空调热泵概论

摘要： 本文从对于热泵的广义理解出发，将通常的空调制冷—以制冷为主，以及热泵—以制热为主的论述方式加以综合，以空调热泵为题，以最常见的电力驱动蒸汽压缩式热泵的原理、功能、分类以及在空调领域的应用为内容，进行了概要的论述。文中提出了制冷与制热综合系数的概念，并对热泵理论中某些学术用语表述了个人见解。

关键词： 热泵 大气源 水源 地源 性能系数 能效比

1 概述

众所周知，水往低处流。而欲将水提升或传输时，则须依靠某种动力驱动的水泵。同样道理，热可以自发地从高温物体传向低温物体，而欲从低温物体传向高温物体，也必须依靠使用某种动力驱动的装置—热泵。这也就是热力学第二定律所阐述的：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。当热泵在将热由低温物体传至高温物体的过程中，在低温物体一端，由于热的失去而产生制冷效应，在高温物体一端，则由于热的获得而产生制热效应。因此，热泵工作的过程中，制冷与制热两种效应是同时并存的。概括地说，就是一个过程，两种效应。但在实际应用中，或用其制冷，或用其制热，或用其轮换制冷制热，或用其同时制冷及制热。同时制冷及制热除外，热泵单独用作制冷或制热时，其相对的另一种效应是不加以利用的。

长期以来，热泵的制冷功能在空调等领域应用相当广泛，而其制热功能的应用则相对推迟和少了许多。原因并不复杂，天然冷源的作用十分有限，正是为了追求人工冷源，人们开发和逐渐完善了制冷机—应用其制冷功能的热泵。而热却可以通过柴草煤炭以及油气等的燃烧很容易地获得。不必要花费过多的金钱去购置热泵这种精密的设备，和交付昂贵的电费。上世纪七十年代能源危机之后，人们开始对可以利用低品位热能的热泵重视起来。国内从九十年代开始，由于第一、热泵制造技术的引进，使其性能提高，售价降低；第二、环保意识日渐提高；第三、电力供应状况的改善，用电政策发生转变等原因，热泵的制热功能引起人们的关注。制冷与制热双功能的大气源热泵应用渐多，地下水水源热泵也开始在建筑空调甚至采暖系统中使用。

正所谓存在决定意识，由于长期以来在空调领域内，热泵主要用于制冷，理论著述也多以制冷为主线，一般只在末尾单列热泵章节，简略表述其制热功能。论著也多以空调制冷或空调冷源为名。而在以热泵为名的专著中，则以其制热功能为主要内容。对于热泵，实际上存在狭义和广义两种理解。按照狭义理解，只有以制热或制热兼制冷为目的时，才称其为热泵。并且定义，以空气或水为低温热源的热泵，为空气源热泵和水源热泵。装有四通换向阀、制冷制热双功能者，也被称为“热泵式”或“带热泵的”等等。而广义的理解，热泵的功能即包括制冷，也包括制热，或制冷兼制热。制冷机实际上是用作制冷的热泵。也可以说，制冷机即热泵，或确切地说，制冷机是热泵的一种类型。因此，在空调领域认识这一概念应该统一为空调热泵，而非空调制冷与热泵分立。

有鉴于此，本文拟以简短篇幅对空调热泵—主要是电力驱动的蒸汽压缩式热泵的功能、原理、分类及应用作一概述，以期抛砖引玉。

2 热泵的理论基础

2.1 热泵的理论循环

正卡诺循环，也称动力循环，是把热能转换成机械能的循环。逆卡诺循环，称为热泵循环，即消耗一定的能量，使热由低温热源流向高温热源的循环。逆卡诺循环是以热力学第一、二定律为基础的理想循环。理想循环在于说明原理，实际上不可能实现，也不可能获得热泵循环的状态参数。蒸汽压缩式热泵，是利用工质的压缩、冷凝、节流和蒸发的循环，来实现热从低温物体向高温物体的传输的。在对其进行分析计算时，最具指导意义的是压焓（p-h）图所表示的蒸汽压缩式热泵的理想循环（图1）。

