更新时间：2023-07-05 21:08
空气能（air 能量），是空气热能的简称，即空气中所蕴含的低品位热能，又称空气源。与空气能相关的原理包括卡诺循环、热力学第一定律、热力学第二定律。空气能热泵是其重要的应用之一，空气能具体应用于空气能热水器、节能日光温室增温、烘焙系统温控、空气能燃气机热泵、发酵罐、加热浸出装置等。因其具有节能、环保、设备应用率高、调控方便等优点，世界各国都在大力发展空气能项目。
空气能，是空气热能的简称，即空气中所蕴含的低品位热能，又称空气源。空气中含有大量的热量，这些热量来源于人类活动、太阳光辐射、地球资源开发利用、物质燃烧等。空气能与太阳能、风能、潮汐能等都是可利用的再生能源。
19世纪初发明的蒸汽机热效率很低，为提高热机效率，法国科学家萨迪·卡诺（Sadi karnot）在1824年首次以论文提出“卡诺循环”理论。随着工业革命的发展，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵"送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家焦耳（J.P.Joule）提出了“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1854年，开尔文勋爵（Lord 开尔文）发表论文，提出了热量倍增器（热学 乘法器）的概念，首次描述了热泵的设想。20世纪30年代，随着氟利昂压缩式制冷机的发展，热泵有了较快的发展。特别是第二次世界大战以后，工业经济的长足发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供热及工业用热泵的发展。20世纪50年代初，乔丹（Jodan）和塞克尔德（Therkeld）就提出了太阳能与热泵结合实现供热制冷这一思想。1973年的全球性能源危机，进一步促进了热泵在全世界范围内的发展。世界各国纷纷加大了研发力度，推广热泵技术。2009年，欧盟通过法令，将“空气热能”纳入可再生能源范围。2015年11月25日，由住建部科技发展促进中心牵头召开的空气热能在夏热冬冷地区建筑上的应用技术交流会上发布了《空气热能纳入可再生能源范畴的指导手册》。北京、浙江省、福建省、安徽、河北省、广州市、广西壮族自治区等省（区、市）已将空气能纳入可再生能源的范畴。
卡诺（Sadi karnot）从水通过落差产生动力得到启发，总结了热机工作的本质，热机产生机械功的关键因素是两个热源的温度差。1824年，卡诺在《论火的动力》一文中明确指出：热机想要产生机械功，必须工作在两个热源之间，从高温热源吸取热量，又把所吸取的热量的一部分放给低温热源。卡诺从理论上研究了一种理想热机，这种热机的工作物质只与两个恒温热源交换热量，整个循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。这种理想循环称为卡诺循环（Carnot Cycle），相应的热机叫卡诺热机（Carnot Engine）。
A→B为等温膨胀过程，气体对外做功，热力学能不变。由热力学第一定律，气体从温度为T1的高温热源吸热
B→C为绝热膨胀过程，气体继续对外做功，与外界无热量交换，热力学能减少，温度下降到T2。有准静态绝热过程方程
C→D为等温压缩过程，外界对气体做功，气体的热力学能不变。气体向低温热源T2放出热量
D→A为绝热压缩过程，外界对气体做功，无热量交换，气体的温度上升到T1，回到初态。有绝热过程方程
由热机效率的定义式可以得到理想气体为工作物质的卡诺热机的效率为
由绝热过程的两个方程式可得
所以卡诺热机的效率可表示为
上式说明，理想气体卡诺循环的效率只与它所接触的两个热源的温度有关，两个热源的温差越大，效率越高。实践指出，提高高温热源的温度比降低低温热源的温度要经济得多。而且一般情况下，低温热源为大气环境，因此提高热机效率的关键在于提高高温热源的温度。由于在卡诺循环中要放掉一部分热量给低温热源，所以卡诺热机的效率小于1。再者，由于实际过程不可能进行得非常缓慢（即并非准静态过程），过程也并非完全绝热，所以真实热机的效率只是理论值的20%～30%。
