对我国空气源热泵室外名义工况分区的思考

(清华大学建筑技术科学系 北京 100084)

空气源热泵作为一种重要的供暖空调设备，广泛应用于我国不同地区的各类建筑中。随着空气源热泵技术的进步，其气候适应性不断扩大，目前已成为从夏热冬暖到寒冷地区、甚至部分严寒地区建筑的夏季供冷和冬季制热的主要设备，且增长速度迅猛。

空气源热泵的产品类型很多，包括用于空调供暖的房间空调器、单元式空调机、多联机、热泵热风机等制取冷(热)风的空气-空气热泵机组和制取空调供暖用冷(热)水以及专门用于制取生活热水的空气源热泵热水器(机组)等空气-水热泵机组。图1和图2所示分别为我国房间空调器[1]和集中式空调产品[2]近7年来的市场发展情况。其中，图2中的风冷式螺杆机组、模块式空调机组、单元式空调机组、多联式空调机组均属于空气源热泵，其占比逐年上升，从2011年的57.8%升至2017年的72.3%。由此可见，无论在家用空调还是集中空调市场中，空气源热泵均是重要的建筑冷热源设备或系统。

图1 国内房间空调器销售量Fig.1 The sales volume of air conditionings in China

图2 国内集中空调设备销售额Fig.2 The sales of central air conditionings in China

产品设计要求和性能评价方法一般是产品技术发展方向的指挥棒。对于空气源热泵产品，因其服务于不同地区、不同类型的建筑或工艺过程，其名义工况(即设计工况)至关重要[3]，不仅是产品设计的基准，更是产品的技术方案选择、容量确定和能效水平决策的前提。

空气源热泵用于不同气候区时，当使用侧工况确定后，制冷与制热性能受室外参数的影响较大。因此，在空气源热泵设计时也将针对性采用不同的技术路线。如房间空调器，ISO 5151[4]中根据制冷运行的工况范围，将其划分为T1、T2、T3三个气候类型，核心是为了给不同气候区的用户提供技术适宜、经济合理的房间空调器。

按照T1气候区研发的空气源热泵产品，其工作环境温度范围仅能覆盖-7～43 ℃[4]。但我国幅员辽阔、气候差异性巨大，仅以基于制冷需求的T1气候区的通用名义制冷工况(室外干球温度=35 ℃)和名义制热工况(室外干/湿球温度=7/6 ℃)研发的空气源热泵产品，虽然能满足制冷运行需求，但不能完全适应我国不同气候区的制热需求。因此，2008年，我国在制定低环境温度空气源热泵(冷水)机组产品标准[5-6]时，对现行空气源热泵标准在我国寒冷地区的适用性进行了研究[7-8]，提出了该地区空气源热泵产品的名义和部分负荷测试工况，以及名义制热性能系数和制热季节性能系数的限定值。据此研发的产品经过近10年的工程应用检验，较好地满足了我国北方煤改清洁能源的供暖需求。但是，以名义工况室外干/湿球温度7/6 ℃研发的普通型空气源热泵以及名义工况室外干/湿球温度-12/-14 ℃研发的低环境温度型空气源热泵，仍不能完全满足我国主要采暖区的空气源热泵系统的应用需求。

为保障空气源热泵在我国不同气候区均能高效运行，同时又能降低成本，针对性地采用适宜的技术方案是今后研发空气源热泵产品的重要任务。因此，本文在调研国内外空气源热泵标准的基础上，针对我国不同气候区的气象条件、建筑的负荷特征，分析我国空气源热泵更为细致的分区设计的必要性，给出空气源热泵室外名义工况分区方案及其名义制热与名义制冷工况，进而探讨用于不同区域的空气源热泵的名义热冷比(名义制热量与名义制冷量之比)，以及在名义制热和名义制冷工况下的需求压缩比和需求输气量的差异，为不同气候区空气源热泵的产品研发提供技术发展思路。