图1中Pc为工质的冷凝压力，Pe为工质的蒸发压力。1-2为压缩机内的等熵压缩过程；2-2’及2’-3为等压冷却及冷凝过程；3-4为绝热节流过程；4-1为等压蒸发过程。当热泵循环的各状态参数确定后，便可在p-h图上确定各状态点及循环过程，并可进行理论循环的热力计算。

① 单位质量工质的制冷量（或吸热量）

② 单位质量工质的压缩功

w= h₂ – h₁kj/kg (2)

③ 单位质量工质的放热量（或制热量）

q_c = h₂ – h₃

=（h₁ – h₄）+（ h₂ – h₁ ）

= q_e +w kj/kg (3)

④ 热泵循环的理论制冷系数

制冷工况时单位制冷量与单位压缩功之比，用COP_e^‘表示，即

　COPe^‘＝＝　 (4)

由式（４）与图1可见，热泵在制冷时，当制冷工况确定，冷凝温度（及相对应的冷凝压力）越高，则单位压缩功越大，热泵的制冷系数越小，反之，冷凝温度（及相对应的冷凝压力）越低，则单位压缩功越小，热泵的制冷系数越大。

⑤ 热泵循环的理论制热系数

制热工况时单位制热量与单位压缩功之比，用COP_c^’表示，即

COP_c^’== (5)

或COP_c^’== COP_e^’+1 (6)

由式（5）与图1可见，热泵在制热时，当制热工况确定，蒸发温度（及相对应的蒸发压力）越低，则单位压缩功越大，热泵的制热系数越小。反之，蒸发温度（及相对应的蒸发压力）越高，则单位压缩功越小，热泵的制热系数越大。另由式（6）可见，热泵在制热工况时，其制热系数是永远大于1的。这是因为，热泵制热的实质是基于热的传输。而燃料燃烧或光、电转化成热，其效率则不可能超过1。

2.2 热泵性能系数COP值

上述的热泵制冷系数COP_e^‘ 和热泵制热系数COP_c^‘，统称为热泵性能系数，是评价热泵运行经济性的重要指标。实际的性能系数，要考虑运行效率的影响。若计入诸运行效率在内的总效率为η₀，则有：

实际制冷系数COP_e= COP_e^’η₀

实际制热系数COP_c= COP_c^’η₀

在应用中，当已知热泵的制冷量或制热量（kw），以及输入功率（kw）时，则很容易地计算出该热泵的制冷系数或制热系数（见表1、表2）。

2.3 制冷与制热综合系数

在热泵制冷或制热的工况下，可分别以制冷或制热系数来评价其经济性。但在热泵两种工况并存时，制冷或制热系数均不能全面评价其经济性。因此，提出COP_e.c—制冷与制热综合系数的概念。该系数可在分别计算出制冷系数和制热系数后，将二者相加得出。

2.4 热泵能效比EER值

上面所述热泵的性能系数，是热泵的制冷量或制热量与热泵压缩机输入功率之比。但我们知道，热泵在工作时，对热源以及对应用端媒介—水或空气的驱动也必须消耗动力。因此为全面评价热泵的经济性，应将风机、水泵、冷却塔等的动力消耗一并计入。即：热泵的制冷量或制热量与热泵的压缩机、风机、水泵、冷却塔等输入功率之和的比，称作能效比EER。EER的概念散见于某些文献，有将配备封闭式压缩机热泵的性能系数定义为EER，有将冷量单位是Btu/h、电机功率为w时的制冷系数定义为EER。冷量单位以采用国标单位制的kw为宜，上述两例EER均应归入COP值的范畴。因此，本文借用了EER的概念，并赋予了上述定义。应该注意的是，一些大气—空气热泵及大气—水热泵等，风机、水泵与压缩机组装在一起，其技术资料中所给出的输入功率已含风机、水泵在内。因此，资料中给出或以此计算出的比值已是能效比EER。但大型的水—水热泵，配套的水泵、冷却塔等，由工程设计确定，技术资料中只能给出COP值，EER值则需另行计算。

