《氣-水式空氣源熱泵系統(tǒng)》

　　【康沃真空網(wǎng)】能效是當(dāng)前歷史時期的首要目標(biāo)之一?！胺赂脑炖顺薄睉?zhàn)略的目標(biāo)是到2030年在歐洲實現(xiàn)3500萬座建筑的深度能源革新改造。

　　能源革新涉及到諸多領(lǐng)域，從生產(chǎn)到使用，從原材料開始，經(jīng)過加工方式、運輸和銷售，直到使用甚至回收利用或處理。

　　這種革新氛圍顯然也影響了空氣調(diào)節(jié)行業(yè)，其中熱泵（以下簡稱PDC）在實現(xiàn)歐盟新的減碳目標(biāo)方面發(fā)揮著重要作用：這方面的技術(shù)是實現(xiàn)可再生和智慧能源系統(tǒng)的關(guān)鍵。

　　熱泵在供暖和制冷領(lǐng)域的生態(tài)轉(zhuǎn)型中的作用正變得越來越重要。隨著各國落實歐盟和國家戰(zhàn)略，熱泵在可再生能源消費中的作用會逐年提高。以下我們簡要介紹意大利和歐洲未來幾年促進熱泵發(fā)展的規(guī)范框架。

規(guī)范框架 

　　《京都議定書》于2005年生效，是各國間達成的第一個應(yīng)對全球變暖的國際協(xié)議。

　　歐盟落實《京都議定書》倡議，通過了氣候和環(huán)境保護措施：能源相關(guān)產(chǎn)品指令 (ErP) 和能效標(biāo)簽指令 (ELD)。最終目標(biāo)是通過一套評估空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和產(chǎn)品性能的新方法，從而提高各國空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總體性能。《京都議定書》的第一個目標(biāo)名為“20-20-20”，按計劃應(yīng)在2020年內(nèi)實現(xiàn)，是一個“氣候和能源一攬子方案”。

　　2030年的主要目標(biāo)則集中在“氣候和能源框架”中，重點是減少溫室氣體和土地使用規(guī)范。然而，歐盟委員會的長期戰(zhàn)略愿景是到2050年成為一個氣候中和經(jīng)濟體，目標(biāo)是世界氣溫上升保持在2°C以下，甚至將這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，在協(xié)調(diào)能效和可再生能源利用的基礎(chǔ)上，確定和落實對現(xiàn)有建筑的節(jié)能改造戰(zhàn)略，這些目標(biāo)才能實現(xiàn)：在這種情況下，熱泵的作用將至關(guān)重要。

　　熱泵的能源相關(guān)產(chǎn)品指令

　　2015年，能源相關(guān)產(chǎn)品指令(ErP)引入了所有衛(wèi)浴熱水生產(chǎn)和供暖設(shè)備最低性能要求的規(guī)定。

　　所有產(chǎn)品必須附帶能源標(biāo)簽，為用戶提供簡單而確切的信息，方便快速比對。除了能效等級（從 A +++ 到 G）外，熱泵標(biāo)簽上的技術(shù)數(shù)據(jù)必須顯示輸出的熱功率和噪音。 

　　2019年9月以來，最低效率等級（從 E 到 G）已被淘汰，通過引入A +++等級，高性能熱泵更加容易識別。

　　生態(tài)標(biāo)簽指令

　　如果說熱泵和鍋爐的性能要求受Erp指令的規(guī)范，那么生態(tài)標(biāo)簽指令關(guān)注的就是說明如何向消費者提供有關(guān)這些產(chǎn)品的信息，只有清晰易懂的信息才能激勵人們購買最節(jié)能的產(chǎn)品。

　　從2015年開始，提供生活熱水的熱源設(shè)備也必須貼有能效標(biāo)簽。產(chǎn)品（或多個產(chǎn)品組合的系統(tǒng)）標(biāo)簽必須顯示所達到的能效等級，從A +++到D。

　　建筑能效指令EPBD

　　建筑行業(yè)對實現(xiàn)歐盟設(shè)定的能源和環(huán)境目標(biāo)至關(guān)重要。為此，歐盟委員會建立了一個立法框架，其中包括關(guān)于建筑物能效的指令，即EPBD（建筑能效指令）。