鉴于空气源热泵的种类繁多，本文只探讨与室外环境密切相关的室外侧名义工况，其使用侧工况与产品类型、空调末端设备有关，由于该方面的研究结论已在相关产品标准中体现，故本文不再赘述。

1 国内外空气源热泵产品的名义工况

1.1 国内

表1所示为我国空气源热泵产品相关标准、分类及室外侧名义工况。由表1可知，在我国空气源热泵的标准体系中，热泵制热的适用区域主要有两类：普通型(名义工况室外干/湿球温度7/6 ℃)和低温型(名义工况室外干/湿球温度-12/-14 ℃)，而制冷则采用统一的名义工况(室外干/湿球温度35/— ℃)。

表1 中国空气源热泵产品相关标准、分类及室外侧名义工况Tab.1 The related standards, classification and outdoor nominal conditions of ASHP in China

1.2 国外

美国、日本及欧盟是空气源热泵技术体系较为成熟、应用广泛的国家与地区。表2所示为国外空气源热泵产品主要标准及设计分类。由表2可知，这些标准均要求对空气源热泵进行分区设计制热性能，以适应不同地区、不同气候和建筑的制热需求。以美国AHRI 210/240标准为例，在设计和考核单元式空气调节机制热性能时，由南至北划分为Ⅰ～Ⅵ 区共6个区域，并给出了各区域计算全年性能系数APF的各温度发生时间；而制冷则在全美范围内采用了统一的设计工况。

从上述分析可知，空气源热泵产品的制热性能正在向分区设计方向发展，而我国空气源热泵的制冷、制热设计评价体系尚不完善，体现在如下两个方面：

1)制热设计的室外侧名义工况虽然已从单一名义工况(干/湿球温度=7/6 ℃)向多分区名义工况方向拓展，但尚未涵盖我国的主要采暖区；

2)制热性能分区设计的要求尚未覆盖所有产品，如：单元式空气调节机目前仅有普通型机组的名义工况，尚无低温型产品的名义工况。

表2 国外空气源热泵产品主要标准及设计分类Tab.2 The related standards and classifications of designation in the world

图3 典型城市制冷季与制热季的各温度发生时间Fig.3 The distribution of outdoor temperature hours in cooling/heating season

下面将从我国典型地区的室外气象条件、建筑的负荷特征来分析空气源热泵进行分区设计的必要性，并给出我国空气源热泵室外侧名义工况的分区方案。

2 不同气候区室外工况及建筑负荷特征

2.1 室外工况的分布特征

为进行不同地区建筑物的热工设计和自然灾害预防，根据1月平均气温、7月平均气温和相对湿度等因素，GB 50176 《民用建筑热工设计规范》[25]将我国划分为严寒、寒冷、夏热冬冷、温和以及夏热冬暖5个建筑热工气候区，同时GB 50352 《民用建筑设计通则》[26]又将中国建筑气候分为Ⅰ～Ⅶ，共7个区域。

以哈尔滨、北京、南京和广州分别代表严寒、寒冷、夏热冬冷和夏热冬暖地区的典型城市。图3所示为典型城市的空气源热泵制冷与制热季节连续运行时的各温度发生时间(小时数)分布。图中“名义工况”是指制冷与制热的不保证时间为3%所对应的干球温度，以及基于名义干球温度±1 ℃内的室外干球温度所对应湿球温度的统计平均值所确定的湿球温度[8](图中只给出了干球温度)；而“峰值”是指温度发生时间最多的室外干球温度。

由图3可知，制冷运行时，4个典型城市的室外峰值温度主要集中在21～29 ℃，名义制冷工况的干球温度集中在32～37 ℃，对应湿球温度集中在24～28 ℃；制热运行时，室外峰值温度主要发生在-12～12 ℃之间；名义制热工况点的差异很大，干球温度分布在-23～7 ℃，湿球温度则分布在-28～3 ℃之间。