表1、表2为依据某公司资料计算出的大气—水热泵、水—水热泵的COP值及EER值

表1 大气—水热泵技术参数举例

注：1.制冷工况，大气温度35℃，冷水供回水温度7—12℃。

2.制热工况，大气温度-10℃，热水供回水温度45—40℃。

表2 水—水热泵技术参数举例

注：1.制冷工况，地下水混合供回水温度20—25℃，冷水供回水温度7—12℃。

2.制热工况，地下水混合供回水温度13—5℃，热水供回水温度45—40℃。

3 热泵分类

3.1 按原理分 ①蒸汽压缩式；②蒸汽喷射式；③吸收式。

3.2 按蒸汽压缩机种类分 ①活塞式；②涡旋式；③螺杆式；④滑片式；⑤滚动转子式；⑥离心式。

3.3 按动力分 蒸汽压缩式热泵按动力可分为①电力；②燃油或燃气式发动机。吸收式热泵按动力可分为①蒸汽；②热水；③油或气直燃。

3.4 按功能分 ①制冷；②制热；③制冷或制热（按季节或视需求转换）；④制冷兼制热。

3.5 按热源种类分 热源作为热泵工作的热的源泉，在热泵制热时，向热泵供应热量；而在热泵制冷时，则需容纳热泵所排出的热量。在向热泵供应热量时，称为热源是当然的。而需容纳热泵排出热量时，则有称为热汇者。从文字上来讲，这一称呼无疑是正确的，但实际应用却嫌烦琐。对于季节性转换的双功能热泵而言，热源与热汇一体，更无法区别。因此，统称热源是合适的。权当热源所供热量是代数值，即热源的作用在于提供正值热量或负值热量（容纳热量）。但对于制冷兼制热的热泵，则不像冷热单功能或季节性转换的双功能热泵那样，清楚地区分出热源端和应用端。其两端互为热源和冷热媒介，并无明确意义上的热源。

常见的热泵热源可分为：①大气源；②水源；③地源。

3.6 按热源或热源媒介及应用端媒介组合分 ①大气—空气热泵；②大气—水热泵；③水—空气热泵；④水—水热泵。以此分类为基础的热泵分类详见表3。

4 大气源热泵

大气源热泵也称空气源热泵，也有称风冷热泵的。但这里的空气对空气去湿机等少数场合之外的空调用热泵，是有限定条件的，即室外空气—大气。而所谓风冷则仅适用于单冷式。因此，称大气源热泵更确切一些。地球上，大气无处不在，取之不尽，用之不竭，无需缴费，是热泵最方便的热源。在夏季，既使炎热地区，大气温度也可满足热泵的制冷工况要求。在冬季，除寒冷地带，我国很大一部分地区的大气温度也是可以满足热泵制热工况的要求的。大气源热泵的应用是当前最为广泛的。属大气—空气热泵的有整体或分体家用空调及商用空调、VRV变频及数码涡旋等（表3 No1、No2）；属大气—水热泵的有冷（热）水机组等（表3 No3、No4）。大气源热泵也有其局限性。空调冷热负荷会随大气温度的升高或降低而增加，但热泵的供冷与供热能力却相反地随着大气温度的升高或降低而下降。所承担的冷热负荷与其供冷与供热能力的这种矛盾，导致热泵在设计参数下的性能系数降低，输入功率增加，这是大气源热泵的弱点之一。其弱点之二是，当表面温度低于0℃时，蒸发器可能会结霜，冲霜要消耗能力的10%。而在大气温度低于-10℃时，一般已不能正常运行。这恐怕是华北和东北地区地下水水源热泵应用渐多的原因之一。近年来，一些制造商相继开发出-15℃以下，甚至-22℃时仍能正常工作，并具备较高制热系数的大气源热泵，为其使用范围北扩创造了条件。

