在建成小康社会的未来十年，在以人为本的和谐社会，在资源节约型环境友好型的国家，在造福子孙后代的道德理念指导下，新能源与可再生能源的开发与合理利用，都是科技工作者为之奋斗的方向。
为此，本文讲空气源热泵地暖在我国寒冷地区如何用于采暖的问题。
第一部分 关于建筑中的采暖
一、我国寒冷地区图界与代表性城市
二、在寒冷地区常用的采暖方式及其对热源参数的要求
1、热风采暖：其送风装置有风机盘管和大风道。两者由于送风温度不宜太低,所以，热媒温度一般不低于45℃。如用热水，则热源的工质不应低于48～50℃，这种温度不能随外气温的升高而降低。
2、散热器采暖：传统的散热器采暖系统，其热源多为城市中的热力网或锅炉房，由于管网长，并联的用户多，为避免近、远端网路供热不均匀，其设计的供、回水温多有变化。例如不再是95℃/70℃，而是80℃/65℃等。后者的平均温度也降低是由于气候变暖的缘故。那么大家要问：对于节能建筑，其水温是否可以降低呢？原来，散热器向房间散出的热量是由下式确定的，即
Q=K.F.⊿T (2-1)
式中：⊿T——散热器表面的平均温度tcp与房间内与之热交换的空气温度（一般就取做室温℃）之差，⊿T=tcp-18℃
K——一般散热器是根据在大空间中，空气的自然对流加热的原理进行散热的（辐射部分较少），K叫传热系数，它表示了单位散热器面积单位温差⊿T时的传热量，w/㎡℃
F——散热器的总散热面积㎡，它由若干个散热片组成，并有些对于不同安装方式造成的修正系数，后者属细节问题。
K是根据不同厂家的产品，在标准实验台上测得的数据。就目前多数产品而言，K∝⊿T0.25～0.3，所以（2-1）式可写为
Q=F（⊿T）1.25～1.3 (2-2)
于是，由（2-2）可知，如果房间中散热器的面积（片数）不变而Q发生变化，例如Q下降了75%，为Q’则新的供回水平均温度与房间空气的温差⊿t就会按如下的规律下降，即
如上述
则⊿t′=17.9～18.6℃
则供、回水平均温度变为35.9℃～36.6℃
这就给低温热源利用开启了大门，也同时说明了这时用集中的高温热源供热是对能源的浪费，并且，在这种情况下，对集中热网而言，供回水温度、温差、流量、管网尺寸及压头等会寻求一系列的新的优化参数，否则，就不合理了。
3、辐射采暖：在这里，我们先不去讨论局部的辐射式采暖（如壁板和壁挂式等），重点讨论地面辐射采暖。
辐射采暖与散热器等以空气对流传热为主的散热装置散热的机理最大的不同是，辐射散热面，例如地面对房间的顶棚、墙壁及其上的门窗的内表面依相对位置的不同进行大小不等直接的传热，从而提高了其温度，也同时以对流加热房间空气，而不是像散热器那样靠加热房间空气，再去加热顶棚、墙壁等。所以，采用辐射采暖时，房间围护结构(顶、墙等)内表面平均温度——“tpj”较高。理论与实践证明，房间内人体的热舒适感在没有风吹的情况下，可以下式表述，即，人体的热舒适等感温度tsh可表述为：
tsh=0.52tr+0.48 tpj (3-1)
所以，当获得相同的tsh时，由于tpj的提高，tr可以低2℃，或反之，如果tr相同的情况下，辐射采暖的热舒适度高于散热器等的对流采暖。
然而，地面辐射采暖究竟需要多高的供水温度、在多大的温差下可以满足寒冷地区的采暖需求？作者在2012年第二期《暖通空调》上发表的“关于我国北方寒冷地区采用空气源热泵地暖地板采暖的节能性和舒适性分析”一文中做了推导。在2003年二期《供热制冷》刊物上做过理论阐述与示范实例报导，（“在我国北方寒冷地区稳步推广中的空气源热泵地暖地板空调采暖”）。在2011-2012年北京鸿博家园空气源热泵地暖薄型预制地板辐射采暖中的全冬季测试结果进一步得到证实。对应于寒冷地区的节能建筑采暖负荷现摘录论文的部分数据列于下表：
表中计算条件：陶瓷面砖8mm，豆石水泥砂浆填层30mm，PEX管20/16间距200mm，绝热层30mm，地表面温度限值24℃～26℃，室温18℃。