　　該指令倡導(dǎo)的政策將幫助歐盟各國政府到2050年提高現(xiàn)有建筑的能效。建筑能效指令所倡導(dǎo)的主要支持措施包括：確定更換或改造供暖和制冷系統(tǒng)的最低能效要求的必要性、采用智能技術(shù)如調(diào)節(jié)單個房間溫度的控制和自動化系統(tǒng)，以及使用機械通風(fēng)等清新空氣的系統(tǒng)。建筑能效指令與其他措施并舉，將發(fā)揮現(xiàn)有和未來建筑的能效潛力：高效住宅確保最終用戶節(jié)約經(jīng)濟成本和污染更低，改善居住環(huán)境質(zhì)量。

鍋爐市場 

　　意大利安裝的鍋爐數(shù)量超過1900萬臺，包括獨立和集中式系統(tǒng)，大部分是低效率、高能耗和高排放的老舊設(shè)備。

　　更糟糕的是，據(jù)估計，有超過700萬臺鍋爐在90/396/EC燃氣設(shè)備器具指令之前安裝的，即超過了 20 年。

　　佰世越管理咨詢有限公司的一項研究指出，歐洲七大國從2006年至今每年售出和安裝約500萬臺鍋爐。特別是在意大利，近年來每年售出和安裝約750,000臺鍋爐。

　　一方面冷凝式鍋爐正在逐步取代性能較差的傳統(tǒng)鍋爐，而另一方面，向熱泵的過渡趨勢才剛剛起步。

熱泵市場

　　佰世越管理咨詢有限公司的市場分析指出，自2017年以來，歐洲市場上安裝的水媒熱泵數(shù)量以年約10%的速度增長。

　　這一趨勢在2022年也得以證實，預(yù)計每年約安裝一百萬套。分體式和整體式氣-水式空氣源熱泵占據(jù)了新安裝部分最大份額，用于空調(diào)和衛(wèi)浴熱水的二合一或者單獨的衛(wèi)浴熱水。

　　水-水式，即那些使用地層水、地下熱能（地?zé)幔┖蜔峄厥账醋鳛槔?熱源的熱泵，起到了補充作用，而且數(shù)量穩(wěn)定。

　　盡管有國家法規(guī)和激勵措施的大力推動，熱泵市場取得了重大發(fā)展，但歐洲每年安裝的熱泵和鍋爐之間的比例仍然嚴(yán)重不平衡。以市場目前的增長速度（圖5），假設(shè)每年鍋爐減少的數(shù)量與熱泵增加的數(shù)量相等（圖4），那么仍然需要12-15年兩個市場才會有對等的數(shù)量。

　　熱泵類型

　　熱泵將低溫環(huán)境的熱能轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境，我們稱之為外源和內(nèi)源。熱泵利用約75%的免費能源（來自太陽，儲存于空氣、水和土壤之中）以及25%的電能，以確保夏季和冬季最佳的室內(nèi)舒適度。

工作原理

　　熱泵與普通冰箱有一個類似的工作原理：通過冷媒的熱力學(xué)循環(huán)實現(xiàn)制冷，冷媒根據(jù)其運行時的溫度和壓力狀態(tài)，可以呈液態(tài)或氣態(tài)。

　　[詳見《水力雜志》第33期 ]

　　根據(jù)想要達到的實際效果，即給室內(nèi)環(huán)境供暖或制冷，設(shè)備可以被定義為熱泵或制冷機，它通過適當(dāng)?shù)呐蛎涢y將冷媒吸收或散發(fā)熱量，導(dǎo)向室內(nèi)或室外環(huán)境。這些設(shè)備亦稱為可逆制冷循環(huán)或簡單的制冷側(cè)可逆。

基于壓縮機類型的熱泵分類

　　冷媒壓力和溫度升高的階段（步驟3，圖6）可以通過多種方式進行，其目的都是為冷媒流體提供能量。目前最普遍的方法是由電動機驅(qū)動的壓縮機，當(dāng)然也有其他方法，盡管還屬于小眾應(yīng)用，不過具有可以利用和方便劃算的特性。