5 水源热泵

以水作为热源的热泵，称之为水源热泵。作为热源的水，可以是地面水（江、河、湖、海），可以是地下水，可以是污水或处理后的再生水，也可以是流经冷却塔（加热器）的循环水等等。无论水的来源，其水质应满足国家关于冷却水的水质要求，水的温度也必须适宜。就当前热泵产品而言，制冷工况下，热源水的温度不宜低于15.5℃。也有产品提出不低于18℃或20℃的要求，当低于该温度时，可采用经换热器间接使用或者混水的方式.水温上限则不宜高于33℃—指单冷式机组，若为冷热式一般可适当提高。在制热工况下，水温上限可视机组性能确定。有产品提出不宜高于20℃或22℃，在使用地热尾水或工业废水作为热源时，往往要高出这一限制，可采用经换热器间接使用或混水方式，也可考虑采用适宜的高温热水热泵。水温下限则应以不出现结冰为限。

水源热泵的设置有，集中设置的水—水热泵或分散设置的水—水热泵—用于住宅建筑，每户一机，以及多区分散设置的水—空气热泵。

5.1 配备冷却塔的循环水水源热泵（表3 No7、No12）

配备冷却塔的循环水水源热泵，包括水—水热泵和水—空气热泵。此种热泵多在夏季用作空调冷源，即通常说的水冷冷水机组和水冷空调器。在商用空调中应用十分广泛，特别是水冷冷水机组，在大型建筑空调中应用更多。由于早已为人所熟知，本文不再赘述。

5.2 水环热泵（表3 No8）

在各房间或区域分别设置水—空气热泵，其水源由配备闭式冷却塔和加热装置的循环水系统供给，人们称之为水环热泵。循环水温度宜控制在15-35℃。夏季，大部或全部热泵按制冷方式运行时，房间余热经热泵传给循环水，通过冷却塔散至大气。过渡季，由于房间所处的位置（阴阳面、内外区等），部分热泵按制冷方式运行，另一部分热泵按制热方式运行，制冷热泵排至循环水的热，为制热热泵所吸收，冷却塔和加热装置不需工作。冬季，在大部或全部热泵按制热工况运行时，则需启动加热装置。

水环热泵的主要优点有：①某一区域排热为另一区域吸收，具有热回收性质；②分区灵活，任何时间可选择供冷供热；③节省冷水机组的机房。

水环热泵系统于上世纪60年代初出现于美国加州，80年代传入中国，在北京、上海、广州及深圳等地均有应用。

5.3 以地下水为热源（表3 No6、No12）

作为热泵的热源，地下水无论其水质、水温都是适宜的。但是，作为资源，国家明令禁止滥采滥用。只有在引进回灌循环使用的方法之后，才使地下水作为热泵的热源成为可能。上世纪六七十年代，国内也曾搞过回灌。但彼回灌非此回灌。国内当时的回灌称冬灌夏用，与当前所采用的回灌循环使用是完全不同的。地下水的回灌循环使用，看似简单，实则很有创意，地下水在向热泵供给或吸收热量之后，返回地下，并无损耗，在一些地区已经取得政府许可。

地下水一般取自于地层的恒温带，水温恒定，其值比当地年平均气温约高出1-4℃左右，除海南之外的全国各地地下水温约在6-20℃。作为空调冷源，当水温较低时，应首先考虑直接引入空调末端装置，用来冷却空气，以节省热泵耗能。作为热泵热源，制冷工况下，在水温低于热泵机组所要求的限值时，应考虑混水措施或经换热器间接使用，制热工况下，包括夏热冬冷地区、寒冷地区以及大庆、哈尔滨等地在内的严寒地区，地下水水温都是适合的。

地下水水源热泵与大气源热泵相比，性能系数及能效比高（表1、表2），制热不受寒冷气候的影响。与通常的单冷式水—水热泵（配装冷却塔的冷水机组）、热网供热的组合方案相比，其优势也较明显:初投资较低，一机两用，制冷制热双功能，一般仅入网费一项，已基本相当于热泵机组的购置费;在运行费用方面，地下水水源热泵方案的全年电费，基本与夏季冷水机组的电费和冬季采暖费之和持平。基于上述，地下水水源热泵自上世纪末引入之后，在华北及东北地区得到广泛应用。地下水水源热泵应用实例见表4。