由表2可见：由于地板辐射采暖面积大，所以，对于自1996——现在几经变化的节能建筑单位建筑面积采暖设计负荷而言，其水盘管的供水温度不过在30℃～35℃左右，而不是40℃～45℃.在人居住或长期停留的房间内，也不允许那么高的水温造成的地板表面局部高温。由表2还可见，盘管内水与地面的平均温差4℃～7℃，其中填充层的热阻是不容忽视的。
表2中所定的供回水温差为3℃～5℃是为了使地面表面温度均匀并与热泵的换热器衔接。此外，如果采暖设计负荷中要考虑四周临室不采暖时的不利情况，则供水温度还需要提高些。
表3列出了2001～2002年冬季在天鸿集团曙光花园88㎡单元房以索兰空气源热泵地暖低温热水地板采暖时的外温、室温和水温等相关记录数据。证明了上述理论推算结果的正确性。
三、关于采暖设计外温及对热源供热的要求
房屋的外围护结构是由外保温顶、地墙体和双（单）层窗、门构成的。多层建筑顶、地有传热。中间层理应无传热。寒冷地区的这些建筑都有较大的蓄热性。这种特性的表现为：启动的热量大，但停止后不是立即室内空气就冷却下来，因为围护结构仍在放热，这种性能称“热惰性”，由于房屋的热惰性，使外气温的突然升高或降低，并不立即改变室内、外的传热量或热负荷，所谓“突然”是指如昼夜变化的外温，其在24小时内可能最高最低温差为10℃左右。或者说最低温，如-15℃，只持续个把小时或更少一些，就又升高了。那么它并不立即影响室温。
说明向室内的供热量不依瞬时外气温为转移，可以以采暖设计外温为准来均衡供热就可以维持室温了。这种情况对于厚型地板辐射采暖的方式更加突出。
小结
由上述分析可见 1）对于热风供暖，由于对风温的限制，无论外温如何，负荷大小，只要送风，其热源温度都必须要42℃～45℃。2）对于散热器采暖，以往的非节能建筑中，热源供水温度都比较高，对今后的节能建筑，如果散热器面积不变，水温可望下降至40℃以下。3）对于地板辐射采暖，由于散热面积大，传热方式也不同，用低温热水尤其是节能建筑即可满足室温要求，同时满足人体对地板表面温度上限的要求。4）当使用散热器或地板辐射采暖时，由于供暖房间有热惰性，房间所需供热量或设计热负荷并不随室外气温的瞬时变化而变化，而应当以采暖专业领域的特称“采暖设计外温”为准，来确定。近年来，随着气候变暖，采暖设计外温普遍提高，例如北京近20年已由-9℃～-7.6℃，而这些数字对于厚型地板辐射采暖或许还更保守些。
第二部分 空气源热泵地暖
1、概述
上世纪七十年代以来，空气源空调机由于其节电、唾手可得等优点吸引了众多专家学者不断探索如何用于采暖，即变为热泵。这种产品在我国长江流域无疑首先得到发展。研究的问题当时首要是压缩机及重要部件的可靠高效以及除霜等问题。
在蒙特利尔协议及京都议定书等会议后，为保护大气环境，随之而来的研究课题是制冷剂的替代问题，这个大课题也随之挑战了寒冷地区如何利用空气源热泵地暖采暖的问题。首先，针对我国气候区划Ⅱ寒冷地区，它的室外气温是比较低的，这对于与外气温高、低密切相关的空气源热泵地暖采暖来说是首当其冲的。但是其中东北的营口、大连，海拔高的银川、大同乃至北京的延庆都有更低的温度，却不代表大多数地区，应个别处理。
其次，从前文所述可以看到所谓“采暖”问题，不能不分哪类末端一概而论。地板辐射采暖乃至今后本文继续论述的顶棚采暖，都与热风采暖所需热源与热媒温度大不相同，不能混为一谈。
再次，前述三种采暖方式的供暖热量与外气温的关系也极不相同，热风采暖与瞬时外温相关，其他则不然。
有了这些区别为前提，我们就可以进行研究分析了。
2、几种有全局性进展的研究：
清华大学建筑技术科学系博士生柴沁虎[1]在2002年《能源工程》上发表的“空气源热泵地暖低温适应性研究的现状及进展”一文，较全面地论述了该文章发表前对应用于在寒冷地区采暖的空气源热泵地暖的各种技术方案，方案围绕着安全可靠地运行、高效及经济性的问题问题。并在如下表4中指出了寒冷地区有代表性的城市的相关数据。
校对[1]述及的文献内容以相同或不同观点加以阐述如下：
① 在气温低到一定程度时，使用电辅助加热，这种方法已沿用到现在。
② 日本一些专家提，出用燃油或燃气作辅助热源，这种方法有些不安全，不合理，没有普遍推向市场。
