市場(chǎng)觀察|熱泵的概念、工作原理、應(yīng)用及研究報(bào)告-資訊推薦

01 熱泵的概念

水往低處流，水泵是能將水由低處送往高處的裝置。熱能由高溫物體傳向低溫物體，熱泵則是能將熱能由低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體的裝置，可以為用戶提供采暖、制冷、熱水、烘干等功能。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體。我們都知道，在自然狀態(tài)下，我們不能將外部寒冷環(huán)境中的熱量帶到更加溫暖的室內(nèi)環(huán)境中。但科技的發(fā)展則是通過理論及相關(guān)設(shè)備將自然狀態(tài)下不可能發(fā)生的事情實(shí)現(xiàn)，而這項(xiàng)將熱量從冷環(huán)境傳送到熱環(huán)境的熱泵技術(shù)已存有150多年了。

熱泵本身并不生產(chǎn)熱，只是熱的搬運(yùn)工，基于逆卡諾循環(huán)原理，用少量電能驅(qū)動(dòng)機(jī)組，通過熱泵系統(tǒng)中的工作介質(zhì)進(jìn)行變相循環(huán)，把低品位熱能吸收壓縮升溫后加以利用。熱泵作為綠色低碳的熱能供應(yīng)方案，具備環(huán)保節(jié)能、能效比高、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于建筑、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及交通等領(lǐng)域，有巨大的環(huán)境效益和社會(huì)效益，是大力推動(dòng)節(jié)能減排、助力全球“碳達(dá)峰、碳中和”進(jìn)程的必然路徑。

(相關(guān)資料圖)

02 熱泵的工作原理

熱泵的主要構(gòu)件包括制冷劑、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器等。熱泵系統(tǒng)通過多個(gè)閥和泵的控制，能夠把熱量從溫度低的地方搬運(yùn)到溫度高的地方，具有制冷制熱兩種工況。目前市面上存在著三種典型的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，分別為直接式/間接式/補(bǔ)氣增焓直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)。其中，采用增焓技術(shù)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠緩解低溫環(huán)境下制熱效率偏低的問題，目前國內(nèi)廠商也開始逐漸開發(fā)測(cè)試采用增焓技術(shù)的熱泵系統(tǒng)。

熱泵系統(tǒng)的核心原理是一個(gè)封閉循環(huán)的回路，其中的介質(zhì)被稱為冷媒或制冷劑，它在此循環(huán)回路中被連續(xù)地壓縮和膨脹。在每次被壓縮和膨脹時(shí)（即每一輪工作狀態(tài)），制冷劑將熱量從低溫環(huán)境中‘抽取’并傳送到高溫環(huán)境中?？諝獠⑽醋鳛槔涿绞褂?，盡管它不會(huì)造成污染且無成本，因?yàn)槠涿枯喒ぷ鳡顟B(tài)的熱效率相當(dāng)?shù)?，?shí)際使用的冷媒是能夠在吸收熱量時(shí)蒸發(fā)，散發(fā)熱量時(shí)冷凝的液體。液體形態(tài)的改變過程能夠在每一輪工作循環(huán)中極大地提高熱效率。將循環(huán)方式調(diào)轉(zhuǎn)，這類設(shè)備既可用于供熱也可用于制冷。

熱泵原理圖

03 熱泵在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)是指應(yīng)用在電動(dòng)車型上的空調(diào)系統(tǒng)。熱泵空調(diào)系統(tǒng)以電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，利用制冷循環(huán)可逆轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，集制冷與制熱為一體，具有通用性好、結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已成為車載空調(diào)新趨勢(shì)。在冬季制熱工況下COP可達(dá)2-4，能效多倍于當(dāng)今普遍使用的PTC加熱，可以有效延長20%以上的續(xù)航里程。且限制其使用的低溫結(jié)霜問題也已有多種解決方案， 是目前為數(shù)不多適用于電動(dòng)汽車制熱的有效技術(shù)。

熱泵空調(diào)的核心零件包括四通換向閥、電動(dòng)壓縮機(jī)、電子膨脹閥、換熱器等，國內(nèi)廠商已完成零部件全覆蓋，主要包括三花智控、銀輪股份、奧特佳。