地下水水源热泵运行的关键是地下水的正常供给和回灌。提水井在生活及生产给水上广泛使用，技术上是成熟的。回灌井的技术经验还需要积累完善。

有公司推出液态冷热源环境系统。该系统在井孔中加装隔板，隔板下为提水井，装设潜水泵，而隔板上为回灌井。隔板上下形成一孔双井。回灌水由隔板上的回灌井井壁流出与地层进行热交换后进入隔板下的提水井。其实质仍应是异井回灌。一孔双井，回灌水由回灌井流向提水井距离短，回灌相对容易，但也同时伴随着热贯通影响的存在。在确定热泵机组出力时，应加以考虑。

表4 地下水水源热泵应用实例摘录

5.4 以城市污水的再生水为热源（表3 No9、No13）

作为量大而普遍存在的城市污水，按照国家《污水综合排放标准GB8978—1996》的规定，须经二级处理并达到表5所列的一、二级标准方可排至相应标准的水域和海域。为缓解水资源危机，污水的再生回用已成为重要课题。再生水作为工业冷却水，是诸多回用用途之一。表6为国家建议再生水用作冷却水的水质标准。

表5 第二类污染物最高允许排放标准（1998.1.1 后建设的单位）

水源热泵的热源用水，应属该表6的直流冷却水。对照表5和表6两个标准，达到一、二级排放标准的出水是可以直接使用的。但用作热源，水的温度，尤其是冬季水温能否满足要求，是十分关键的。由表7实例可见出水温度在夏季为20℃，冬季为12℃，是可以满足热泵的制冷与制热工况的。城市污水的二级处理系采用生化处理。生化处理的适宜温度是20—30℃。10℃以下处理效果迅速下降。水温在6—7℃时，只有提高污泥浓度和降低污泥负荷率，才能发挥净化功能。因此，北方地区

表6 再生水用作冷却水的建议水质标准

表7 污水回用热泵应用实例摘录

处理厂露天设置时是要采取加热设施的。因此，水处理厂在正常运行的状态，冬季出水温度是可以满足热泵制热工况的要求的。

表7为污水处理厂再生水用作热泵热源的实例。

热泵热源使用污水的再生水只吸纳和释放热量，水温改变而水质不变，水量不减，热泵出水仍可作为他用。按照国家规划，2010年实现污水处理率达50%以上，处理污水回用率达60%以上，回用水作为热泵热源应该是很有前途的。

5.5 以地表水作为热源（表3 No9、No13）

地表水包括淡水—来源于江河湖泊，咸水—来源于海洋。

地表水用作水源热泵的热源，有两种方式。一种方式是用泵将水抽送至热泵蒸发器或冷凝器，换热之后返回原处。另一种方式是在地表水水体中设置换热盘管，用管道与热泵蒸发器和冷凝器连接成回路，充以媒介水，在水泵的驱动下循环。

地表水资源丰富，用作热泵热源极具潜力，但实际应用尚不广泛。对于单冷式水源热泵（水冷冷水机组或水冷空调器），使用地表水冷却较之配备冷却塔的冷却水循环系统，并无明显优势，实际应用中仍以后者为主。而在能源日渐短缺，环保要求不断提高的今天，开发地表水所含的可利用能用作制热，为人们所关注。对于单热式或冷热双功能水源热泵，地表水的使用应该是很有前途的。例如，瑞典斯德哥尔摩建有多个大型区域供热站，装有大型离心式水—水热泵，利用波罗的海深处的海水作热源；俄罗斯季夫诺哥尔斯克，以叶尼赛河水为热源，建造热泵供热站。1999—2001年建成4MW的试验性供热站。第二阶段拟建120MW大型热泵供热站，2003年竣工。热泵水源取自于水电站下游，冬季水温，表层不低于2℃，深层不低于5℃。河水流量17.5m&³/s，供回水温差1℃。