图4所示为我国主要城市的热泵运行在制冷和制热时的室外平均温度与极值温度(按租赁商铺运行模式统计[12])的统计结果。由图4可知，全国制冷季节平均室外温度为27.0 ℃，各地平均温度的最大偏差仅约4 ℃；而制热季节的室外平均温度为4.0 ℃，但平均温度的最大偏差高达13 ℃。其极端工况差异更大，如：长沙、海口等地区夏季的最高温度达到42 ℃，而哈尔滨、长春等地区则仅为32 ℃；长春的冬季则低至-33 ℃，而海口的最低温度高达8 ℃。

图4 我国主要城市的供冷季和制热季的室外温度Fig.4 Outdoor temperature in the cooling season and heating season of major cities in China

可知无论是运行的平均工况、名义工况还是极端工况，制冷季都远比制热季的温度分布均匀，我国主要地区空气源热泵的制冷运行工况差异远小于制热运行工况。因此，空气源热泵可按统一的室外工况设计制冷性能；但其制热性能要求的名义工况在不同地区差异很大。例如：哈尔滨以-25 ℃作为名义工况设计空气源热泵才能保证在该地区的供暖可靠性，而南京在-2 ℃下设计产品就足以满足供热要求。如果名义工况不进行区分，势必导致所设计的热泵远远偏离实际运行条件，不利于空气源热泵的节能、节材和可靠运行。

2.2 典型建筑的负荷特征

为研究不同气候区建筑负荷特征差异，在DeST[27]平台中分别建立典型住宅、办公室和租赁商铺的建筑模型以计算其建筑负荷。典型建筑模型的参数设置、参考标准及热泵的运行模式如表3所示。

从上述计算结果可知，不同地区、不同类型建筑在热泵运行期间的冷、热负荷随室外温度的变化差异很大，图5所示的居住建筑在间歇模式(仅在20∶00～ 23∶00运行)下的冷、热负荷分布就能反映这一特征。表4所示为不同地区、不同类型建筑用于评价空气源热泵季节运行性能的制热与制冷负荷线。

3 空气源热泵室外名义工况分区的建议

3.1 空气源热泵室外名义工况分区方案

综合2.1和2.2节对室外工况分布和建筑负荷特点的分析可知，空气源热泵的制热性能应分区给出其室外侧名义工况，而制冷性能宜采用统一的室外名义工况进行设计，以便针对不同气候区域采用不同的技术路线研发产品，确保建筑冷、热负荷需求，同时实现节能、节材要求。

1)室外侧名义制冷工况

对于制冷而言，其室外名义工况宜继续采用现行各种空气源热泵的名义工况，即室外干/湿球温度=35/24 ℃(采用蒸发冷却式冷凝器时需考虑室外湿球温度)。

2)室外侧名义制热工况

对于制热而言，可根据空气源热泵室外侧使用温度下限，对不同适用气候区的空气源热泵进行产品分类。空气源热泵按其适用的制热季气候环境，可分为4种类型，如表5所示。即制热A～D区型，分别适用于GB 50176[25]建筑热工分区以及GB 50352[26]建筑气候区划所对应的气候区域。由于海拔高、气压低等原因，制热C、D区型还包括一部分高原山地气候的高寒地区。其中，制热D区型空气源热泵，需适应严寒气候；制热C区(高寒)、D区(高寒)型更需适应高寒地区的超低环温和低气压环境需求。这里暂不考虑技术成熟度的问题，仅从需求角度分析A～D区型空气源热泵的室外侧名义工况，但并不代表已有成熟的推荐技术方案。

表3 典型建筑围护结构热工参数设置Tab.3 The thermal parameters of the envelope of typical building

图5 各气候区典型城市居住建筑间歇运行模式下的房间负荷随室外温度变化Fig.5 The room load in the intermittent operation mode of residential building in typical urban climate zones varies with outdoor temperature