熱泵空調(diào)主要零部件

搭載車型逐步增加，國外搭載技術(shù)已經(jīng)過5年驗(yàn)證，日產(chǎn)Leaf、豐田普銳斯等銷量極佳。近期捷豹i-pace也將搭載熱泵空調(diào)系統(tǒng)。國產(chǎn)電動(dòng)汽車完成熱泵裝載從0到1的突破，榮威Ei5、榮威MARVEL X、長安CS75 PHEV等三款車型覆蓋純電和混動(dòng)，其中榮威Ei5年底銷量有望突破3萬。到2020年熱泵滲透率可達(dá)10%，2025年可達(dá)30%。

單車價(jià)值為3300元左右，比傳統(tǒng)空調(diào)高出1000元。2017年電動(dòng)車空調(diào)國內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模為18.3億元，預(yù)計(jì)到2020年翻三倍達(dá)到54億元；全球市場(chǎng)規(guī)模2017年為40.6億元，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到117億元。

汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

在電池技術(shù)沒有突破性進(jìn)展的前提下，熱泵空調(diào)是降低續(xù)航里程損耗最佳的解決方案，2025年30%滲透率市場(chǎng)空間將近150億元。另外在家用方面地源、水源、空氣源熱泵的市場(chǎng)空間更大，但電動(dòng)車用熱泵對(duì)于汽零企業(yè)是一個(gè)全新的增量市場(chǎng)，可為提前布局的企業(yè)提供更多增長的確定性。

國際一級(jí)供應(yīng)商電裝、法雷奧、翰昂、馬勒、博世等早已推出系統(tǒng)解決方案，電裝深耕日系車企，熱泵至少裝配三款車型，技術(shù)成熟經(jīng)驗(yàn)豐富；法雷奧推出新型制冷劑HFO-1234yf熱泵系統(tǒng)；翰昂系統(tǒng)及零部件全產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)；博世擁有成熟的電動(dòng)整車熱管理系統(tǒng)方案。

國內(nèi)供應(yīng)商加碼熱泵空調(diào)，動(dòng)作不斷。三花智控完成除壓縮機(jī)外零部件全覆蓋，且在CO2制冷劑布局超前；銀輪股份熱泵系統(tǒng)在改裝的江鈴E400上整車試驗(yàn)成功；奧特佳電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)國內(nèi)市占率30%，曾發(fā)布補(bǔ)氣增焓低溫?zé)岜孟到y(tǒng)；格力日前也發(fā)布了搭載雙極增焓技術(shù)的車載熱泵系統(tǒng)。

隨著國家政策的大力扶持及市場(chǎng)需求的增長，近年來我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，行業(yè)銷量快速增長，據(jù)資料顯示，2022年我國新能源汽車銷量達(dá)688.7萬輛，同比增長95.6%。這催生了龐大的熱管理需求市場(chǎng)。而熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)新能源汽車熱管理的重要手段之一，行業(yè)也將迎來廣闊發(fā)展空間。

04 熱泵系統(tǒng) VS PTC加熱系統(tǒng)

駕駛艙空調(diào)系統(tǒng)主要有兩種技術(shù)路線：PTC制熱與熱泵空調(diào)制熱。二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，PTC低溫工作條件下制熱效果好，但耗電。熱泵空調(diào)系統(tǒng)低溫下制熱能力差，節(jié)電效果好，可有效提高新能源汽車冬季續(xù)航。

電動(dòng)汽車駕駛艙熱管理兩大技術(shù)路線對(duì)比

在制熱原理上，PTC系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于熱泵系統(tǒng)使用冷媒從車外吸熱，而PTC系統(tǒng)則使用水循環(huán)在車內(nèi)制熱。與PTC加熱器相比，熱泵空調(diào)系統(tǒng)涉及加熱時(shí)氣液分離，冷媒流量壓力控制等技術(shù)難點(diǎn)，技術(shù)壁壘與難度都顯著高于PTC加熱系統(tǒng)。

熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷制熱均以電動(dòng)壓縮機(jī)為核心，采用一套系統(tǒng)。而PTC加熱模式下以PTC加熱器為核心，制冷模式下以電動(dòng)壓縮機(jī)為核心，兩套不同系統(tǒng)模式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，熱泵空調(diào)模式專一，集成度更高。

電動(dòng)汽車PTC空調(diào)工作原理圖

在加熱效率上，為了獲得5kW的輸出熱量，由于電阻損失，電加熱器需要消耗5.5kW的電能。而帶熱泵的系統(tǒng)只需要2.5kW的電能。壓縮機(jī)使用電能壓縮冷媒，在熱泵換熱器產(chǎn)生所需的輸出熱量。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，熱泵空調(diào)取代PTC已是大勢(shì)所趨。

