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(guī)律。然而，在現(xiàn)實生活中，為了農(nóng)業(yè)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。

熱泵系統(tǒng)的工作原理與制冷系統(tǒng)的工作原理是一致的。要搞清楚熱泵的工作原理，首先要懂得制冷系統(tǒng)的工作原理。制冷系統(tǒng)（壓縮式制冷）一般由四部分組成：壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。其工作過程為：低溫低壓的液態(tài)制冷劑（例如氟利昂），首先在蒸發(fā)器（例如空調(diào)室內(nèi)機）里從低溫熱源（例如常溫空氣）吸熱并氣化成低壓蒸氣。然后制冷劑氣體在壓縮機內(nèi)壓縮成高溫高壓的蒸氣，該高溫高壓氣體在冷凝器內(nèi)被低溫熱源（例如冷卻水）冷卻凝結(jié)成高壓液體。再經(jīng)節(jié)流元件（毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等）節(jié)流成低溫低壓液態(tài)制冷劑。如此就完成一個制冷循環(huán)。

熱泵的性能一般用制冷系數(shù)（COP性能系數(shù)）來評價。制冷系數(shù)的定義為由低溫物體傳 到高溫物體的熱量與所需的動力之比。通常熱泵的制冷系數(shù)為3-4左右，也就是說，熱泵能夠?qū)⒆陨硭�需能量�?到4倍的熱能從低溫物體傳送到高溫物體。所以熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置，工作時它本身消耗很少一部分電能，卻能從環(huán)境介質(zhì)（水、空氣、土壤等）中提取4-7倍于電能的裝置，提升溫度進行利用，這也是熱泵節(jié)能的原因。歐美日都在競相開發(fā)新型的熱泵。據(jù)報導新型的熱泵的制冷系數(shù)可6到8。如果這一數(shù)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。

地源熱泵是熱泵的一種，是以大地或水為冷熱源對建筑物進行冬暖夏涼的空調(diào)技術(shù)，地源熱泵只是在大地和室內(nèi)之間“轉(zhuǎn)移”能量。利用極小的電力來維持室內(nèi)所需要的溫度。在冬天，1千瓦的電力，將土壤或水源中4-5千瓦的熱量送入室內(nèi)。在夏天，過程相反，室內(nèi)的熱量被熱泵轉(zhuǎn)移到土壤或水中，使室內(nèi)得到?jīng)鏊�的空氣。而地下獲得的能量將在冬季得到利用。如此周而復始，將建筑空間和大自然聯(lián)成一體。以小的代價獲取了舒適的生活環(huán)境。

冬夏工況

由于熱泵裝置的工作原理與壓縮式制冷是一致的；所以在小型空調(diào)器中，為了充分發(fā)揮它的效能，在夏季空調(diào)降溫或在冬季取暖，都是使用同一套設(shè)備來完成的。在冬季取暖時，將空調(diào)器中的蒸發(fā)器與冷凝器通過一個換向閥來調(diào)換工作。

由圖中可看出，在夏季空調(diào)降溫時，按制冷工況運行，由壓縮機排出的高壓蒸汽，經(jīng)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(jīng)節(jié)流裝置進入蒸發(fā)器，并在蒸發(fā)器中吸熱，將室內(nèi)空氣冷卻，蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽，經(jīng)換向閥后被壓縮機吸入，這樣周而復始，實現(xiàn)制冷循環(huán)。

在冬季取暖時，先將換向閥轉(zhuǎn)向熱泵工作位置，于是由壓縮機排出的高壓制冷劑蒸汽，經(jīng)換向閥后流入室內(nèi)蒸發(fā)器（作冷凝器用），制冷劑蒸汽冷凝時放出的潛熱，將室內(nèi)空氣加熱，達到室內(nèi)取暖目的，冷凝后的液態(tài)制冷劑，從反向流過節(jié)流裝置進入冷凝器（作蒸發(fā)器用），吸收外界熱量而蒸發(fā)，蒸發(fā)后的蒸汽經(jīng)過換向閥后被壓縮機吸入，完成制熱循環(huán)。這樣，將外界空氣（或循環(huán)水）中的熱量“泵”入溫度較高的室內(nèi)，故稱為“熱泵”。

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

熱泵空調(diào)里面有一個四通換向閥。在制冷工況下，室內(nèi)熱交換器就是蒸發(fā)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(nèi)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(fā)器。

由于冬季往外出冷風，換熱器要結(jié)霜，所以等結(jié)霜到一定程度時，四通換向閥再切換，空調(diào)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(tài)。除霜時，為了防止向室內(nèi)吹冷風，故室內(nèi)機的風機停止運轉(zhuǎn)。（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）