　　電機驅(qū)動的壓縮機熱泵

　　由于電機的多功能性和經(jīng)濟性，以及電力作為能量介質(zhì)的便捷，這種熱泵最為普遍。壓縮機有多種類型，最常用的有渦旋式、擺動式、螺桿式或磁懸浮式。

　　說到優(yōu)點，有低成本、低維護和無需輔助系統(tǒng)（因為它們通常是自冷卻的）。不過熱泵，供水溫度有限，并且由于啟動電流高（部分功率用于電子設(shè)備緩沖）而導(dǎo)致高耗電量。

　　內(nèi)燃機驅(qū)動的壓縮機熱泵

　　在此類熱泵中，壓縮機由內(nèi)燃機驅(qū)動，內(nèi)燃機通常由燃氣提供動力并且是由汽車衍生而來的。這些機器也稱為GHP（燃氣熱泵）或GEHP（燃氣發(fā)動機熱泵），優(yōu)點是能夠利用發(fā)動機的廢氣和冷卻回路散發(fā)的熱量來提高供水溫度。正是基于這些原因，在更換燃氣鍋爐、特別是大功率鍋爐的升級改造中不失為一個有效的替代方案。

　　它的主要優(yōu)點是使用燃氣和產(chǎn)生高溫水。但是投資和維護成本高，在電力受限的場景下可以派上用場。

　　吸收式熱泵

　　吸收式熱泵和電力（或燃氣）熱泵最顯著的區(qū)別是沒有壓縮步驟，取而代之以兩個完全不同的步驟：發(fā)生和吸收。

　　在吸收器中，來自蒸發(fā)器的氣態(tài)冷媒被一種流體（稱為吸收劑）吸收并返回液態(tài)。隨后，產(chǎn)生的流體（吸收性更強的冷媒）被泵入發(fā)生器，在那里，由于外部熱量輸入（例如來自熱電聯(lián)產(chǎn)機組、區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)或工業(yè)過程），將冷媒在高溫高壓下輸出。

基于熱源類型的熱泵分類

　　冷源（或外部源）可以是：空氣、水或地表層。空氣可以是外部空氣或在某些情況下是熱回收空氣（由通風(fēng)系統(tǒng)或工業(yè)冷卻回路排出），水可以是地表水、地下水或源自冷凝回路的水，地表層里的熱量通過被稱為地?zé)岜P管的特殊交換器吸收。熱源（即系統(tǒng)流體或內(nèi)部源）可以是：空氣（當(dāng)熱泵直接加熱房間中的空氣時）或水（當(dāng)熱泵加熱水用作供暖回路中的介質(zhì)時）。

　　氣-氣式熱泵

　　此類熱泵配備有空氣/冷媒交換器。冷源是外界空氣，取之不盡，但是溫度波動大。由于暴露在非常低的外部溫度下，它們需要定期除霜。

　　分為兩類:

　　分體式。朝向冷源的交換器和制冷回路的其他部件位于室外，而朝向熱源的交換器位于需供暖/制冷的房間內(nèi)。交換器通過有冷媒的管道連接。

　　風(fēng)管式。整個冷媒回路在一臺設(shè)備中，空氣通過管道輸送到住宅內(nèi)。

　　分體式氣-氣系統(tǒng)通常用于小型住宅和商業(yè)環(huán)境，因為制冷回路成本低且占地小。

　　而風(fēng)管式系統(tǒng)更多地用于購物中心、劇院和有架設(shè)管道條件的生產(chǎn)環(huán)境。

　　氣-水式空氣源熱泵

　　氣-水式空氣源熱泵可以吸取空氣中免費能源，并將其以熱能形式傳遞給水。與氣-氣式熱泵不同，以水為介質(zhì)的熱量傳送技術(shù)保證了系統(tǒng)解決方案具有廣泛通用性。因此，可以在住宅領(lǐng)域（帶有散熱器、風(fēng)機盤管、地暖等）和第三產(chǎn)業(yè)以及工業(yè)領(lǐng)域（帶有服務(wù)于空氣處理單元的機組）使用氣-水式空氣源熱泵。

