《氣-水式空氣源熱泵系統》

　　能效是當前歷史時期的首要目標之一。“翻新改造浪潮”戰略的目標是到2030年在歐洲實現3500萬座建筑的深度能源革新改造。

　　能源革新涉及到諸多領域，從生產到使用，從原材料開始，經過加工方式、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節行業，其中熱泵（以下簡稱PDC）在實現歐盟新的減碳目標方面發揮著重要作用：這方面的技術是實現可再生和智慧能源系統的關鍵。

　　熱泵在供暖和制冷領域的生態轉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展的規范框架。

規范框架 

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

　　歐盟落實《京都議定書》倡議，通過了氣候和環境保護措施：能源相關產品指令 (ErP) 和能效標簽指令 (ELD)。最終目標是通過一套評估空氣調節系統和產品性能的新方法，從而提高各國空氣調節系統的總體性能。《京都議定書》的第一個目標名為“20-20-20”，按計劃應在2020年內實現，是一個“氣候和能源一攬子方案”。

　　2030年的主要目標則集中在“氣候和能源框架”中，重點是減少溫室氣體和土地使用規范。然而，歐盟委員會的長期戰略愿景是到2050年成為一個氣候中和經濟體，目標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，在協調能效和可再生能源利用的基礎上，確定和落實對現有建筑的節能改造戰略，這些目標才能實現：在這種情況下，熱泵的作用將至關重要。

　　熱泵的能源相關產品指令

　　2015年，能源相關產品指令(ErP)引入了所有衛浴熱水生產和供暖設備最低性能要求的規定。

　　所有產品必須附帶能源標簽，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，熱泵標簽上的技術數據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。

　　生態標簽指令

　　如果說熱泵和鍋爐的性能要求受Erp指令的規范，那么生態標簽指令關注的就是說明如何向消費者提供有關這些產品的信息，只有清晰易懂的信息才能激勵人們購買最節能的產品。

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

　　建筑能效指令EPBD

　　建筑行業對實現歐盟設定的能源和環境目標至關重要。為此，歐盟委員會建立了一個立法框架，其中包括關于建筑物能效的指令，即EPBD（建筑能效指令）。

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

鍋爐市場 

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

　　更糟糕的是，據估計，有超過700萬臺鍋爐在90/396/EC燃氣設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量以年約10%的速度增長。

　　這一趨勢在2022年也得以證實，預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了新安裝部分最大份額，用于空調和衛浴熱水的二合一或者單獨的衛浴熱水。

　　水-水式，即那些使用地層水、地下熱能（地熱）和熱回收水源作為冷/熱源的熱泵，起到了補充作用，而且數量穩定。

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

　　熱泵類型

　　熱泵將低溫環境的熱能轉移到高溫環境，我們稱之為外源和內源。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：通過冷媒的熱力學循環實現制冷，冷媒根據其運行時的溫度和壓力狀態，可以呈液態或氣態。

　　[詳見《水力雜志》第33期 ]

　　根據想要達到的實際效果，即給室內環境供暖或制冷，設備可以被定義為熱泵或制冷機，它通過適當的膨脹閥將冷媒吸收或散發熱量，導向室內或室外環境。這些設備亦稱為可逆制冷循環或簡單的制冷側可逆。

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動的壓縮機，當然也有其他方法，盡管還屬于小眾應用，不過具有可以利用和方便劃算的特性。

　　電機驅動的壓縮機熱泵

　　由于電機的多功能性和經濟性，以及電力作為能量介質的便捷，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。

　　說到優點，有低成本、低維護和無需輔助系統（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備緩沖）而導致高耗電量。

　　內燃機驅動的壓縮機熱泵

　　在此類熱泵中，壓縮機由內燃機驅動，內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（燃氣發動機熱泵），優點是能夠利用發動機的廢氣和冷卻回路散發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。

　　它的主要優點是使用燃氣和產生高溫水。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）熱泵最顯著的區別是沒有壓縮步驟，取而代之以兩個完全不同的步驟：發生和吸收。