气候区建筑类型与热泵运行模式居住建筑连续运行居住建筑间歇运行租赁商铺间歇运行办公建筑间歇运行建筑单位面积的负荷线/(W/m2)严寒地区BLh(tj)=15-tj15-0×68BLc(tj)=tj-2635-26×78—BLh(tj)=13-tj13-0×12BLc(tj)=tj-2135-21×56BLh(tj)=13-tj13-0×30BLc(tj)=tj-2135-21×54寒冷地区BLh(tj)=15-tj15-0×71BLc(tj)=tj-2635-26×85BLh(tj)=15-tj15-0×102BLc(tj)=tj-2635-26×121BLh(tj)=13-tj13-0×22BLc(tj)=tj-2135-21×105BLh(tj)=13-tj13-0×33BLc(tj)=tj-2135-21×66夏热冬冷地区BLh(tj)=15-tj15-0×74BLc(tj)=tj-2635-26×93BLh(tj)=15-tj15-0×159BLc(tj)=tj-2635-26×173BLh(tj)=13-tj13-0×37BLc(tj)=tj-2135-21×125BLh(tj)=13-tj13-0×34BLc(tj)=tj-2135-21×98夏热冬暖地区—BLh(tj)=15-tj15-0×236BLc(tj)=tj-2635-26×192—BLh(tj)=13-tj13-0×35BLc(tj)=tj-2135-21×106

注：BLh(ty)、BLc(tj)分别为建筑在外温tj下的热负荷和冷负荷，W/m2。

表5 空气源热泵制热分区类型及所适用的气候类型Tab.5 The division of air source heat pump in heating condition and applicable climate type

3.2 不同分区空气源热泵的室外侧名义工况

空气源热泵可按使用侧传热介质的不同分为空气-空气热泵、空气-水热泵，但对于同一气候区域，各种空气源热泵的室外侧工况均相同。

图6所示为不同制热分区类型所服务的典型城市、典型气候年的干球温度统计平均值，从中可以获得各种(1%～10%)供热不保证率下的室外干球温度。

根据2.1节的说明，通常采用该地区主要城市不保证3%制热时间的干球温度，及±1 ℃范围内的统计平均湿球温度(并进行适当圆整后)作为室外侧的名义工况，即可得到制热A～D区型空气源热泵的室外侧名义工况，如表6所示。

图6 各制热分区型所服务的典型城市在1%～10%供热不保证率下的室外干球温度Fig.6 The outdoor dry bulb temperature in typical cities served by various heating zones at 1% to 10% heating failure rate

热泵分区类型名义制冷工况名义制热工况 干球温度/℃湿球温度/℃干球温度/℃湿球温度/℃制热A区型制热B区型制热C区型(2)制热D区型(2)3524(1)76-2-3-12-13.5-25— (3)

注：(1)当采用蒸发冷却式冷凝器时对室外环境湿球温度的要求，而对风冷式冷凝器无此要求。(2)制热C区(高寒)、D区(高寒)型与制热C区、D区型热泵机组相比，风冷换热器的的风量存在差异，但制冷剂侧无显著差异，故采用相同的名义工况。(3)制热D区名义制热工况对应的含湿量极低，对湿球温度可不做要求。

4 适用于不同气候区的空气源热泵的技术特征

在明确我国不同气候区的建筑负荷特征以及空气源热泵在制冷季、制热季运行时的室外工况后，尚需探讨不同气候区用空气源热泵的技术要求，以便确定热泵产品名义制冷与名义制热工况下的容量比(即名义热冷比)，以及理论输气量、需求压缩比的差异。

4.1 名义热冷比

在设计兼顾制冷的空气源热泵产品时，必须确定名义制热量与名义制冷量，通常采用名义热冷比(即名义制热量与名义制冷量之比)来表征二者的相对大小。名义热冷比虽然是热泵产品的一个设计指标，但直接反映了不同气候区、典型建筑的冷热量需求。

基于暖通空调相关设计规范的要求，可以获得不同地区、不同类型建筑在其设计工况下的供暖与空调负荷指标，本文将其定义为建筑的“需求热冷比”(HCRBL)，其含义是室外供热设计温度时建筑物的热负荷与室外空调设计温度时建筑物的冷负荷之比。根据建筑的冷热负荷模型，折算成空气源热泵在其名义设计工况下的制热量和制冷量之比，并将此指标定义为热泵产品的“名义热冷比”(HCRn)，由此确定热泵产品的名义容量。