熱泵空調(diào)與PTC空調(diào)加熱效率對(duì)比

05 熱泵是否環(huán)保？

熱泵的歷史始于1973年的石油危機(jī)，其后果是燃油價(jià)格的迅猛上漲。燃料的危機(jī)讓人們意識(shí)到，在某些場(chǎng)合，可以從冷源中抽取熱量而不需直接燃燒產(chǎn)生熱量。也就是說，可以使用熱泵取代鍋爐。熱泵的真正普及是在2000年之后，除了之前所提及的燃料價(jià)格問題外，更多的是出于對(duì)環(huán)境的考慮，因?yàn)槿剂先紵a(chǎn)生的大氣污染，使人們更加關(guān)注于環(huán)境，更多使用清潔能源。

然而，熱泵并不是絕對(duì)意義的環(huán)保，問題主要出在制冷劑。早年對(duì)制冷劑的環(huán)保要求是， 不要損害臭氧層，考核指標(biāo)是 ODP（全球變暖潛能值）；隨著第三代制冷劑（HFCs-不 消耗臭氧）逐漸占據(jù)主流（基本做到不破壞臭氧層），2016 年《基加利修正案》通過， 對(duì)制冷劑的環(huán)保要求，從 ODP 升級(jí)到了 GWP（全球升溫潛能值）。目前主流熱泵用的制冷劑仍是 R410A，屬于第三代制冷劑范疇，GWP 值達(dá)到 2088，并不低，甚至高于其替代對(duì)象 R22 的 GWP。所以，到目前為止，熱泵還難以做到絕對(duì)意義上的環(huán)保。

目前，初具下一代制冷劑潛質(zhì)的主要是 HFOS 和天然制冷劑，都擁有超低 GWP，但都還不完美。HFOS 在一定程度上兼顧了安全性，但其系統(tǒng)性能總體有所下降。天然制冷劑除了 CO2（R-744）外，要么毒性較大，要么可燃易爆，安全問題比較突出；CO2 雖然安全性較好，制熱性能也非常優(yōu)秀，但其工作壓力明顯高于其他制冷劑，對(duì)壓縮機(jī)及其配件系統(tǒng)的要求較高，需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。從全球暖通龍頭大金的戰(zhàn)略來看，R32和R290 是綜合安全性、碳排放以及產(chǎn)品性能考慮，下一階段投入使用的主要制冷劑選擇。

06 總結(jié)

電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)有著遠(yuǎn)高于PTC的制熱能效，國外車型搭載經(jīng)驗(yàn)已有數(shù)年，國內(nèi)品牌也在不斷追趕并取得了一些成果，隨著汽車電動(dòng)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人們對(duì)車用熱泵空調(diào)的要求也在不斷提升，熱泵空調(diào)整體也在朝著以下三個(gè)方向發(fā)展：

6.1 向環(huán)保、全場(chǎng)景節(jié)能、極端環(huán)境適用性等方面發(fā)展。研發(fā)新型替代工質(zhì)、高效熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其部件，如超臨界CO2熱泵空調(diào)、新型高效補(bǔ)氣壓縮機(jī)、高效微通道換熱器，解決制熱能耗大、能力不足等問題。研發(fā)適用于極端環(huán)境等地區(qū)的新型熱泵空調(diào)，提升整車的適用性。

6.2 向整車熱管理方向發(fā)展，滿足整車需求，負(fù)責(zé)電池系統(tǒng)、電機(jī)與功率器件等的熱管理保證系統(tǒng)運(yùn)行在最佳溫度區(qū)間，提升系統(tǒng)節(jié)能效果和可靠性。

6.3 向智能化方向發(fā)展，對(duì)環(huán)境溫濕度、車內(nèi)溫濕度、出風(fēng)溫度、電池溫度、水溫、工質(zhì)溫度和壓力、車內(nèi)空氣指數(shù)等進(jìn)行監(jiān)控并自適應(yīng)調(diào)控電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能性和舒適性。

隨著更優(yōu)良的環(huán)保型工質(zhì)的應(yīng)用、壓縮機(jī)能效的提升、換熱器性能、空調(diào)管路、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，特別是超臨界CO2熱泵技術(shù)的突破，將不斷提升電動(dòng)汽車的環(huán)境適用性、舒適性和智能化水平，未來電動(dòng)汽車用熱泵空調(diào)將迎來高速發(fā)展，成為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力。

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