能量分析

在上圖的熱泵循環(huán)中，從低溫熱源（室外空氣或循環(huán)水，其溫度均高于蒸發(fā)溫度t0）中取得Q0kcal/h的熱量，消耗了機械功ALkcal/h，而向高溫熱源（室內(nèi)取暖系統(tǒng)）供應(yīng)了Q1kcal/h的熱量，這些熱量之間的關(guān)系是符合熱力學定律的，即Q1=Q0+AL kcal/h

如果不用熱泵裝置，而用機械功所轉(zhuǎn)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(tǒng)）多獲得了熱量：Q1-AL=Q0kcal/h。這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。故用熱泵裝置既可節(jié)省燃料，又可利用余熱。

熱泵的工作循環(huán)與熱機的工作循環(huán)正好相反，熱機是利用高溫熱源的能量來產(chǎn)生機械功的，而熱泵是靠消耗機械功將低溫熱源的熱量轉(zhuǎn)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(huán)的熱效率η=AL╱Q1；熱機循環(huán)的能量指標----熱量轉(zhuǎn)換系數(shù)

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(guān)系為：φ=Q1╱AL=（Q0+AL）╱AL=ε+1，ε 是制冷機的制冷系數(shù)。由此可看出，熱量轉(zhuǎn)換系數(shù)的小值是φ=1，在此極限情況下ε=0，Q0=0，即沒有從低溫熱源吸取熱量。

能量轉(zhuǎn)換

作為自然界的現(xiàn)象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫區(qū)流向低溫區(qū)。但人們可以創(chuàng)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(zhì)上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環(huán)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(huán)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(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，通過傳熱工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)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(shù)可以節(jié)約大量高品位能源。

在運行中，蒸發(fā)器從周圍環(huán)境中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質(zhì)，工質(zhì)蒸汽經(jīng)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(zhì)通過膨脹閥返回到蒸發(fā)器，后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復。

工作介質(zhì)

熱泵工作工質(zhì)以前一般為氟利昂，但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(tài)環(huán)境，除了提高熱泵的制冷系數(shù)，有效利用能源以外，各國科學還致力于新型工質(zhì)的開發(fā)，已有替代氟利昂的工質(zhì)得到應(yīng)用。

但是，今天中國大部分廠家所采用的工質(zhì)還是R22，采用環(huán)保工質(zhì)R417A、134A的時代還未到來。而日本等一些國家已率先采用CO2作為工質(zhì)，從而不對臭氧層造成破壞。（所以在安裝時，銅管務(wù)必要連接緊密，防止R22漏出。）此外，以上所述的R22、R417A、134A、CO2皆對人體不造成傷害的，即使有漏出，整套設(shè)備仍然都是安全的。

按熱源種類不同分為：空氣源熱泵，水源熱泵，地源熱泵，雙源熱泵（水源熱泵和空氣源熱泵結(jié)合）等。

空氣源熱泵

原理

空氣源熱泵在運行中，蒸發(fā)器從空氣中的環(huán)境熱能中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質(zhì)，工質(zhì)蒸氣經(jīng)壓縮機壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過黏結(jié)在貯水箱外表面的特制環(huán)形管時，冷凝器冷凝成液體，將熱量傳遞給空氣源熱泵貯水箱中的水。

熱泵工質(zhì)

空氣源熱泵傳熱工質(zhì)是一種特殊物質(zhì)，常壓下其沸點為零下40℃，凝固點為零下100℃以下，該物質(zhì)冷的時候是液體，但很容易被蒸發(fā)成氣體，反之亦然。在實際運行中，空氣源熱泵中傳熱工質(zhì)的蒸發(fā)極限溫度為零下20℃左右，因此5℃的環(huán)境溫度對如此低的溫度也是“熱”的，甚至下雪的溫度，比如說0℃，相比之下也是熱的，因此，仍可交換一些熱能。

水源熱泵

原理

地球表面淺層水源（一般在1000 米以內(nèi)），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?shù)妮椛淠芰�，并且水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵技術(shù)的工作原理就是：通過輸入少量高品位能源（如電能），實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)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(nèi)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。

優(yōu)勢

與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比，水源熱泵具明顯的優(yōu)勢。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70%～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)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(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達3.5～4.4，與傳統(tǒng)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(diào)的50%～60%。因此，近十幾年來，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北美及中、北歐等國家取得了較快的發(fā)展，中國的水源熱泵市場也日趨活躍，使該項技術(shù)得到了相當廣泛的應(yīng)用，成為一種有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。

地源熱泵

地源熱泵是一種利用淺層地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)設(shè)備。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)由低溫位熱能向高溫位熱能轉(zhuǎn)移。地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地能中去。通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4kWh以上的熱量或冷量。

