市场观察热泵的概念、工作原理、应用及研究报告

　　01热泵的概念
　　水往低处流，水泵是能将水由低处送往高处的装置。热能由高温物体传向低温物体，热泵则是能将热能由低温物体转移至高温物体的装置，可以为用户提供采暖、制冷、热水、烘干等功能。
　　根据热力学第二定律，热量可以自发地从高温物体传递到低温物体。我们都知道，在自然状态下，我们不能将外部寒冷环境中的热量带到更加温暖的室内环境中。但科技的发展则是通过理论及相关设备将自然状态下不可能发生的事情实现，而这项将热量从冷环境传送到热环境的热泵技术已存有150多年了。
　　热泵本身并不生产热，只是热的搬运工，基于逆卡诺循环原理，用少量电能驱动机组，通过热泵系统中的工作介质进行变相循环，把低品位热能吸收压缩升温后加以利用。热泵作为绿色低碳的热能供应方案，具备环保节能、能效比高、运行费用低等优势，可广泛应用于建筑、工业、农业及交通等领域，有巨大的环境效益和社会效益，是大力推动节能减排、助力全球“碳达峰、碳中和”进程的必然路径。
　　02热泵的工作原理
　　热泵的主要构件包括制冷剂、压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等。热泵系统通过多个阀和泵的控制，能够把热量从温度低的地方搬运到温度高的地方，具有制冷制热两种工况。目前市面上存在着三种典型的热泵空调系统，分别为直接式间接式补气增焓直接式热泵空调系统。其中，采用增焓技术的热泵空调系统能够缓解低温环境下制热效率偏低的问题，目前国内厂商也开始逐渐开发测试采用增焓技术的热泵系统。
　　热泵系统的核心原理是一个封闭循环的回路，其中的介质被称为冷媒或制冷剂，它在此循环回路中被连续地压缩和膨胀。在每次被压缩和膨胀时（即每一轮工作状态），制冷剂将热量从低温环境中‘抽取’并传送到高温环境中。空气并未作为冷媒使用，尽管它不会造成污染且无成本，因为其每轮工作状态的热效率相当低，实际使用的冷媒是能够在吸收热量时蒸发，散发热量时冷凝的液体。液体形态的改变过程能够在每一轮工作循环中极大地提高热效率。将循环方式调转，这类设备既可用于供热也可用于制冷。
　　热泵原理图
　　03热泵在汽车领域的应用
　　电动汽车热泵空调是指应用在电动车型上的空调系统。热泵空调系统以电动空调压缩机，利用制冷循环可逆转的特点，集制冷与制热为一体，具有通用性好、结构紧凑、高效节能、环保等优点，已成为车载空调新趋势。在冬季制热工况下COP可达24，能效多倍于当今普遍使用的PTC加热，可以有效延长20以上的续航里程。且限制其使用的低温结霜问题也已有多种解决方案，是目前为数不多适用于电动汽车制热的有效技术。
　　热泵空调的核心零件包括四通换向阀、电动压缩机、电子膨胀阀、换热器等，国内厂商已完成零部件全覆盖，主要包括三花智控、银轮股份、奥特佳。
　　热泵空调主要零部件
　　搭载车型逐步增加，国外搭载技术已经过5年验证，日产Leaf、丰田普锐斯等销量极佳。近期捷豹ipace也将搭载热泵空调系统。国产电动汽车完成热泵装载从0到1的突破，荣威Ei5、荣威MARVELX、长安CS75PHEV等三款车型覆盖纯电和混动，其中荣威Ei5年底销量有望突破3万。到2020年热泵渗透率可达10，2025年可达30。
　　单车价值为3300元左右，比传统空调高出1000元。2017年电动车空调国内市场规模为18。3亿元，预计到2020年翻三倍达到54亿元；全球市场规模2017年为40。6亿元，预计2020年达到117亿元。
　　汽车热泵空调系统原理图
　　在电池技术没有突破性进展的前提下，热泵空调是降低续航里程损耗最佳的解决方案，2025年30渗透率市场空间将近150亿元。另外在家用方面地源、水源、空气源热泵的市场空间更大，但电动车用热泵对于汽零企业是一个全新的增量市场，可为提前布局的企业提供更多增长的确定性。
　　国际一级供应商电装、法雷奥、翰昂、马勒、博世等早已推出系统解决方案，电装深耕日系车企，热泵至少装配三款车型，技术成熟经验丰富；法雷奥推出新型制冷剂HFO1234yf热泵系统；翰昂系统及零部件全产业链供应；博世拥有成熟的电动整车热管理系统方案。
　　国内供应商加码热泵空调，动作不断。三花智控完成除压缩机外零部件全覆盖，且在CO2制冷剂布局超前；银轮股份热泵系统在改装的江铃E400上整车试验成功；奥特佳电动涡旋式压缩机国内市占率30，曾发布补气增焓低温热泵系统；格力日前也发布了搭载双极增焓技术的车载热泵系统。