若系统由状态1出发经过某一过程到达状态2，系统再由状态2返回状态1时，原过程对外界产生的一切影响也同时消除，则由状态1到状态2的过程称为可逆过程，否则就是不可逆过程。
例如，一个理想气体系统由状态1（）出发，按准静态等温膨胀过程到达状态2（），如下图所示。假如在此过程中，不存在诸如摩擦力、黏性力等引起耗散效应的因素，那么过程1→2就是可逆过程。在此过程中，系统从外界吸收的热量QT全部用于对外界做功A，它们数值相等，则为
若系统由状态2返回状态1，经历了与过程1→2相同的中间状态，即过程2→1，那么过程2→1一定是准静态等温压缩过程。在过程2→1中，外界对系统做功，全部转变为系统向外界释放的热量Q'T，数值为，所以。
这表示，当系统由状态2返回状态1时，在原过程1→2中，系统从外界吸收的热量，又释放给了外界，系统对外界所做的功，外界又以等量的功归还给系统。系统和外界都恢复了原状，因此，过程1→2是可逆过程。
由此可见，可逆过程必须是准静态过程，而且必须是无耗散效应的过程。严格的准静态过程是不存在的，它只是一种理想状况。另外，无耗散效应的过程实际上也是不存在的。例如，当活塞移动时，必须克服汽缸壁对活塞的摩擦力而做功，这部分功将以热能的形式散发到周围的空气中。所以，无耗散效应的过程也只是一种理想状况。由此得到，严格的可逆过程实际上是不存在的。自然界中发生的一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，热力学第二定律正是这种不可逆性的反映。
热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。从对逆循环的讨论中知道，系统从低温物体吸收热量而向高温物体释放热量，外界必须对系统做功。根据热力学第二定律的克劳修斯表述，假如外界不对系统做功，系统不可能从低温物体吸取热量并向高温物体释放热量，从而达到使低温物体制冷的目的。自然界中过程的进行，除必须遵循能量守恒定律之外，还必须受到方向性的限制，即某一方向的过程可以实现，而另一方向的过程则不可能实现。
一般情况下，系统内能的改变是做功和热量传递的共同效果。假设系统在某一过程中从外界吸收的热量为Q，同时它对外界做的功为A，系统的内能由初态的E1变为末态的E2。根据能量转化与守恒定律有，即系统从外界吸收的热量一部分使系统的内能增加，另一部分用于系统对外界做功，这就是热力学第一定律。显然，该定律是包括热现象在内的能量转化与守恒定律。
对于一个微小的状态变化过程，热力学第一定律的数学形式可写成，式中分别表示在该微小过程中系统所吸收的热量、内能的增量以及对外做的功。将上式对热力学循环积分，并利用，便得到循环过程热力学第一定律的表达式，即在循环过程中，系统对外界做的净功等于系统从外界吸收的净热量。
根据热力学第二定律，热量是不能自发从低温区向高温区传递的，必须向热泵输入一部分驱动能量才能实现这种热量的传递。热泵虽然需要消耗一定量的驱动能，但根据热力学第一定律，所供给用户的热量等于消耗的驱动能与吸取的低品位热能的总和。用户通过热泵获得的热量永远大于所消耗的驱动能，因此说热泵是一种节能装置。热泵从热力学原理上说是按逆卡诺循环工作的，是利用排放热量向对象供热，达到制热目的。
热泵制热时的性能系数称为制热系数，用COPh表示。对逆卡诺循环，由热力学定理可以证明，其制热系数为
热泵的热源是指可利用的自然界低温能源（空气、水及土壤等）和生活、生产排出的废热热源。这些热源的温度较低，但能量很大，可以通过热泵来提高品位，向生活和生产过程提供有用的热量。
空气能热泵是空气能的重要应用之一，此外空气能的应用还包括空气能热水器、日光温室增温、烘烤系统温控、空气能燃气机热泵、发酵罐、加热浸出装置等。