③ 压缩交流变频或直流变速技术，已普遍用于空调，但在低温下，过分提高压缩机的转速，会使噪音加大，否则，要在制造上加大投入。
④ 上世纪80年代，zhong jianyi 和sven jensson提出了在原本对压缩比要求不严，且带有75%以内负荷调节能力的双螺杆压缩机热泵系统上加装“经济器”的技术方案。其原理图见图2。
这就是在冷凝器后的高压区提取一部分冷凝液经部分膨胀后经中间热交换器吸热后进入压缩机中部（补气或喷液状态）与低压吸入的汽混合后回到高压，它可以弥补从低温低压下吸入气体的不足，增加压缩过程的流量，使其高压的流量，即热量增大，也因此，减少压缩机的摩擦损失和排气过热，使运行安全，且提高了效率。据称，这种系统可以在蒸发温度-15～-40℃下提高制冷量19～44%，COP提高7%～30%但[1]没给出相应的冷凝温度。
⑤ 几乎同期Nobukatsu Arai 提出用在压缩过程的中间压力处，将气液混合物体扩容，使气液分离；将气体引人压缩机中压段叫“闪蒸器”，其作用和效果与上述类似（日本大金公司在2010年左右推出小型压缩机的热泵产品中公布了这种空气源热泵地暖的压缩系统）。总之，上述方案是以单级压缩机的“中间补气”替代了两台串级接力压缩机的所谓准二级压缩系统。他们的出现首先是为了深度冷冻，对于制冷领域也是一大贡献。但是，由于螺杆式压缩机的功率都很大，至今还没有小型化，所以，尚未在空气源热泵地暖领域推开。
⑥ 二十世纪末至二十一世纪初清华大学热能工程系博士后马国远[2]等人，成功地在小型涡旋压缩机上开启了辅助进气口实现了带经济器的准二级压缩系统。其系统见图3.该系统与普通压缩机的空气源热泵地暖相比有如下不同：
（1）前者有三个压力，即高压、中压和低压。中压是由冷凝器出口经电子膨胀阀（必须的，因为要精确控制节流度）节流产生的。因而，第一多了电子膨胀阀
（2）增加了“经济器”或称中间冷却器在其中中压的回路与高压通往低压的主回路中的制冷剂在进行热交换，中压液吸收热变汽后通入压缩机中间的中压进气口，或称辅助进气口与低压混合，因而，又多了一个中间热交换器。
（3）为了实现有辅助进气与无辅助进气（普通单级压缩机）的两种工况，在中压系统上装有切换工况的截止阀，因此，又增加了转换阀。
遗憾的是该文只做到蒸发温度te=-25℃约相当于外气温-15℃冷凝温度tk=45～48℃，或者说冷凝温度tk与蒸发温度te之差仅为70℃。后该文又得出当tk-te≤60℃时，该准二级压缩机（或曰补气増焓）系统的优越性不大了。
⑦ 2004年，清华大学建筑技术科学系田长青、石文星博士[3]等进一步探讨了双级涡旋压缩机与变频技术结合的空气源热泵地暖系统，得出在冷凝温度50℃，蒸发温度-25℃的工况下，系统的COP高于2.0，且排气温度低于120℃的结论。
⑧ 2000年哈尔滨工业大学马最良[4]提出将空气源热泵地暖低温（10～20℃）水系统通过一个中间水箱与水-水或水-空气热泵系统形成双级耦合的热泵系统进行低温环境下的供暖方案。该系统在2009～11年三个冬季由清华大学李元哲[5]等在清华阳光公司的办公楼内应用于太阳能热水地板采暖夜间的辅助热源，效果很好。该系统运行稳定，效率高。在室外气温平均-10℃供水温度50℃的条件下，COP为1.99。但由于设备较多，对小用户有些困难。以上的研究大多采用R22制冷剂。
第三部分
1、寒冷地区究竟要用哪种空气源热泵地暖采暖？
首先通过表1可以看出我国寒冷地区除海拔高的如大同、银川、受东北地区气候影响的如丹东、营口以外，大部分地区采暖设计外温都高于-10℃.并由表3得知，-15℃以下的气温很少出现，低于-10℃的气温时数不多。
其次，明确热风采暖的热媒温度应为45℃左右，且它的供暖室外计算温度应是冬季空调设计外温，如表3中给出的北京是-12℃，但地板辐射采暖设计水温是35℃，它的供热量是对应采暖设计外温，如北京为-7.6℃，但其热源应当在-15℃的外气温下能够运行。
第三，我们已明确蒸发温度与外气温，冷凝温度与供水温度之间的差别，即冷凝温度tk比供水温度约高5℃，蒸发温度比对应的外气温低8～12℃.
