市場觀察|熱泵的概念、工作原理、應用及研究報告-資訊推薦

2023-06-24 17:18:17 來源: 訊飛新聞

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。

根據熱力學第二定律，熱量可以自發地從高溫物體傳遞到低溫物體。我們都知道，在自然狀態下，我們不能將外部寒冷環境中的熱量帶到更加溫暖的室內環境中。但科技的發展則是通過理論及相關設備將自然狀態下不可能發生的事情實現，而這項將熱量從冷環境傳送到熱環境的熱泵技術已存有150多年了。

熱泵本身并不生產熱，只是熱的搬運工，基于逆卡諾循環原理，用少量電能驅動機組，通過熱泵系統中的工作介質進行變相循環，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方案，具備環保節能、能效比高、運行費用低等優勢，可廣泛應用于建筑、工業、農業及交通等領域，有巨大的環境效益和社會效益，是大力推動節能減排、助力全球“碳達峰、碳中和”進程的必然路徑。

(相關資料圖)

02 熱泵的工作原理

熱泵的主要構件包括制冷劑、壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器等。熱泵系統通過多個閥和泵的控制，能夠把熱量從溫度低的地方搬運到溫度高的地方，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系統，分別為直接式/間接式/補氣增焓直接式熱泵空調系統。其中，采用增焓技術的熱泵空調系統能夠緩解低溫環境下制熱效率偏低的問題，目前國內廠商也開始逐漸開發測試采用增焓技術的熱泵系統。

熱泵系統的核心原理是一個封閉循環的回路，其中的介質被稱為冷媒或制冷劑，它在此循環回路中被連續地壓縮和膨脹。在每次被壓縮和膨脹時（即每一輪工作狀態），制冷劑將熱量從低溫環境中‘抽取’并傳送到高溫環境中。空氣并未作為冷媒使用，盡管它不會造成污染且無成本，因為其每輪工作狀態的熱效率相當低，實際使用的冷媒是能夠在吸收熱量時蒸發，散發熱量時冷凝的液體。液體形態的改變過程能夠在每一輪工作循環中極大地提高熱效率。將循環方式調轉，這類設備既可用于供熱也可用于制冷。

熱泵原理圖

03 熱泵在汽車領域的應用

電動汽車熱泵空調是指應用在電動車型上的空調系統。熱泵空調系統以電動空調壓縮機，利用制冷循環可逆轉的特點，集制冷與制熱為一體，具有通用性好、結構緊湊、高效節能、環保等優點，已成為車載空調新趨勢。在冬季制熱工況下COP可達2-4，能效多倍于當今普遍使用的PTC加熱，可以有效延長20%以上的續航里程。且限制其使用的低溫結霜問題也已有多種解決方案，是目前為數不多適用于電動汽車制熱的有效技術。

熱泵空調的核心零件包括四通換向閥、電動壓縮機、電子膨脹閥、換熱器等，國內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。

熱泵空調主要零部件

搭載車型逐步增加，國外搭載技術已經過5年驗證，日產Leaf、豐田普銳斯等銷量極佳。近期捷豹i-pace也將搭載熱泵空調系統。國產電動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，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10%，2025年可達30%。

單車價值為3300元左右，比傳統空調高出1000元。2017年電動車空調國內市場規模為18.3億元，預計到2020年翻三倍達到54億元；全球市場規模2017年為40.6億元，預計2020年達到117億元。

汽車熱泵空調系統原理圖

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

國際一級供應商電裝、法雷奧、翰昂、馬勒、博世等早已推出系統解決方案，電裝深耕日系車企，熱泵至少裝配三款車型，技術成熟經驗豐富；法雷奧推出新型制冷劑HFO-1234yf熱泵系統；翰昂系統及零部件全產業鏈供應；博世擁有成熟的電動整車熱管理系統方案。

國內供應商加碼熱泵空調，動作不斷。三花智控完成除壓縮機外零部件全覆蓋，且在CO2制冷劑布局超前；銀輪股份熱泵系統在改裝的江鈴E400上整車試驗成功；奧特佳電動渦旋式壓縮機國內市占率30%，曾發布補氣增焓低溫熱泵系統；格力日前也發布了搭載雙極增焓技術的車載熱泵系統。

隨著國家政策的大力扶持及市場需求的增長，近年來我國新能源汽車產業快速發展，行業銷量快速增長，據資料顯示，2022年我國新能源汽車銷量達688.7萬輛，同比增長95.6%。這催生了龐大的熱管理需求市場。而熱泵空調系統作為實現新能源汽車熱管理的重要手段之一，行業也將迎來廣闊發展空間。

