空气能

定义

空气能指大气中蕴含的低品位热能，也常被称为空气热能，其能量归根结底来自太阳辐射对地表和空气的加热，因而被归入可再生能源范畴^[1][2]。这种热能品位低、温度接近环境空气温度，本身无法直接满足采暖或生活热水所需的温度条件，必须依靠专门装置收集与提升后才能利用，利用这一能源的技术即空气能热泵技术^[2]。

2009 年 4 月 23 日，欧盟通过《可再生能源指令》(Directive 2009/28/EC)，将空气热能(aerothermal)确定为存在于环境空气中的能量，与太阳能、地热能并列纳入可再生能源范围^[1]。该指令同时要求，只有运行性能高于设定门槛的热泵所利用的空气热能才能计入可再生能源^[3]。

原理

空气能的利用依托热泵装置，其核心是逆卡诺循环，主要部件包括压缩机、蒸发器(热源侧换热器)、冷凝器(加热侧换热器)与节流装置^[4][2]。低温低压的制冷剂流经蒸发器时，因温度低于外界空气，从空气中吸热并蒸发；气态制冷剂经压缩机升压升温后进入冷凝器，把热量交给水或室内空气并冷凝为液体；液态制冷剂经节流元件降压降温，重新具备吸热能力，循环往复^[2][5]。整个过程消耗电能驱动压缩机，而非用电直接加热，因此是热量的搬运而非热能的转换^[6]。

根据能量守恒，进入冷凝器的热量等于压缩机消耗的电功与从空气吸收的热量之和，故性能系数恒大于 1^[7]。性能系数即制热量与输入功率之比，行业标准中记为 COP，其单位为千瓦每千瓦(kW/kW)。理论上的极限效率与工作温差有关，可近似表达为 $COP=\frac{T_H}{T_H-T_L}$，降低冷凝温度与蒸发温度之差有助于提高能效^[8][5]。

flowchart LR

A[空气中的低品位热能] --> B[蒸发器:制冷剂吸热蒸发]

B --> C[压缩机:压缩升压升温]

C --> D[冷凝器:向水或室内放热]

D --> E[节流装置:降压降温]

E --> B

发展历程

1820 年，法国工程师卡诺提出由两个等温过程和两个绝热过程构成的理想循环，后称卡诺循环；其逆向运行即逆卡诺循环，成为热泵制热与制冷共同的理论基础^[9]。热泵技术按热源不同分为空气源、水源和地源三类，以空气为热源的空气源热泵是空气能利用的主要形式^[9]。

2009 年 4 月 23 日，欧盟《可再生能源指令》施行，把空气热能计入可再生能源，并要求成员国按附件的统一方法核算热泵提供的可再生能源量^[10][11]。2013 年 3 月 1 日，欧盟委员会发布 2013/114/EU 决定，规定成员国估算可用热量与季节性能系数(SPF)的具体指南，并明确电驱动热泵计入可再生能源所需的最低 SPF 为 2.5^[12][3]。

在中国，2012 年 5 月 30 日通过的《浙江省可再生能源开发利用促进条例》把空气能列入可再生能源范围^[1]。2013 年 6 月 9 日，GB 29541-2013《热泵热水机(器)能效限定值及能效等级》发布，并于同年 10 月 1 日实施，规定了以空气为热源的热水机组的能效限定值、节能评价值与能效等级^[13][14]。2015 年 11 月 25 日，住房和城乡建设部科技发展促进中心发布《空气热能纳入可再生能源范畴的指导手册》^[1]。

应用

建筑采暖与生活热水是空气能利用最成熟的领域。空气源热泵热水机组以空气为热源、用电动机驱动蒸气压缩循环，把低品位热源的热量转移到水中制取热水。按加热方式可分为一次加热式、循环加热式与静态加热式等类型，出水温度通常设定在 55℃ 左右。相关工程规范提出，空气源热泵可作为太阳能热水系统的辅助热源，并在选型时宜在工业余热、废热、地热等之后考虑^[15]。

在采暖和工农业领域，空气源热泵可承担建筑供暖、制冷，以及烘干、多能耦合等用途^[2]。针对寒冷地区，采用喷气增焓等技术可拓展低温工况下的适用区间，部分低温机型可在 -25℃ 的环境下继续制热^[5]。我国地方和部委的政策文件也推动空气源热泵在居住建筑、公用建筑与农业用能领域应用。

空气能在统计与认证体系中已有明确地位。欧盟以可用热量与季节性能系数来计算热泵提供的可再生能源量，并给出不同气候区和不同热源类型的默认取值^[16]。在中国，空气源热泵热水机组的能效被划分为 1 至 5 级，1 级表示能源效率最高^[15]。

局限

空气能的品位受环境温度制约，热泵的制热量和能效会随气温下降而衰减，而生活热水的需热量往往在气温低时更大，形成供需错位^[15]。标准工况下测得的能效比数值较高，实际运行中受气温、冷水温度与热水温度影响，通常达不到名义工况的数值，因此工程设计中应以实际工况的能效作为计算依据^[15]。

蒸发器结霜是低温高湿条件下的固有问题，除霜运行会增加能耗并拉低机组能效^[17][18]。此外，热水输配管路的热损失在生活热水系统中无法被用水点利用，多栋建筑共用的系统其管路热损失可达供热量的 20% 以上，需要在系统设计中加以控制^[15]。

空气能的可再生属性并非无条件成立。欧盟规定电驱动热泵须达到最低季节性能系数 2.5 才可计入可再生能源，空气源热水机通常只在特殊情况下能超过该门槛^[3]。因此空气能利用的减排效果与当地电力结构、机组实际运行效率直接相关^[18]。

参见

• 热泵 —— 通过消耗少量高品位能源把热量从低温热源搬向高温热源的装置，是空气能利用的核心设备。

• 逆卡诺循环 —— 空气源热泵制热过程所依据的热力学循环。

• 空气源热泵 —— 以空气为热源的热泵系统，是空气能最主要的实现形式。

• 地源热泵 —— 以土壤或地下水为热源的热泵系统，可与空气源热泵对照理解。

• 性能系数 —— 衡量热泵制热量与输入功率之比的能效指标。

• 可再生能源 —— 空气热能在欧盟等法规体系中被归入的能源类别。