熱泵系統與水源熱泵工作原理圖

熱泵機組從低溫熱源吸熱送往高溫熱源的循環設備。以消耗一部分低品位能源（機械能、電能或高溫熱能）為補償，使熱能從低溫熱源向高溫熱源傳遞的裝置。其實質是借助降低一定量的功的品位，提供品位較低而數量更多的能量。由于熱泵能將低溫熱能轉換為高溫熱能，提高能源的有效利用率，因此是回收低溫余熱、利用環境介質（地下水、地表水、土壤和室外空氣等）中儲存的能量的重要途徑。

熱泵技術是近年來在全世界倍受關注的新能源技術。人們所熟悉的“泵”是一種可以提高位能的機械設備，比如水泵主要是將水從低位抽到高位。而“熱泵”是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經過電力做功，提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。

熱泵機組工作原理

熱泵是一種將低溫熱源的熱能轉移到高溫熱源的裝置。通常用于熱泵裝置的低溫熱源改是我們周圍的介質——空氣、河水、海水，或者是從工業生產設備中排出助工質，這些工質常與周圍介質具有相接近的溫度。熱泵裝置的工作原理與壓縮式制冷機是一致的；在小型空調器中，為了充分發揮它的效能，在夏季空調降溫或在冬季取暖，都是使用同一套設備來完成的。在冬季取暖時，將空溫器中的蒸發器與冷凝器通過一個換向閥來調換工作，見圖

熱泵工作原理圖

　由圖中可看出，在夏季空調降溫時，按制冷工況運行，由壓縮機排出的高壓蒸汽，經換向閥(又稱四通閥)進入冷凝器，制冷劑蒸汽被冷凝成液體，經節流裝置進入蒸發器，并在蒸發器中吸熱，將室內空氣冷卻，蒸發后的制冷劑蒸汽，經換向閥后被壓縮機吸入，這樣周而復始，實現制冷循環。在冬季取暖時，先將換向閥轉向熱泵工作位置，于是由壓縮機排出的高壓制冷劑蒸汽，經換向閥后流入室內蒸發器(作冷凝器用)，制冷劑蒸汽冷凝時放出的潛熱，將室內空氣加熱，達到室內取暖目的，冷凝后的液態制冷劑，從反向流過節流裝置進入冷凝器(作蒸發器用)，吸收外界熱量而蒸發，蒸發后的蒸汽經過換向閥后被壓縮機吸入，完成制熱循環。這樣，將外界空氣(或循環水)中的熱量“泵”入溫度較高的室內，故稱為“熱泵”。川本生產的CBE熱泵型窗式空調器，就是一種熱泵式空調器。

　　在圖2—17的熱泵循環中，從低溫熱源(室外空氣或循環水，其溫度均高于蒸發溫度to)中取得Q。kcal／h的熱量，消耗了機械功ALkcal／h，而向高溫熱源(室內取暖系統)

　　供應了Qlkcal／h的熱量，這些熱量之間的關系是符合熱力學*定律的，即

　　Q1＝Q0十AL kcal／h

　　如果不用熱泵裝置，而用機械功所轉變成的熱量(或用電能直接加熱高溫熱源，則所得的熱量為ALkcal／h，而用熱泵裝置后，高溫熱源(取暖系統)多獲得了熱量：

　　Q1—AL＝Q0，kcal／h

　　此一熱量是從低溫熱源取得的，如果不用熱泵裝置，就無法取得這一熱量。故用熱泵裝置旨可節省燃料，又可利用余熱。

　　熱泵的工作循環與熱機的工作循環正好相反，熱機是利用高溫熱源的能量來產生機械功的，而熱泵是靠消耗機械功將低溫熱源的熱量轉移到高溫物體中去。若熱泵與熱機具有兩個相同的熱源溫度，則

　　熱機循環的熱效率η=AL╱Q1

　　熱機循環的能量指標----熱量轉換系數φ=Q1╱AL

　　故φ=1╱η 。η值總是小于1的，故φ值是大于1的。

　　若制冷機與熱泵具有兩個相同的熱源溫度，則它們之間的關系為：

　　φ=Q1╱AL=Q0+AL╱AL=ε+1，ε 是制冷機的制冷系數。由此可看出，熱量轉換系數的*小值是吁＝1，在此極限情況下Q。＝o，即沒有從低溫熱源吸取熱量。

作為自然界的現象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫區流向低溫區。但人們可以創造機器，如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對象（溫度較高的物體），其工作原理與制冷機相同，都是按照逆卡諾循環工作的，所不同的只是工作溫度范圍不一樣。