高溫空氣能熱泵

高溫空氣能熱泵從字面來理解是指制熱出水溫度高于60℃（即：高溫熱水）或出風溫度能夠達到 80 ℃以上的熱泵（即：高溫烘干熱泵）。相對今天市場上熱銷的常規(guī)熱泵而言，常規(guī)熱水溫度一般是55℃以下，而新一代高溫空氣能熱泵可制取高達85℃左右的高溫熱水，能夠運用于電鍍，巴氏消毒，屠宰，玻璃清洗，印染等行業(yè)。

工作原理

高溫空氣能熱泵工作原理是：利用逆卡諾循環(huán)原理，通過自然能(空氣蓄熱)獲取低溫熱源，經(jīng)系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫熱源，用來取(供)暖、干燥或供應(yīng)熱水。

優(yōu)點

高溫空氣能熱泵的四大優(yōu)點：，節(jié)能，有利于能源的綜合利用，高溫空氣能熱泵是把空氣中的低溫熱能吸收進來，經(jīng)過壓縮機壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫熱能，其節(jié)能效果相當顯著；第二，有利于環(huán)境保護；第三，冷熱結(jié)合，設(shè)備應(yīng)用率高，節(jié)省出投資，第四，因為它是電驅(qū)動，調(diào)控比較方便。

相比電鍋爐，可以節(jié)約50%以上的電力消耗，而且減少了經(jīng)常更換電熱管的麻煩；相比傳統(tǒng)煤鍋爐和燃油鍋爐，無污染，無排放，安全，省去了每年例行的安檢，省去了專業(yè)的鍋爐工，全自動控溫，運行費用也大幅降低50%以上。高溫熱泵能夠完成某種特殊領(lǐng)域供熱供冷需求的熱泵。一般來講，高溫空氣能熱泵采用專門的熱泵壓縮機，特殊的制冷劑及系統(tǒng)。

種類

市場上熱泵熱水器種類很多，主要有太陽能助推型、水源和空氣源三種系列。太陽能助推式熱泵是熱泵與太陽能技術(shù)結(jié)合使用的一種熱泵技術(shù)；水源熱泵是利用一定溫度的水源（20℃以上）作為熱源以制冷劑為媒介，將水源中的熱量吸收后經(jīng)壓縮機壓縮制熱，通過熱交換器與冷水交換熱量以達到取暖和制取熱水的目的，水源熱泵必須有一定溫度和流量的水源；空氣源熱泵以水源熱泵類似方法從空氣獲得熱量來加熱水。三種熱泵中，空氣源熱泵受到的條件限制小，發(fā)展空間。

空氣源熱泵熱水器

空氣源熱泵熱水器主要由壓縮機、熱交換器、軸流風扇、保溫水箱、水泵、儲液罐、過濾器、電子膨脹閥和電子自動控制器等組成。接通電源后，軸流風扇開始運轉(zhuǎn)，室外空氣通過蒸發(fā)器進行熱交換，溫度降低后的空氣被風扇排出系統(tǒng)，同時，蒸發(fā)器內(nèi)部的工質(zhì)吸熱汽化被吸入壓縮機，壓縮機將這種低壓工質(zhì)氣體壓縮成高溫、高壓氣體送入冷凝器，被水泵強制循環(huán)的水也通過冷凝器，被工質(zhì)加熱后送去供用戶使用，而工質(zhì)被冷卻成液體，該液體經(jīng)膨脹閥節(jié)流降溫后再次流入蒸發(fā)器，如此反復循環(huán)工作，空氣中的熱能被不斷“泵”送到水中，使保溫水箱里的水溫逐漸升高，后達到55℃左右，正好適合人們洗浴。

空氣源熱泵是當今世界上的能源利用產(chǎn)品之一。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展與人們生活品位的提高，生活用熱水已成為人們的生活必需品，然而傳統(tǒng)的熱水器（電熱水器，燃油、氣熱水器）具有能耗大、費用高、污染嚴重等缺點；而節(jié)能環(huán)保型太陽能熱水器的運行又受到氣象條件的制約。空氣源熱泵的供熱原理與傳統(tǒng)的太陽能熱水器截然不同，空氣源熱泵以空氣、水、太陽能等為低溫熱源，空氣源熱泵以電能為動力從低溫側(cè)吸取熱量來加熱生活用水，熱水通過循環(huán)系統(tǒng)直接送入用戶作為熱水供應(yīng)或利用風機盤管進行小面積采暖。空氣源熱泵是目前學校宿舍、酒店、洗浴中心等場所的大、中、小熱水集中供應(yīng)系統(tǒng)的解決方案。