压缩机将回流的低压制冷剂压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经缠绕在水箱外面的铜管，热量经铜管传导到水箱内，冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经膨胀阀后进入蒸发器，在蒸发器内液态冷媒迅速蒸发成其气态并吸收大量的热。同时，在风扇的作用下，大量的空气流过蒸发器外表面，空气中的能量被蒸发器吸收，空气温度迅速降低，变成冷气排进空调房间。随后吸收了一定能量的冷媒回流到压缩机，进入下一个循环。
热泵的优点是节能，有利于能源的综合利用；有利于环境保护；冷热结合，设备应用率高；电驱动，所以调控比较方便。基于上述优点，热泵技术可以减少温室气体的排放，减少对环境的有害的因素，同时解决电力高空负荷。
热泵的缺点是在运行的过程中，其室外的散热器会出现结霜现象，这将影响空气源热泵的运行效果；在低温的环境中，热泵会出现运行障碍，热泵的制冷剂效果变差甚至无法正常运行和制冷，如果在低温环境中长期使用热泵，会损坏其压缩机，破坏相关设备。
美国、日本和西欧等国家是热泵发展和应用较多的国家，几乎占领了全部的热泵市场。目前欧洲市场较为常见的可用于低温环境的热泵产品（包括日系和欧美系）被广泛应用于北欧等寒冷地区，其中仅2007年日本某热泵品牌出口的低温热泵机组就多达5万台。同时美国、英国、法国、澳大利亚和日本等国的税收减免、热泵安装补贴政策也进一步促进了低温热泵替代传统锅炉的需求转型。
中国空气能热泵市场显露“南热北冷”的现象，由于受天气等因素的影响，北方寒冷地区空气能热泵的推广受到很大的限制。
用于热泵热水器的制冷剂主要为R22、R134a等，具有较高的低全球变暖系数值（GWP）值。为保护环境，国际社会分别于1985年、1987年、1997年制定《维也纳公约》《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》《京都议定书》对臭氧耗损物质（ODS）和温室气体（CHGs）进行了限制，2007年9月《蒙特利尔议定书》第十九次会议规定发展中国家2013年将HCFCs制冷剂生产和消费水平冻结在基线水平，2015年削减10%，2020年削减35%，2025年削减67.5%，到2030年全部淘汰，只允许2.5%的维修量。另一方面，随着人们生活水平的提高，对热泵热水器的应用条件提出了更苛刻的要求，因此，从长期发展来看，制冷剂应满足零破坏臭氧层潜能值（ODP）、低GWP值、热力学性能优的要求。
R22（CHF2Cl）是HCFC类制冷剂。其标准蒸发温度为-40.8℃，冷凝温度为-160℃。R22作为制冷剂的优点是：有较好的热力性质和物理性质，无色，无味，不燃烧，不爆炸，对人体生理危害小，对金属材料腐蚀性小，对润滑油有无限的溶解性。R22作为制冷剂的缺点是：毒性比稍大，化学稳定性稍差，它的分子极性稍大，对有机物的膨润作用更强，对臭氧层破环严重。
R407c是一种不破坏臭氧层的环保制冷剂，它与R22有着极为相近的特性和性能，可直接应用于原R22的制冷系统，不用重新设计系统，只需更换原系统的少量部件以及将原系统内的矿物冷冻油更换为能与R407c互溶的润滑油，就可直接充注，实现原设备制冷剂的环保更换。是一种混合制冷剂，目前只在小机组上使用，使用时需要使用合成油，如POE油；需要使用专用压缩机；非共沸混合物，成分会发生变化；部件、管道耐压校核。
R410a是一种新型环保制冷剂，不破坏臭氧层，具有稳定、无毒、性能优越等特点，其工作压力为普通R22制冷剂的1.6倍左右，制冷（暖）效率高。其是一种混合制冷剂，目前只在小机组上使用，使用时需要使用合成油，如POE油；需要使用专用压缩机，部件、管路需耐压设计。
R32（分子式CH2F2）又称HFC-32、F-32，中文名二甲，是一种新型环保制冷剂，具有较低的沸点、蒸气饱和压力比较低，制冷系数大，臭氧ODP（破坏臭氧层潜能值）破坏为零，温室效应系数较小等特点。在常温下为无色、无味气体，在自身压力下为无色透明液体，易溶于油，难溶于水，无毒、可燃。与R22相比其CO2减排比例可达77.6%，符合国际减排要求。
