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以室外空气为热源的热泵机组称为空气源热泵机组。空气源热泵则是最具有普适性的热泵形式。根据冷却介质的不同，又可分为空气/空气热泵（如分体柜式热泵空调器、热泵型窗式空调器等）和空气/水热泵（如空气源热泵热水器、空气源热泵冷热水机组等）。空气源热泵在运行中，蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过黏结在贮水箱外表面的特制环形管时，冷凝器冷凝成液体，将热量传递给空气源热泵贮水箱中的水。
空气源热泵传热工质是一种特殊物质，常压下其沸点为零下40°C，凝固点为零下100°C以下，该物质冷的时候是液体，但很容易被蒸发成气体，反之亦然。在实际运行中，空气源热泵中传热工质的蒸发极限温度为零下20°C左右，因此5°C的环境温度对如此低的温度也是“热”的，甚至下雪的温度，如0°C，相比之下也是热的，仍可交换热能。
作为主流的空气源热泵，按照功能可划分为单功能（采暖/热水）、两联供（采暖+制冷）以及三联供（采暖+制冷+热水）。
•单功能：单功能热泵可提供采暖或热水功能。家用型热泵体积较小，安装方便，适用于于家庭、小型商铺等小面积范围。商用型使用年限较长，可达15年，主要适用于宾馆、工厂、泳池等。
•两联供：两联供具有制冷及采暖功能，因冷媒的不同可分为上水下水（空调及地暖均使用水系统）、上氟下水（空调使用氟系统，地暖使用水系统）和上氟下氟（空调及地暖均使用氟系统）。市场中以上水下水及上氟下水较为常见，2021年市场占比合计约99%。
•三联供：三联供在二联供基础上加入热水功能，综合能效比更高，初始投资和运行费用比传统空调+热水器节省10%以上。但因各地水质不同，生活热水需做二次换热系统以杜绝腐蚀穿孔问题，冷凝温度需提高5°C，主机的COP值下降，因此三联供稳定性不及二联供。
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