建筑的需求热冷比：

HCRBL=BLh(tdh)/BLc(tdc)

(1)

热泵的名义热冷比：

HCRn=Qh(tnh)/Qc(tnc)=BLh(tnh)/BLc(tnc)

(2)

式中：BLh(t)、BLc(t)分别为建筑在外温t下的热负荷和冷负荷，W/m2；Qh(t)、Qc(t)分别为热泵在外温t下的制热量与制冷量，kW，并认为热泵应输出与建筑相匹配的冷热量；下标dh、dc分别为建筑的冬季供热、夏季供冷的空调室外设计工况；下标nh、nc分别为热泵产品的名义制热与名义制冷工况。

表7所示为各气候区典型建筑及其热泵产品的热冷比。由表7可知，不同类型和用途的空气源热泵的名义热冷比存在很大差异。对于户用型(容量<35 kW)空气源热泵而言，制热A区型热泵的HCRn仅为0.34，而制热D区型则达到2.32；对于名义制热量≥35 kW的工商业空气源热泵，其制热A区型HCRn为0.15，制热D区型为1.11。

4.2 需求压缩比

空气源热泵在不同气候区、制冷与制热时的需求压缩比不同，其产品所采用的循环形式也不同。因此，明确名义制热与名义制冷工况下的需求压缩比对于产品研发时的系统形式选择至关重要。

选取两类典型制冷剂(R410A、R32)和两类室内末端(水系统末端：以风机盘管为例；风系统末端：以单元式空气调节机为例)分析其理论压缩比的需求估算值，计算结果如表8所示。由表8可知，制冷工况的需求压缩比小于3；而对于制热工况，制热A区、B区型的压缩比均小于5；而制热C区型的压缩比更高，制热D区型压缩比高达12。

表7 各气候区典型建筑模式及热泵装置的HCRTab.7 Typical building patterns in various climate zones and HCR of heat pump

注：户用均值是连续运行和间歇运行的平均值；工商业用均值是租赁商铺和办公建筑的平均值。

表8 不同分区的两类空气源热泵制冷与制热时的需求压缩比Tab.8 The demand compression ratio of air source heat pump for different zones

注：(1)室外侧：蒸发温度对应制热工况，冷凝温度对应制冷工况；(2)使用侧：冷凝温度对应制冷工况，蒸发温度对应制热工况。

4.3 理论输气量

不同制热分区的空气源热泵产品的压缩机在制冷与制热工况下所需的压缩比不同，且一台热泵通常很少采用多种类型的压缩机，故若制热与制冷时的需求输气量差异很大时，必须采用变容(包括变频、调速)调节。以采用对流末端的空气源热泵为例，根据名义热冷比及单位制热、制冷量需求，结合制冷循环压焓图中的循环过程及吸气比容，分析制冷与制热时的理论输气量需求，并依据“需求理论输气量比”确定空气源热泵所需压缩机的技术要求。表9所示为1 kW名义制热与1/HCRnkW制冷量下的理论输气量以及对二者的“需求理论输气量比”的要求。

4.4 各区域空气源热泵的技术路线分析

受名义热冷比和对压缩机的需求压缩比、需求理论输气量的约束，不同区域的热泵应发展不同的空气源热泵技术，包括：主要服务功能(主要是制冷还是制热)、系统循环形式、变容技术等。

1)不同分区类型空气源热泵应对应不同的主要服务功能，取决于所服务类型建筑的冷热负荷需求。应根据其主要服务功能，进行制热或制冷性能设计，再对其制冷或制热性能进行校核设计。由表7可知，对于户用型热泵产品，制热A区型热泵的主要服务功能是制冷，制热B区型则要求冷热兼顾，制热C区型、D区型则应以制热性能为主进行设计；对于工商业用型热泵产品，制热A区型、B区型的主要服务功能都是制冷，制热C区型要求冷热兼顾，而制热D区型则应以制热为主进行性能设计。