　　随着国家政策的大力扶持及市场需求的增长，近年来我国新能源汽车产业快速发展，行业销量快速增长，据资料显示，2022年我国新能源汽车销量达688。7万辆，同比增长95。6。这催生了庞大的热管理需求市场。而热泵空调系统作为实现新能源汽车热管理的重要手段之一，行业也将迎来广阔发展空间。
　　04热泵系统VSPTC加热系统
　　驾驶舱空调系统主要有两种技术路线：PTC制热与热泵空调制热。二者各有优缺点，PTC低温工作条件下制热效果好，但耗电。热泵空调系统低温下制热能力差，节电效果好，可有效提高新能源汽车冬季续航。
　　电动汽车驾驶舱热管理两大技术路线对比
　　在制热原理上，PTC系统与热泵系统的本质区别在于热泵系统使用冷媒从车外吸热，而PTC系统则使用水循环在车内制热。与PTC加热器相比，热泵空调系统涉及加热时气液分离，冷媒流量压力控制等技术难点，技术壁垒与难度都显著高于PTC加热系统。
　　热泵空调系统制冷制热均以电动压缩机为核心，采用一套系统。而PTC加热模式下以PTC加热器为核心，制冷模式下以电动压缩机为核心，两套不同系统模式进行运转。因此，热泵空调模式专一，集成度更高。
　　电动汽车PTC空调工作原理图
　　在加热效率上，为了获得5kW的输出热量，由于电阻损失，电加热器需要消耗5。5kW的电能。而带热泵的系统只需要2。5kW的电能。压缩机使用电能压缩冷媒，在热泵换热器产生所需的输出热量。因此，综合考虑经济和社会效益，热泵空调取代PTC已是大势所趋。
　　热泵空调与PTC空调加热效率对比
　　05热泵是否环保？
　　热泵的历史始于1973年的石油危机，其后果是燃油价格的迅猛上涨。燃料的危机让人们意识到，在某些场合，可以从冷源中抽取热量而不需直接燃烧产生热量。也就是说，可以使用热泵取代锅炉。热泵的真正普及是在2000年之后，除了之前所提及的燃料价格问题外，更多的是出于对环境的考虑，因为燃料燃烧产生的大气污染，使人们更加关注于环境，更多使用清洁能源。
　　然而，热泵并不是绝对意义的环保，问题主要出在制冷剂。早年对制冷剂的环保要求是，不要损害臭氧层，考核指标是ODP（全球变暖潜能值）；随着第三代制冷剂（HFCs不消耗臭氧）逐渐占据主流（基本做到不破坏臭氧层），2016年《基加利修正案》通过，对制冷剂的环保要求，从ODP升级到了GWP（全球升温潜能值）。目前主流热泵用的制冷剂仍是R410A，属于第三代制冷剂范畴，GWP值达到2088，并不低，甚至高于其替代对象R22的GWP。所以，到目前为止，热泵还难以做到绝对意义上的环保。
　　目前，初具下一代制冷剂潜质的主要是HFOS和天然制冷剂，都拥有超低GWP，但都还不完美。HFOS在一定程度上兼顾了安全性，但其系统性能总体有所下降。天然制冷剂除了CO2（R744）外，要么毒性较大，要么可燃易爆，安全问题比较突出；CO2虽然安全性较好，制热性能也非常优秀，但其工作压力明显高于其他制冷剂，对压缩机及其配件系统的要求较高，需要进行相应调整。从全球暖通龙头大金的战略来看，R32和R290是综合安全性、碳排放以及产品性能考虑，下一阶段投入使用的主要制冷剂选择。
　　06总结
　　电动汽车热泵空调系统有着远高于PTC的制热能效，国外车型搭载经验已有数年，国内品牌也在不断追赶并取得了一些成果，随着汽车电动化进程的不断推进，人们对车用热泵空调的要求也在不断提升，热泵空调整体也在朝着以下三个方向发展：
　　6。1向环保、全场景节能、极端环境适用性等方面发展。研发新型替代工质、高效热泵空调系统及其部件，如超临界CO2热泵空调、新型高效补气压缩机、高效微通道换热器，解决制热能耗大、能力不足等问题。研发适用于极端环境等地区的新型热泵空调，提升整车的适用性。
　　6。2向整车热管理方向发展，满足整车需求，负责电池系统、电机与功率器件等的热管理保证系统运行在最佳温度区间，提升系统节能效果和可靠性。
　　6。3向智能化方向发展，对环境温湿度、车内温湿度、出风温度、电池温度、水温、工质温度和压力、车内空气指数等进行监控并自适应调控电动执行机构，以实现系统的节能性和舒适性。
　　随着更优良的环保型工质的应用、压缩机能效的提升、换热器性能、空调管路、系统设计的优化，特别是超临界CO2热泵技术的突破，将不断提升电动汽车的环境适用性、舒适性和智能化水平，未来电动汽车用热泵空调将迎来高速发展，成为电动汽车产业发展的重要推动力。