6 地源热泵（表3 No5、No10）

地源热泵，是在土壤中埋设水平或垂直的换热盘管，然后用管道将其与热泵蒸发器和冷凝器连接成回路，充以作为媒介的水（或含一定比例的乙二醇或乙醇），依靠水泵的驱动循环。夏季，媒介水在热泵的冷凝器中吸收热量，在流经换热盘管时不断传给土壤，以实现热泵的制冷功能；冬季，媒介水在热泵的蒸发器中放出热量，在流经换热盘管时经管壁不断从土壤中吸取热量，实现热泵的制热功能。

地下水水源热泵的出水，在由回灌井向提水井流动的过程中，将在热泵冷凝器中吸取的热量交换给土壤，或将其在热泵蒸发器中失去的热量从土壤中重新获得。说到底，地下水水源热泵也是地源热泵，地下水不过是天然媒介而已。地下水水温是确定的，而地源热泵的媒介水为人工充入，温度值取决于换热盘管面积及土壤温度等。范围较宽，可达到20℉—110℉ 。必要时，水中应加入一定比例的乙醇或乙二醇。

表8 地源热泵应用实例摘录

地源热泵的换热盘管可以埋在运动场、停车场及绿地等的土壤内，其单位负荷所需地表面积，垂直埋管为60～400ft²/冷吨，水平埋管为1400～3500 ft²/冷吨。换热盘管埋设所需空地面积较大，埋管工程也颇具难度，地源热泵在国内尚处于试验和小规模应用阶段。表8为地源热泵工程实例摘录。

7 热泵在加热卫生热水上的应用（表9）

使用热泵来加热卫生热水，其节能与环保方面的优势，尤其在冷凝热回收上的高经济效益，日渐引起关注，并在实际工程中应用。供应卫生热水与空调负荷相比其明显不同之处：①负荷波动较大，且经常出现间歇；②卫生热水直流，结垢的可能性要大于循环使用的空调用水。因此，实际应用中应根据需要考虑贮水和换热措施。

7.1 以地下水、地面水及废水回用水等为热源

7.1.1 图式1 卫生热水用热泵与空调用热泵各自独立设置，共用水源。使用灵活，易于适应卫生热水负荷波动的特点。应用较多。

7.1.2 图式2 冬季，卫生热水用热泵与空调用热泵，共用水源，均处于制热工况。夏季，空调用热泵处于制冷工况，冷凝热排至地下水（或废水回用水）。而卫生热水用热泵则处于制冷与制热的双功能工况，蒸发器供空调冷水，冷凝器供应卫生热水。为保证卫生热水停供时仍能供冷，冷凝器卫生热水进出管装有与地下水（或废水回用水等）供回水干管之间的连通管，该图式的优点是可以节省热源水。

7.1.3 图式3 所用热泵全部或部分配备副冷凝器(也可做成双管束冷凝器)。主冷凝器接热源水和空调热水管道，副冷凝器接卫生热水。

7.2 利用配备冷却塔的水—水热泵（水冷冷水机组）的冷凝热。

7.2.1 图式4 供卫生热水的热泵处于冷热兼供双功能工况，在蒸发器供空调冷水的同时，冷凝器供应卫生热。当卫生热水停供时，冷凝热由循环冷却水带走，散至大气。

7.2.2 图式5 所用热泵全部或部分配备副冷凝器。主冷凝器接循环冷却水管道，副冷凝器接卫生热

水管道。冷凝热由循环冷却水和卫生热水共同吸纳。

7.3 以空气或大气为热源

7.3.1 卫生热水专用大气—水热泵，与表3所列空调用大气—水热泵类似。所不同的是，空调用大气

—水热泵从功能上有单冷与冷热两种类型，而卫生热水专用大气—水热泵则只具备单热一种功能。

7.3.2 图式6 单冷式大气—空气热泵配置副冷凝器，提供卫生热水，但只限于夏季。

7.3.3 图式7 冷热式大气—空气热泵配备副冷凝器，提供卫生热水。热泵制冷与制热功能的转换，是由蒸发器与冷凝器的互换来实现的。但副冷凝器供热水的功能并不随之改变。

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