在以上所有列項中，又以壓縮機不同為最重要，不同的壓縮機決定產品的不同使用效果和不同的使用地域。空調選用空調壓縮機，以R22為例，最大運行壓力不超過2MPa，壓縮機比小于7，最高排氣溫度不超過90度；但空氣源熱泵必須采用熱泵壓縮機，同樣以R22為例，最大運行壓力達到3 MPa，壓縮機比達到12，甚至更高到20，最高排氣溫度達到110度。
這些參數(shù)的不同，要求熱泵壓縮機的加工精度、軸承強度、電機耐溫性能等方面均是在空調壓縮機有數(shù)量級上的提升，為了表達更直觀，我們來看一下兩種壓縮機的運行范圍對比圖。
圖二 空調壓縮機（A/C）和熱泵壓縮機（HPWH）運行范圍對比圖
圖中，橫軸對應蒸發(fā)溫度（相當于熱泵的室外環(huán)境溫度），縱軸對應冷凝溫度（相當于熱泵的使用側的出風或水溫度），可以看出，熱泵壓縮機的運行范圍是在空調壓縮機上有成倍的擴大。
有了強壯的“心臟”，空氣源熱泵才能高溫出風（水），低溫運行。“高溫”到廣泛使用在出風溫度達80℃以上的烘干行業(yè)，“低溫”到大西北新疆等地，帶老式鑄鐵暖氣片采暖。為滿足這種極端而又正常的使用條件，除了有強壯的“心臟”，還要有聰明的“大腦”，要求空氣源熱泵的主控制器既要保護制冷系統(tǒng)的運行可靠，又要保證用戶24小時不斷續(xù)的使用需求，容錯性和精準性，兩種相互矛盾的關系在空氣源熱泵的控制邏輯上得到完美的統(tǒng)一。
由于空氣源熱泵寬氣候的運行特性，最高和最低環(huán)境溫度的溫差近80℃，由于制冷系統(tǒng)在低溫工況運行時需要的制冷劑流量相對較小，較高溫工況運行的制冷劑量減少20%以上，這對空氣源熱泵的系統(tǒng)容液量提出更高的要求，要系統(tǒng)根據(jù)實際運行參數(shù)自動調節(jié)參與有效運行的制冷劑的量。所以，需要對氣液分離器進行特別的設計，包括容積、回油孔、平衡孔等方面進行熱泵方面的專門設計和大量的試驗驗證。
同時為了保證系統(tǒng)全天候運行時最適合的過冷度和滿液蒸發(fā)，又需要另外增加一個高壓儲液器，這一般也是空調不需要的設計。
為了驗證制冷系統(tǒng)對多余的存液量的耐受度，需要增加至少三個以上驗證試驗，相對空調，包括：低溫液擊試驗、低溫回油試驗、低溫低電壓啟動試驗。所以，空氣源熱泵的設計考核比空調來的更加嚴格、更加多項。
針對空氣源熱泵的使用特點，冬季全天候制熱運行，為保證低溫環(huán)境下的制熱效果和室內溫度舒適性（減少波動），化霜是一個不可回避的問題，并相對空調的化霜要求更高。常用的手段有：制冷劑換向化霜、熱氣旁通化霜、冷凝管末端余熱化霜、熱水回流翅片化霜、伴熱帶底盤化霜等等，真是手段無所不及。往往多種手段綜合使用，才能保證即使-25℃的環(huán)境運行，化霜時間也就3分鐘左右，極大的提高機組的制熱效果和用戶的舒適性。
低溫空氣源熱泵與空調系統(tǒng)設計的差異
最后，我們再來看一下，空氣源熱泵中的新貴，低溫空氣源熱泵與空調在系統(tǒng)設計上的不同。在北京“煤改電”的政策推動，空氣源熱泵在低溫環(huán)境的制熱技術得到一個新的提高，就是噴氣增焓技術的應用，使得空氣源熱泵在“煤改電”活動中，在諸多采暖設備中獨占鰲頭、獨步天下。
圖三 低溫空氣源熱泵系統(tǒng)圖
圖四 空調器熱泵的制熱系統(tǒng)圖
從圖三和圖四可以明顯看出，空調的四大件，壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置，到低溫空氣源熱泵中就變成了五大件，壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、雙節(jié)流裝置、經濟器，也就由單一系統(tǒng)變成了帶噴氣增焓的雙系統(tǒng)，系統(tǒng)更復雜，成本更高，低溫制熱效果更好。
同時也可看出市面上80%以上的空調的節(jié)流裝置均采用雙毛細管節(jié)流，因為空調只需要考慮制冷國標工況和制熱國標工況，兩個單一工況，一根毛細管對應一個工況，使其達到最佳點，其他工況（環(huán)境溫度）運行的制冷（熱）性能就會偏離最佳運行狀態(tài)，效果就會下降；
而低溫空氣源熱泵，采用了雙電子膨脹閥節(jié)流，針對不同的工況（環(huán)境溫度），計算系統(tǒng)的最佳過熱度和系統(tǒng)壓力，自動調節(jié)系統(tǒng)最佳的流量，使得低溫空氣源熱泵在全氣候運行，系統(tǒng)均在最佳狀態(tài)運行，效果均最佳，保證了低溫空氣源熱泵更加節(jié)能、更加可靠。
綜上所述，空氣源熱泵不同于并優(yōu)于空調的主要有：
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空氣源熱泵采用熱泵專用壓縮機，耐壓、耐溫、加工精度等方面均在空調壓縮機上有數(shù)量級上的提高，并且使用壽命也大為延長；
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空氣源熱泵的主控制器的邏輯設計較空調來的更復雜，比空調的單一制冷系統(tǒng)控制，還多一個水路系統(tǒng)控制；
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空氣源熱泵的寬氣候運行特點，同樣匹數(shù)的機器，需要的制冷劑量較空調有增大，要求儲液器的設計更復雜，一般還需要采用雙儲液器設計；
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空氣源熱泵的化霜設計相對空調要求更高，既要保證制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，又要減少室內溫度的波動幅度，提高用戶的舒適度；
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低溫空氣源熱泵一般采用“五大件”設計，由空調的“四大件”的單一系統(tǒng)變成了帶噴氣增焓的雙系統(tǒng)，低溫制熱效果更好，性能系數(shù)更高；
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空氣源熱泵的節(jié)流裝置全部采用電子膨脹閥或外平衡熱力膨脹閥，相對空調的毛細管節(jié)流精度更高，調節(jié)范圍更寬。
基于以上幾點，空氣源熱泵不等同空調，可以說是空調的升級品，也是將來建筑舒適節(jié)能系統(tǒng)的必選品。