04 熱泵系統 VS PTC加熱系統

駕駛艙空調系統主要有兩種技術路線：PTC制熱與熱泵空調制熱。二者各有優缺點，PTC低溫工作條件下制熱效果好，但耗電。熱泵空調系統低溫下制熱能力差，節電效果好，可有效提高新能源汽車冬季續航。

電動汽車駕駛艙熱管理兩大技術路線對比

在制熱原理上，PTC系統與熱泵系統的本質區別在于熱泵系統使用冷媒從車外吸熱，而PTC系統則使用水循環在車內制熱。與PTC加熱器相比，熱泵空調系統涉及加熱時氣液分離，冷媒流量壓力控制等技術難點，技術壁壘與難度都顯著高于PTC加熱系統。

熱泵空調系統制冷制熱均以電動壓縮機為核心，采用一套系統。而PTC加熱模式下以PTC加熱器為核心，制冷模式下以電動壓縮機為核心，兩套不同系統模式進行運轉。因此，熱泵空調模式專一，集成度更高。

電動汽車PTC空調工作原理圖

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。而帶熱泵的系統只需要2.5kW的電能。壓縮機使用電能壓縮冷媒，在熱泵換熱器產生所需的輸出熱量。因此，綜合考慮經濟和社會效益，熱泵空調取代PTC已是大勢所趨。

熱泵空調與PTC空調加熱效率對比

05 熱泵是否環保？

熱泵的歷史始于1973年的石油危機，其后果是燃油價格的迅猛上漲。燃料的危機讓人們意識到，在某些場合，可以從冷源中抽取熱量而不需直接燃燒產生熱量。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格問題外，更多的是出于對環境的考慮，因為燃料燃燒產生的大氣污染，使人們更加關注于環境，更多使用清潔能源。

然而，熱泵并不是絕對意義的環保，問題主要出在制冷劑。早年對制冷劑的環保要求是，不要損害臭氧層，考核指標是 ODP（全球變暖潛能值）；隨著第三代制冷劑（HFCs-不消耗臭氧）逐漸占據主流（基本做到不破壞臭氧層），2016 年《基加利修正案》通過，對制冷劑的環保要求，從 ODP 升級到了 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 值達到 2088，并不低，甚至高于其替代對象 R22 的 GWP。所以，到目前為止，熱泵還難以做到絕對意義上的環保。

目前，初具下一代制冷劑潛質的主要是 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，制熱性能也非常優秀，但其工作壓力明顯高于其他制冷劑，對壓縮機及其配件系統的要求較高，需要進行相應調整。從全球暖通龍頭大金的戰略來看，R32和R290 是綜合安全性、碳排放以及產品性能考慮，下一階段投入使用的主要制冷劑選擇。

06 總結

電動汽車熱泵空調系統有著遠高于PTC的制熱能效，國外車型搭載經驗已有數年，國內品牌也在不斷追趕并取得了一些成果，隨著汽車電動化進程的不斷推進，人們對車用熱泵空調的要求也在不斷提升，熱泵空調整體也在朝著以下三個方向發展：

6.1 向環保、全場景節能、極端環境適用性等方面發展。研發新型替代工質、高效熱泵空調系統及其部件，如超臨界CO2熱泵空調、新型高效補氣壓縮機、高效微通道換熱器，解決制熱能耗大、能力不足等問題。研發適用于極端環境等地區的新型熱泵空調，提升整車的適用性。

6.2 向整車熱管理方向發展，滿足整車需求，負責電池系統、電機與功率器件等的熱管理保證系統運行在最佳溫度區間，提升系統節能效果和可靠性。

6.3 向智能化方向發展，對環境溫濕度、車內溫濕度、出風溫度、電池溫度、水溫、工質溫度和壓力、車內空氣指數等進行監控并自適應調控電動執行機構，以實現系統的節能性和舒適性。

隨著更優良的環保型工質的應用、壓縮機能效的提升、換熱器性能、空調管路、系統設計的優化，特別是超臨界CO2熱泵技術的突破，將不斷提升電動汽車的環境適用性、舒適性和智能化水平，未來電動汽車用熱泵空調將迎來高速發展，成為電動汽車產業發展的重要推動力。

關鍵詞：

市場觀察|熱泵的概念、工作原理、應用及研究報告-資訊推薦

01 熱泵的概念

02 熱泵的工作原理

03 熱泵在汽車領域的應用

04 熱泵系統 VS PTC加熱系統

05 熱泵是否環保？

06 總結

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