　　熱泵在工作時，它本身消耗一部分能量，把環境介質中貯存的能量加以挖掘，通過傳熱工質循環系統提高溫度進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為輸出功中的一小部分，因此，采用熱泵技術可以節約大量高品位能源。

在運行中，蒸發器從周圍環境中吸取熱量以蒸發傳熱工質，工質蒸汽經壓縮機壓縮后溫度和壓力上升，高溫蒸氣通過冷凝器冷凝成液體時，釋放出的熱量傳遞給了儲水箱中的水。冷凝后的傳熱工質通過膨脹閥返回到蒸發器，然后再被蒸發，如此循環往復。

　　余熱利用的強力工具--熱泵

　　水從高處流向低處，熱由高溫物全傳遞到低溫物體，這是自然規律。然而，在現實生活中，為了農業灌溉、生活用水等的需要，人們利用水泵將水從低處送到高處。同樣，在能源日益緊張的今天，為了回收通常排到大氣中的低溫熱氣、排到河川中的低溫熱水等中的熱量，熱泵被用來將低溫物體中的熱能傳送高溫物體中，然后高溫物體來加熱水或采暖，使熱量得到充分利用。

熱泵蒸發流程圖

熱泵的工作原理和家用空調、電冰箱等的工作原理基本相同，通過流動媒體(以前一般為氟利昂，現在由替代氟利昂所代替)在蒸發器、壓縮機，冷凝器和膨脹閥等部品中的氣相變化(沸騰和凝結)的循環來將低溫物體的熱量傳遞到高溫物體中去。?

　　具體工作過程如下：①過熱液體媒體在蒸發器內吸收低溫物體的熱量，蒸發成氣體媒體。②蒸發器出來的氣體媒體經過液壓縮機的壓縮，變為高溫高壓的氣體媒體。③高溫高壓的氣體媒體在冷凝器中將熱能釋放給給高溫物體、同時自身變為高壓液體媒體。④高壓液體媒體在膨脹閥中減壓，再變為過熱液體媒體，進入蒸發器，循環*初的過程。

　　熱泵的性能一般用制冷系數(COP)來評價。制冷系數的定義為由低溫物體傳 到高溫牧體的熱量與所需的動力之比。通常熱泵的制冷系數為3-4左右，也就是說，熱泵能夠將自身所需能 量的3到4倍的熱能從低溫物體傳送到高溫物體�，F在歐美日都 在競相開發新型的熱泵。據報導新型的熱泵的制冷系數可6到8。如果這一數值能夠得到普及的話，這意味著能源將得到更有效的利用。熱泵的普及率也將得到驚人的提高。

　　由于氟利昂對地球大氣臭氧有破壞作用，為了保護地球的生態環境，除了提高熱泵的成現系數，有效利用能源以外，各國科學還致力于新型冷媒的開發。目前已有替代氟利昂的冷媒得到應用。

　　熱泵熱水系統包括熱泵主機和換熱儲水箱兩部分。熱泵主機部分包括風冷式蒸發器、壓縮機及膨脹閥；換熱儲水箱為內置冷凝盤管的儲熱水箱。冷媒(工質)在蒸發管內吸收環境空氣中的熱量，通過熱泵循環由冷凝盤管在水箱內釋放熱量，加熱水箱中的水。

　　要搞清楚熱泵的工作原理，首先要懂得制冷系統的工作原理。制冷系統（壓縮式制冷）一般由四部分組成：壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器。其工作過程為：低溫低壓的液態制冷劑（例如氟利昂），首先在蒸發器里從低溫熱源（例如冷凍水）吸熱并氣化成低壓蒸氣。然后制冷劑氣體在壓縮機內壓縮成高溫高壓的蒸氣，該高溫高壓氣體在冷凝器內被高溫熱源（例如冷卻水）冷卻凝結成高壓液體。再經節流元件（毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等）節流成低溫低壓液態制冷劑。如此就完成一個制冷循環。

　　對于一臺分體式熱泵空調來說，夏天制冷時就是以室外機為冷凝器、室內機為蒸發器，運行時就把室內的熱量輸送到了室外。而冬季則以室內機為冷凝器、室外機為蒸發器，這樣就把室外的熱量輸送到了室內，通常這些是通過四通換向閥來實現的。

熱泵空調里面有一個四通換向閥。在制冷工況下，室內熱交換器就是蒸發器，室外熱交換器（夏天往外呼呼出熱風的那個東西）就是冷凝器。冬季供熱的時候，四通換向閥切換，改變冷媒的流向，此時，室內熱交換器就是冷凝器，室外熱交換器（冬天往外呼呼出冷風的那個東西）就是蒸發器。由于冬季往外出冷風，換熱器要結霜，所以等結霜到一定程度時，四通換向閥再切換，空調變成夏季制冷工況，室外熱交換器得到熱量，化霜，化霜完畢后，四通閥再切換到制熱狀態。除霜時，為了防止向室內吹冷風，故室內機的風機停止運轉。(當然這種逆向除霜對舒適性有一定影響，所以又有了熱氣旁通除霜、蓄熱除霜等不需要切換工況的方式)