CO2制冷剂代号为R744，作为一种制冷剂被大量应用出现在1920~1930年，后来被R12，R22等其他制冷剂替代。近年来，由于人类环保意识的加强，另外一些新的研究成果的出现和制造技术、工艺的提高，使用CO2作为制冷剂又成为大家关注的热点之一。CO2属于超临界流体（SCF，supercritical fluid），作为反应介质兼有液体和气体的双重特性，具有许多优点：具有液体一样的密度和溶解强度，易于通过压力进行控制；具有气体的优点，黏度小，扩散系数大，有良好的传热特性；环保型制冷剂，无毒、无刺激性，不需要考虑回收问题；不可燃、不会爆炸；ODP为0，GWP仅为1，安全等级为A1。其已应用于商用化热泵型热水器，亦有望在汽车空调领域得到大量应用。
CO2系统主要缺点为：临界温度很低临界温度只有31℃左右，接近环境温度，所以使用CO2作为制冷剂进行压缩时，冷凝散热温度需要超过临界温度，所以压缩区域处于超临界区；高运行压力CO2的临界压力为73.8 bar左右，而且冷凝散热是在超过临界区的外面，所以系统压力很大，为常规制冷剂R22，R410A等的6~12倍；对系统密封和压缩机制作工艺要求高；高温高压下膨胀损失大，不稳定。
R134a是一种不可燃制冷剂，ODP为0，即无氯氟利昂，不会破坏臭氧层，临界温度较高达到101℃，而临界压力较低为4.06MPa，所以在制取高温热水方面具有优势，但是其是一种高温室效应气体，GWP（全球变暖潜能值）高达1350，需要专用压缩机，扩大压机排量，冷量相同时压损较R22增加，机组大型化。以R134a为代表的HFCs物质及其混合物，仍是将来相当长时期内制冷剂的主流。从节能角度看，R134a不是一种适用于热泵的性能良好的制冷剂，但是其高水温的特点，使得R134a在热泵热水器中获得广泛应用。目前，fcv空调的制冷剂使用的是R134a。欧盟于2006年5月出台了关于汽车空调MAC指令2006/40/EC，指令规定2017年之后所有汽车空调的制冷剂GWP值不得高于150，基本禁止了R134a的使用。美国环保部也于2021年将R134a从重大新代替品政策计划（significantnew alternative program，SNAP）目录中删除。
R1234yf具有微弱的可燃性，其热物理性质与R134a十分接近：R1234yf的COP比R134a低3.6%，制热量相较于R134a略高。但是R1234yf 与R134a相同，其在低温环境下COP低、制热量不足，且R1234yf价格相对于其他制冷剂价格高，经济性较差。对于中国幅员辽阔，南北气温差异大，极大限制了R1234yf的大规模推广。
R290（丙烷）是一种可以直接在液化气中获取的天然碳氢工质，其来源广泛，价格低廉，且ODP为0、GWP仅为3，表现出对环境的友好性。R290可以克服R134a在低温环境下制热量不足的问题，但是R290在密闭空间中的浓度在2.1%～9.5%范围内存在爆炸的危险，在狭小密封的环境中，R290会增加行驶过程的安全隐患。R290是新型环保制冷剂，符合国际环保规定。
HFE-245mc是一种氢氟醚（HFE）制冷剂。其ODP值均为零，大气寿命约为3.5~5.0年，GWP值约为350~680，环境性能较好，相近的正常沸点，低毒性，较好的材料相容性。但HFE-245mc有微燃性，按ASHRAE 34标准，其可燃性分类为“2级”，即“弱可燃”。
新型混合制冷剂NC01是三元混合工质，由R1234ze(E)/R134a/R32组成，通过软件REFPROP9.0分析确定质量混合比为17%/33%/50%。NC01的热力性能与R22对比，两种制冷剂的临界温度、临界压力、标准沸点比较接近，NC01的露点与R22接近，滑移温度为6.26℃。在环境性能方面，NC01的GWP值比R22降低了57%。NC01的汽化潜热比R22高，对于提高制热量有利。说明NC01在环境性能、温度、压力、循环性能方面有较好的替代性能。