　　另外，系統(tǒng)適用性強對于那些有燃氣熱源的系統(tǒng)來說，可以在不對整個系統(tǒng)升級改造的情況下保持現(xiàn)有的供暖系統(tǒng)。

　　其局限性在于功率和能效比的變化，供水溫度有限。

　　水-氣式水源熱泵

　　利用從井中抽取的地下水作為冷源，將專門的水力回路（例如冷凝環(huán)）作熱源。

　　通常安裝在屋頂上，不過特殊情況下，出于空間或美觀的原因，也可能放置在室內(nèi)并與分體機連接。

　　這種類型很少用到，因為它們需要打井取水，要進行地質(zhì)分析并有取水許可。

　　水-水式水源熱泵

　　冷源和熱源都通過水實現(xiàn)熱交換。

　　冷的一側(cè)從水中吸取能量，這些水通常取自地下水（常指潛水層）或地表水，如湖泊、河流或海洋。熱源—側(cè)使用傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)。

　　運行穩(wěn)定性和優(yōu)異的性能是這些設(shè)備的優(yōu)點。此外，它們可以在相對有限空間里輸出較大的功率。

　　其局限性在于可獲取熱量的水源有限，而且需要相應(yīng)的許可。這類熱泵，還有一些特殊的應(yīng)用，它利用回收熱量工作，例如工業(yè)過程的冷卻回路。

　　水-水地源熱泵

　　水-水式地源熱泵，使用水作為媒介，與冷源地表層進行熱交換。

　　交換器由埋入地下的塑料管道組成，稱為“地?zé)岜P管”：它們向下延伸（垂直盤管）或縱橫淺層地面（水平盤管）獲取地表層熱量。

　　地源式熱泵，和水源式熱泵一樣，在與冷源進行穩(wěn)定熱交換的條件下運行，因此，它們不需要除霜循環(huán)。

　　與水源式熱泵不同，它們不需要有水源存在。

　　不過地?zé)岜P管的鋪設(shè)成本非常高。

　　氣-水式空氣源熱泵

　　氣-水式空氣源熱泵最常用于家庭供暖。與其它冷媒循環(huán)系統(tǒng)相比，它們普及的主要原因是：

　　多功能性。它們可以連接到傳統(tǒng)的水暖系統(tǒng)，不管是既有的還是新建的。利用空氣作為冷源，它們可應(yīng)用于任何可以安裝室外機或能夠架設(shè)適當(dāng)風(fēng)道的環(huán)境。

　　低成本。與其它類型的熱泵系統(tǒng)相比，安裝成本低，不需要復(fù)雜的輔助系統(tǒng)例如取水和回灌工程、打井或鋪設(shè)地?zé)岜P管道。

　　技術(shù)持續(xù)發(fā)展。近年來，技術(shù)創(chuàng)新上取得長足發(fā)展：功率輸出管理得到提升，效率提高，所能達到的最高供水溫度升高和可靠性增加。

　　不過，此類設(shè)備也有一些局限:

　　高峰值耗電。設(shè)計選型通?？紤]的是最不利的條件（外部氣溫），這會導(dǎo)致超配，特別是與其他類型熱泵相比用電峰值更高。因此，與采用其他技術(shù)的同等熱泵相比，一般需要更大功率。

　　除霜循環(huán)不可缺少。在某些條件下，外部空氣中的濕氣會在設(shè)備的熱交換器上結(jié)冰，從而影響熱交換和正常運行。為了恢復(fù)正常運行，要進行反向循環(huán)，加熱交換器，融化凝結(jié)的冰層。這些循環(huán)造成能源消耗，不利于提高效率和節(jié)約成本。

　　性能受制于水和空氣的溫度。氣-水式熱泵的性能和運行成本取決于向系統(tǒng)供水的溫度和外部的空氣溫度。針對此類設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計上的疏忽或調(diào)節(jié)不當(dāng)會導(dǎo)致高耗能。