　　熱泵是以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統，它被形象的稱為“熱量倍增器”。目前在市場上廣泛出現的家用冷暖空調器上，就已經廣泛地應用了熱泵制熱，其制熱系數已高達3以上。那么，利用熱泵的原理來制取熱水，消耗一度電所獲得的熱水，比普通電熱水器消耗三度電所獲得的熱水還要多，這是傳統熱水器所不能企及的。

熱泵熱水器

熱泵工業發展歷史

　　20世紀70年代以來，熱泵工業進入了黃金時期，世界各國對熱泵的研究工作都十分重視，諸如國際能源機構和歐洲共同體，都制定了大型熱泵發展計劃，熱泵新技術層出不窮，熱泵的用途也在不斷的開拓，廣泛應用于空調和工業領域，在能源的節約和環境保護方面起著重大的作用。

相對世界熱泵的發展，中國熱泵的研究工作起步約晚20-30年左右。新中國成立后，隨著工業建設新高潮的到來，熱泵技術才開始引入中國。進入21世紀后，由于中國沿海地區的快速城市化、人均GDP的增長、2008年北京奧運會和2010年上海世博會等因素拉動了中國空調市場的發展，促進了熱泵在中國的應用越來越廣泛，熱泵的發展十分迅速，熱泵技術的研究不斷創新。

　　從2001年熱泵起步開始，經過5年的培育，中國熱泵行業開始從導入期轉入成長期。熱泵行業快速發展，一方面得益于能源緊張使得熱泵節能優勢越來越明顯，另一方面與多方力量的加入推動行業技術創新有很大關系。

歷史

　　1824年法國科學家卡諾(Sadi karnot)發表卡諾循環理論,成為熱泵技術的起源

　　1850年 英國科學家開爾文（L.Kelvin)提出將逆卡諾循環用于加熱的熱泵設想

　　熱泵的理論起源于十九世紀早期法國科學家薩迪.卡諾(Sadi karnot)，卡諾在1824年首次以論文提出“卡諾循環”理論，30年后，英國科學家開爾文（L.Kelvin)于1850年初提出:冷凍裝置可以用于加熱，之后許多科學家和工程師對熱泵進行了大量研究，研究持續80年之久。

　　1912年瑞士的蘇黎世成功安裝一套以河水作為低位熱源的熱泵設備用于供暖，這是早期的水源熱泵系統，也是世界上*套熱泵系統。熱泵工業在20世紀40年代到50年代早期得到迅速發展，家用熱泵和工業建筑用的熱泵開始進入市場，熱泵進入了早期發展階段。

　　21 世紀，隨著“ 能源危機 ”出現，燃油價格忽升，經過改進發展成熟的熱泵以其高效回收低溫環境熱能，節能環保的特點，重新登上歷史舞臺，成為當前*有價值的新能源科技。

　　前國際熱能署專門成立國際熱泵中心，設立熱泵推廣工程（Heat Pump Programme），向世界上各國推廣協調熱泵技術的應用和發展。美、 加、瑞典、德、日、韓等國政府均發出專門官方指引，促進熱泵技術的社會應用。

熱泵技術的先進性

　　節能: 熱效率460%, 運行費用是燃氣、燃油鍋爐的1/3， 是電熱水器的1/4，比太陽能低40%。

　　安全: 水電分離，無漏電危險

　　適用: -5~50℃環境

　　環保: 無廢熱、廢水、廢氣

　　注：但是，目前我國大部分廠家所采用的熱媒（冷媒）還是R22，采用環保熱媒（冷媒）R417A、1394A的時代還未到來。而日本等一些國家已率先采用CO2作為熱媒（冷媒），不對臭氧層造成破壞（所以在安裝時，銅管務必要連接緊密，防止R22漏出。若R22完全不漏出，將對環境無任何負面影響）。另外，以上所述的R22、R417A、1394A、CO2皆對人體不造成傷害的，即使有漏出，整套熱水設備都是安全的。