通过研究混合制冷剂的各项性能，得到如下分析结果：①在环境安全方面，混合制冷剂的ODP，CWP均较低，对环境的影响均较小；虽然R290和R152a具有可燃性，但二者与R1234或R134a混合后，可燃性相对降低；R1234ze的GWP较低，与其他制冷剂混合时可降低混合制冷剂的GWF。②R290和R1234ze以7：3的比例混合时，滑移温度接近于0，可以当成近共沸混合制冷剂；混合制冷剂R290/R1234ze的饱和蒸气压低于R22，饱和液体密度约为R22的1/2，可节省1/2的充注量，饱和蒸气比热容大于R22，在压缩机做功相同时，温升较小，排气温度较低。③在理论循环性能方面，混合制冷剂R290/R1234ze的COP为R22的90%，但在压比和排气温度上优于R22。由此可见，混合制冷剂R290/R1234ze替代R22在理论上是可行的。
空气能热水器又称热泵热水器，也称空气源热水器。其安全节能环保型，可全天候运转，制造相同的热水量，使用成本只有电热水器的1/4，燃气热水器的1/3，太阳能热水器的1/2。
空气能热水器是运用制冷原理制热的，国家制冷标准要求输入1000W最低输出制冷2800W。根据热平衡的原理，制热量=输入功（1000W）＋制冷量（2800W）=3800W，则空气能热水器实际应用在标准环境下产生的热量为3000W ~ 4000W，而传统热水器得到的功率永远无法达到1000W，因此空气能热水器的制热效果是传统热水器的3倍~4倍。
空气能热水器是由热泵主机吸收空气中的热量，再送至保温水箱中的加热盘管里去加热冷水（自来水），为家庭或集体浴室提供生活热水的组合一体式热水装置。空气能热水器又称为热泵热水器，是采用制冷原理从空气中吸收热量来制造热水的“热量搬运”装置。它通过工质（制冷剂）的不断蒸发（吸取大气环境中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力热力学循环，可将大气环境里的热量转移到水中。
空气能热泵热水器作为安全节能、环保高效的新能源技术已日趋成熟，应用领域不断扩展。国际上，发达国家如日本、美国、法国、澳大利亚、瑞典等应用非常普遍。目前，各国政府对此类高度节能环保产品的推广和应用都非常重视并给予了很大的支持。
日光温室生产中经常发生根结线虫为害，根结线虫除了直接危害日光温室中的蔬菜作物以外，还会造成作物根系组织腐烂，腐烂部位更易被其他真菌、细菌等侵染，导致土传病害发生严重，造成作物减产或绝产。夏季高温闷棚是灭杀土壤中根结线虫最直接、有效、安全的方法。改进后的空气能热泵热水循环系统可在冬季对温室进行补温，提高温室地温和室内气温，减少冻害发生；夏季配合高温闷棚，进行温室加热提高地温防治土壤中的根结线虫，以减少病虫害发生，提高温室耕作频次，保障温室综合生产效益，促进农民增收。
空气能热泵可应用于烘焙烟叶，通过设计烘烤系统的整体结构和温控及定时系统，实现热量分级循环利用且准确控制。结构设计上，将烤房系统化，分级分阶段烘烤烟叶，底部三架空层“热—冷一热”设计，烤架通过导轨流水作业；控制系统上，基于AT89C52控制芯片，通过设计算法实现对整个系统的多点测温温度控制和预定时间控制，控制精度达±1℃，双方面将热能利用率提高到最大，弥补了现在农村烟草烘烤技术的能源漏洞。
燃气机热泵（Gas Engine Driven Heat Pump，以下简称GEHP）是以燃气机作为动力来驱动的压缩式热泵。燃气机驱动热泵是一种很有前途的装置，除了供应热水外，还能用于采暖和制冷。美国、日本等一些国家已经研制成功了用于住宅采暖和供冷的燃气机热泵。随着天然气等清洁能源在中国的广泛使用，燃气机热泵作为一项高效节能的重要未端设备将得到广阔的应用。
大型好氧发酵罐应将空气分布器和搅拌系统集成为一个整体加以研究，兼顾气—液分散效果与能源消耗。充分利用压缩空气的能量，降低搅拌功率。