　　噪音。室外機要有合適的空間，以確保適當(dāng)?shù)目諝饨粨Q。此外，對于這些單元的噪音水平必須作適當(dāng)評估，有時需要安裝適當(dāng)?shù)母粢羝琳稀?/p>

　　室外一體機式熱泵

　　整體式熱泵由單一設(shè)備組成，設(shè)備內(nèi)部包括制冷回路的所有元件：水/冷媒板式交換器、壓縮機、膨脹閥和允許空氣/冷媒在蒸發(fā)器中進行熱交換的風(fēng)扇等。

　　水力回路的一些元件可以集成到設(shè)備中，例如循環(huán)泵、水流開關(guān)、膨脹罐、排氣閥和安全閥等。

　　主機直接通過管道與室內(nèi)系統(tǒng)相連，管道將技術(shù)用水從設(shè)備輸送到建筑物內(nèi)。

　　室外一體機在所有那些需要節(jié)省設(shè)備空間的建筑內(nèi)優(yōu)勢明顯。

　　室內(nèi)一體機式熱泵

　　帶風(fēng)扇的整體式熱泵，風(fēng)扇在空氣交換器上，其揚程能夠允許管道送風(fēng)。

　　有些型號的送風(fēng)和出風(fēng)都可以利用管道；而其它型號，只有排氣管道，而直接從安裝環(huán)境中吸取空氣。這些環(huán)境必須配備適當(dāng)?shù)拈_口，以確保設(shè)備需要的新鮮空氣進入。

　　它們主要用于那些出于美觀原因無法安裝外機的地方。

　　分體式熱泵

　　與整體式不同，分體式熱泵由位于建筑物內(nèi)部的室內(nèi)機和與空氣進行熱交換的室外機組成。室內(nèi)機的主要部件包括：水/冷媒板式交換器、循環(huán)泵、水流開關(guān)、膨脹罐、排氣閥和安全閥等。

　　室外機則包括壓縮機、冷媒循環(huán)泵、膨脹閥和通過外部空氣與冷媒流體進行熱交換的風(fēng)扇。

　　兩個單元之間采用高壓冷媒管道連接。

　　分液熱泵

　　分液熱泵概念上類似于一體式熱泵，只是室外機里的水路組件和電子元件全部挪到室內(nèi)機中，這樣維修維護更為方便。

　　兩個單元通過水路管道連接。

　　熱泵的噪音控制

　　空氣源熱泵的室外機可能會給系統(tǒng)所服務(wù)的住宅或相鄰建筑帶來噪音和振動困擾。因此，安裝和選址時要多加留意。

　　噪音傳播可以通過:

　　固體: 設(shè)備振動產(chǎn)生的噪音通過建筑傳播；

　　空氣: 噪音通過空氣傳播。

　　為了降低噪聲的固體傳播，必須：

　　安裝合適的防震支腳支撐設(shè)備，尤其設(shè)備位于住宅上方屋頂或陽臺上時;

　　將設(shè)備安裝在與房屋結(jié)構(gòu)分離的地基上，例如花園。

　　為了降低通過空氣傳播的噪聲，有必要 ：

　　設(shè)備安裝不要靠近門窗等地方，盡可能越遠越好;

　　注意防止噪聲的反射;

　　安裝適當(dāng)?shù)母粢羝琳匣蝽斉?。如果可能出現(xiàn)聲波反射現(xiàn)象，隔音屏障也必須是吸音的。頂篷必須確保適當(dāng)?shù)目諝饬魍?，以保證設(shè)備正確運行。

　　法律限制

　　噪聲排放受法律限制，檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:

　　絕對檢測: 對噪聲發(fā)射值（在噪聲源附近測量）和輸入值（在要檢測的點附近測量）設(shè)置一個限制。這些限制值因區(qū)域類型（例如住宅區(qū)和工業(yè)區(qū)）以及日夜時段而異。在夜間住宅區(qū)的情況下，發(fā)射限值設(shè)置為40分貝，噪聲輸入限值設(shè)置為45分貝。

　　差值檢測: 噪聲源開啟和關(guān)閉時的噪聲輸入（在檢測點附近測量）之間的差值。夜間這種差值不得超過3分貝。