熱泵的分類：

熱泵按熱源獲取來源的種類可分為：水源熱泵，地源熱泵，空氣源熱泵，雙源熱泵（水源熱泵和空氣源熱泵結合）

水源熱泵的原理

　　地球表面淺層水源（一般在1000 米以內），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太陽進入地球的相當的輻射能量，并且水源的溫度一般都十分穩定。水源熱泵技術的工作原理就是：通過輸入少量高品位能源（如電能），實現低溫位熱能向高溫位轉移。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在夏季將建筑物中的熱量“取”出來，釋放到水體中去，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以達到夏季給建筑物室內制冷的目的；而冬季，則是通過水源熱泵機組，從水源中“提取”熱能，送到建筑物中采暖。

水源熱泵的優點

　　水源熱泵與常規空調技術相比，有以下優點：

1、*

　　水源熱泵是目前空調系統中能效比（COP值）*高的制冷、制熱方式，理論計算可達到7，實際運行為4～6。 　　水源熱泵機組可利用的水體溫度冬季為12～22℃，水體溫度比環境空氣溫度高，所以熱泵循環的蒸發溫度提高，能效比也提高。而夏季水體溫度為18～35℃，水體溫度比環境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式，從而提高機組運行效率。水源熱泵消耗1kW.h的電量，用戶可以得到4.3～5.0kW.h的熱量或5.4～6.2kW.h的冷量。與空氣源熱泵相比，其運行效率要高出20～60％，運行費用僅為普通中央空調的40～60％。

2、屬可再生能源利用技術

　　水源熱泵是利用了地球水體所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量），而且是一個巨大的動態能量平衡系統，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發散的相對的均衡。這使得利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為可能。所以說，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術。

3、節水省地

　　以地表水為冷熱源，向其放出熱量或吸收熱量，不消耗水資源，不會對其造成污染；省去了鍋爐房及附屬煤場、儲油房、冷卻塔等設施，機房面積大大小于常規空調系統，節省建筑空間，也有利于建筑的美觀。

4、環保效益顯著

　　水源熱泵機組供熱時省去了燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統，無燃燒過程，避免了排煙、排污等污染；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗。所以，水源熱泵機組運行無任何污染，無燃燒、無排煙，不產生廢渣、廢水、廢氣和煙塵，不會產生城市熱島效應，對環境非常友好，是理想的綠色環保產品。

5、一機多用，應用范圍廣

　　水源熱泵系統可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優點。不僅節省了大量能源，而且用一套設備可以同時滿足供熱和供冷的要求，減少了設備的初投資。其總投資額僅為傳統空調系統的60%，并且安裝容易，安裝工作量比傳統空調系統少，安裝工期短，更改安裝也容易。 　　水源熱泵可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，小型的水源熱泵更適合于別墅、住宅小區的采暖、供冷。

6、運行穩定可靠，維護方便

　　水體的溫度一年四季相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性；采用全電腦控制，自動程度高。由于系統簡單、機組部件少，運行穩定，因此維護費用低，使用壽命長。

7、符合國家政策，獲得政策性支持

　　國家十分重視可再生能源開發利用工作，《中華人民共和國可再生能源法》已于2006年1月1日起實施；同時，在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中，又把大力發展和規�；瘧�用新能源和可再生能源作為能源領域的優先發展主題。從國家立法和發展戰略的高度，對可再生能源的發展應用予以強力推動�！　「鶕�國家建設部政策規定，凡采用水源熱泵空調技術的建筑物，通過向當地建委申報，可獲得政府的政策性支持，減免建筑配套費用140～200元/m2。 　　與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統相比的優勢體現在：　　與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統相比，水源熱泵具明顯的優勢。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70%～90%的燃料內能轉化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量；由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數可達3.5～4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50%～60%。因此，近十幾年來，水源熱泵空調系統在北美及中、北歐等國家取得了較快的發展，尤其是近五年來，中國的水源熱泵市場也日趨活躍，使該項技術得到了相當廣泛的應用，成為一種有效的供熱和供冷空調技術。

水源熱泵對水源系統的要求

　　水源系統的水量、水溫、水質和供水穩定性是影響水源熱泵系統運行效果的重要因素。應用水源熱泵時，對水源系統的原則要求是：水量充足，水溫適度，水質適宜，供水穩定。具體說，水源的水量，應當充足夠用，能滿足用戶制熱負荷或制冷負荷的需要。如水量不足，機組的制熱量和制冷量將隨之減少，達不到用戶要求。水源的水溫應適度，適合機組運行工況要求。例如，清華同方GHP型水源中央空調系統在制熱運行工況時，水源水溫應為12—22℃；在制冷運行工況時，水源水溫應為18—30℃。水源的水質，應適宜于系統機組、管道和閥門的材質，不至于產生嚴重的腐蝕損壞。水源系統供水保證率要高，供水功能具有長期可靠性，能保證水源熱泵中央空調系統長期和穩定運行。