　　在吸收器中，來自蒸發器的氣態冷媒被一種流體（稱為吸收劑）吸收并返回液態。隨后，產生的流體（吸收性更強的冷媒）被泵入發生器，在那里，由于外部熱量輸入（例如來自熱電聯產機組、區域供熱網絡或工業過程），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（由通風系統或工業冷卻回路排出），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熱盤管的特殊交換器吸收。熱源（即系統流體或內部源）可以是：空氣（當熱泵直接加熱房間中的空氣時）或水（當熱泵加熱水用作供暖回路中的介質時）。

　　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。交換器通過有冷媒的管道連接。

　　風管式。整個冷媒回路在一臺設備中，空氣通過管道輸送到住宅內。

　　分體式氣-氣系統通常用于小型住宅和商業環境，因為制冷回路成本低且占地小。

　　而風管式系統更多地用于購物中心、劇院和有架設管道條件的生產環境。

　　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，以水為介質的熱量傳送技術保證了系統解決方案具有廣泛通用性。因此，可以在住宅領域（帶有散熱器、風機盤管、地暖等）和第三產業以及工業領域（帶有服務于空氣處理單元的機組）使用氣-水式空氣源熱泵。

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

　　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）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熱交換。

　　冷的一側從水中吸取能量，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—側使用傳統的供暖系統。

　　運行穩定性和優異的性能是這些設備的優點。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，而且需要相應的許可。這類熱泵，還有一些特殊的應用，它利用回收熱量工作，例如工業過程的冷卻回路。

　　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“地熱盤管”：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，在與冷源進行穩定熱交換的條件下運行，因此，它們不需要除霜循環。

　　與水源式熱泵不同，它們不需要有水源存在。

　　不過地熱盤管的鋪設成本非常高。

　　氣-水式空氣源熱泵

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

　　多功能性。它們可以連接到傳統的水暖系統，不管是既有的還是新建的。利用空氣作為冷源，它們可應用于任何可以安裝室外機或能夠架設適當風道的環境。

　　低成本。與其它類型的熱泵系統相比，安裝成本低，不需要復雜的輔助系統例如取水和回灌工程、打井或鋪設地熱盤管道。

　　技術持續發展。近年來，技術創新上取得長足發展：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，此類設備也有一些局限:

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

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

　　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供水的溫度和外部的空氣溫度。針對此類設備的系統設計上的疏忽或調節不當會導致高耗能。

　　噪音。室外機要有合適的空間，以確保適當的空氣交換。此外，對于這些單元的噪音水平必須作適當評估，有時需要安裝適當的隔音屏障。

　　室外一體機式熱泵

　　整體式熱泵由單一設備組成，設備內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/冷媒在蒸發器中進行熱交換的風扇等。

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

　　主機直接通過管道與室內系統相連，管道將技術用水從設備輸送到建筑物內。

　　室外一體機在所有那些需要節省設備空間的建筑內優勢明顯。

　　室內一體機式熱泵

　　帶風扇的整體式熱泵，風扇在空氣交換器上，其揚程能夠允許管道送風。

　　有些型號的送風和出風都可以利用管道；而其它型號，只有排氣管道，而直接從安裝環境中吸取空氣。這些環境必須配備適當的開口，以確保設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部的室內機和與空氣進行熱交換的室外機組成。室內機的主要部件包括：水/冷媒板式交換器、循環泵、水流開關、膨脹罐、排氣閥和安全閥等。

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

　　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所服務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: 設備振動產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備，尤其設備位于住宅上方屋頂或陽臺上時;

　　將設備安裝在與房屋結構分離的地基上，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;

　　安裝適當的隔音屏障或頂篷。如果可能出現聲波反射現象，隔音屏障也必須是吸音的。頂篷必須確保適當的空氣流通，以保證設備正確運行。

　　法律限制

　　噪聲排放受法律限制，檢測標準規定:

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

　　差值檢測: 噪聲源開啟和關閉時的噪聲輸入（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。