表9 不同类型空气源热泵对制热与制冷时的理论输气量比的要求Tab.9 Requirements for the ratio of theoretical gas delivery volume to theoretical gas delivery volume during heating and cooling of different types of air source heat pumps

2)需求压缩比不同，其产品所采用的循环形式也不同。由表8可知，对于制冷工况，只需要单级压缩即可满足要求；而对于制热工况，制热A区、B区型压缩比较小，采用单级压缩或制冷剂补气(准双级压缩)技术即可满足制热要求；制热C区型则以制冷剂补气、双级压缩为主；制热D区型的需求压缩比较高，需采用双级或多级压缩(或双级+制冷剂补气)才能达到压缩比要求。此外，如果一台空气源热泵产品只采用一台压缩机，在设计以制热为主的空气源热泵产品时，考虑到需求压缩比较大，应按制热性能确定循环形式并可考虑选配大压缩比带中间泄出(泄气)的压缩机，以提升全年的系统能效比。

3)当需求理论输气量比差异很大时，必须进行变容调节。对于户用型空气源热泵产品，制热C区、D区型输气量比在2以上，故需采用变频调速技术，才能使冬夏季输气量基本对应；对于制热B区型，冬夏输气量比仍有显著差异，因此仍应以变频调速技术为主；而制热A区型热泵的输气量比远小于1，虽然采用定容也能满足使用需求，为提高全年系统能效比，宜采用变容技术。对于工商业用机组，制热A区、B区型的理论输气量比均小于1，制热C区型机组略大于1，而制热D区型机组则热冷输气量比远大于1，因此，制热A区、B区及D区型机组应采用变容技术，而制热C区型也可适当采用定容技术，但采用变容技术也有利于提高部分负荷工况的性能，避免因频繁启停造成的性能衰减。

表10 不同分区空气源热泵的技术路线Tab.10 The technology development route for different zones of air source heat pump

表10仅给出了推荐性技术路线和发展方向，并不代表这些地区的最佳方案。特别对于制热D区型空气源热泵，目前虽然也进行了一些尝试，但还需经过大量的工程示范和实际运行及应用效果检验，并结合技术经济分析才能确定其确切的技术方案。虽然已有技术可以适应严寒地区使用，但如果热泵的能效过低(如低于燃气采暖的一次能源效率)、或经济性差、或不能可靠运行，都不能成为有效的技术方案。对于高寒型空气源热泵机组，更应注意满足对超低环温和低气压环境的需求。

5 结论

空气源热泵在我国得到广泛应用，在供暖空调产业中承担着越来越重要的作用。对不同地区提供相应需求的空气源热源产品是推动空气源热泵技术和产业有序、健康发展的重要措施。本文根据我国气候特点、负荷特征以及空气源热泵特性，结合国内外空气源热泵标准的发展状况，通过数据统计、建筑负荷模拟、制冷系统理论循环分析等方法，提出了空气源热泵室外侧名义工况分区方案，并从名义热冷比、需求压缩比及理论输气量比3个方面对不同分区下的空气源热泵技术特征进行了分析。主要结论如下：

1)空气源热泵无论是运行的平均工况、名义工况还是极端工况，我国主要地区制冷季都远比制热季的温度分布均匀，制冷运行工况差异远小于制热；同时鉴于我国主要地区典型建筑的冬夏季负荷特征差异很大，因此有必要对我国空气源热泵室外名义设计工况进行分区。

2)基于我国气候特征，分析指出我国空气源热泵宜分为制热A～D区型，进而给出了不同分区的空气源热泵室外侧名义工况；同时指出其制冷性能宜采用现行统一的室外侧名义工况进行设计。

3)由于不同地区的室外气候和建筑负荷特征存在较大差异，故不同分区的热泵产品的名义热冷比、名义制热与制冷工况下的需求压缩比、需求理论输气量也存在较大差异，据此给出了不同分区的空气源热泵的技术发展方向，特别是为了保证制冷与制热设计工况下的容量需求，并提高全年运行能效，因此需发展变压缩比和变容调节技术。