最后，我们选用热泵机组必须符合国标（我国机械工业部关于压缩机最大压差与排气温度）的规定，也必须符合产品厂家关于使用要求的规定（如谷轮柔性涡旋压缩机规定压缩比不得大于6.0）
遵循上述的统一认识，让我们比较下列的表5中的数据
表中的制冷剂都是R22
1、Ⅰ型在-10℃外温下无论压缩机的最大压差，还是压缩比都不超国标规定。在-15℃下略高，但由表3可知，在寒冷地区大部分城市，这种气温时数不多，谈不上烧毁压缩机问题。此外，这种天气中空气的含湿量极少，冲霜问题可以由可知解决。
2、在外气温-7℃～-10℃～-15℃之间运行时，Ⅰ和Ⅱ型的能效比相差不多。所以，节能性相差不多。并且，供热量下降百分比也相差不多。
对我国寒冷地区采暖运用空气源热泵地暖时说明Ⅰ和Ⅱ各自适应不同的采暖方式，从技术上，Ⅰ型无需被Ⅱ型替代。
结论：
1、由于建筑中的采暖装置（又称末端）的不同，对热源供给温度（又称热媒温度）的需求也不同。对于热风采暖，人体感受的需要，无论在何种外温下热媒温度不能低于45℃左右，例如ta=-15℃也要供45℃的热水。而对于地面辐射采暖，则由于建筑的蓄热性，可以按照采暖设计外温的需热量来供。例如北京地区，采暖设计外温为-7.6℃，（热源可以不管室外气温如何波动，都可以按-7.6℃来供热量和供水。因此，热源如果用空气源热泵地暖的话，热风供暖，从室外到室内的温差是很大的，差不多为60℃.但后者的温差则要约43℃.
2、对我国寒冷地区采暖，运用空气源热泵地暖时Ⅰ型与Ⅱ型各自适应不同的采暖方式，从技术上Ⅱ型不能替代Ⅰ型用于寒冷地区的热风采暖，从技术经济及管理上Ⅱ型无需被Ⅰ型替代。
此外，马国远曾得出过tk-te≤时，用补气増焓的压缩系统意义不大，因为这时的压缩比还正常，压缩过程的各项损失也正常，不需要从另一方面为马国远的结论给予证实。
用中间补气的准二级压缩机系统进行地板辐射采暖的工程实例不多。XX公司在秦皇岛等地进行过，但公布的冬季COP并不比同期对比的普通空气源热泵地暖高。
3、将准二级压缩机应用于小型压缩机是一个大的技术进步，它完全可以解决空气源热泵地暖热风供暖用于寒冷地区的问题，在某些建筑中，十分必要。用普通单级压缩机产生低温热水用于地板辐射采暖也是一个技术进步，由于它相对简单、经济，偏于维修，十年来的实践和理论证明了它已走向成熟。它用一种更节能、更舒适的方式解决了寒冷地区的采暖问题。
六、关于三联供空气源热泵地暖
生活热水是与建筑采暖、制冷与负荷大小，使用规律大小不相同的一种热负荷。
太阳能热水是在白天加热的，也是受欢迎的。关于热水的水温是按人体的需求及能源利用的合理性确定的。如太阳能热水器的供水设计温度是45℃。
因此，在我国寒冷地区，例如北京，用空气源热泵地暖加热生活热水是不成问题的。问题是如何加热使热泵可行而高效，且不影响采暖与制冷。有的企业已经或即将推出合理的系统与控制模式。
参考文献
[1]柴泌虎.空气源热泵地暖低温适应性研究的现状及进度（J）能源工程2002.
[2]马国远等.寒冷地区空调用热泵的研究.太阳能学报 2002.2.
[3]田长青，石文虎.用于寒冷地区双级压缩机变频空气源热泵地暖的研究 太阳能学报2004.6.
[4]马最良.空气源热泵地暖冷热水机组在寒冷地区应用的分析（J）暖通空调2001.3.
[5]何端练，李元哲等太阳能-空气源/水源热泵双级耦合的地板采暖系统在寒冷地区的应用（J）供热制冷2011.10.
