一、热泵的定义与基本原理

热泵是一种在高位能（一般为电能、热能）的驱动下，将低位热源(通常是空气、水或土壤）的热能转移到高位热源的节能装置，从而为住宅、商业和工农业供暖、供冷及提供热水等服务。

以室内供暖为例说明热泵节能的效果，下图给出了3种供暖方案。若向室内供应10kW热量维持室温20℃，采用燃煤供暖需要提供14.286kW的化学能（燃煤效率取70%），并排放大量污染物;采用电阻加热器，直接加热室内空气，至少需要供给电能10kW;而采用电能驱动热泵向室内供暖，仅消耗2.857kW的电能（COP取3.5)。可见，热泵供暖减少了大量高位能源消耗。

二、常见的三种热泵机组特点

1、空气源热泵机组

以室外空气为热源的热泵机组，称为空气源热泵机组。空气源热泵是最具有普适性的热泵形式1。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）。下图是空气源热泵的原理示意图。

• 空气源热泵机组的安装和使用都比较简单和方便，机组运行有一定噪声。一方面，空气源热泵机组一般不需要围护结构，布置在室外;一方面，空气的热容量比水小，在同样的换热量要求下，空气源热泵机组所需要空气量比水大很多，这样所选用的风机也较大，导致空气源热泵机组的噪声增大。

• 室外空气侧换热器表面温度低于周围空气的露点温度且低于0℃时，换热器表面就会结霜，机组结霜将会降低室外侧换热器的传热系数，增加空气侧的流动阻力，导致机组的COP及供热能力下降。

2、土壤源热泵

以地下常温土壤或增温岩土体为热源的热泵机组，称为土壤源热泵机组。如下图所示，土壤源热泵通过深埋于建筑物周围的管路系统，冬季从土壤中取热，向建筑物供暖;夏季向土壤排热，为建筑物制冷。

• 相对于地表水和空气，土壤的温度全年波动较小，可以分别在夏冬季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，使得热泵机组运行更加高效、稳定、可靠。通常土壤源热泵消耗1kWh的能量，用户可以得到4kWh以上的热量/冷量。

• 相比空气源热泵，土壤源热泵不存在除霜问题，热泵机组一般布置在室内，有较好的隔音效果和降噪措施。

• 土壤的传热性能欠佳，通常需要较大的传热面积，导致埋管占地面积较大或埋深较深，长远看还需要考虑埋管对未来土地开发的影响。另外在地下埋设管道成本较高，运行中若产生故障也不易检修。

• 土壤源热泵冬季从地下取热，夏季向地下排热，当冬夏取热和排热负荷不平衡或热量补充和消纳不充分时，长期使用易造成地温升高或降低，使得热泵的换热效果下降。所以设计时应进行热平衡计算，必要时可采用辅助冷却和加热的方法控制土壤长期温度波动在允许范围内。

3、水源热泵

以地表或地下水源为热源（或热汇）的热泵机组，称为水源热泵机组。水源热泵的水源主要来自地下水、地表水、污水和废水等。下图是其原理示意图。

• 同其他型式热泵相比，水源热泵机组水体的温度相对稳定，其波动范围小于空气，可利用的水体温度能在夏冬季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。因此水源热泵机组运行稳定可靠，也不存在空气源热泵的冬季除霜等问题。

• 取水构筑物复杂，较适用于中大规模工程。大型水源热泵机组供热能力通常在1000~3000kW左右2，供大型热泵站用的水源热泵机组供热能力可达到15MW、20MW、25MW、30MWV。

• 水源热泵的应用，应先了解当地水源情况，对水源状况进行充分调查，确定用水方案。若利用地下水，必须考虑回灌问题，且应结合当地的地质情况考虑回灌方式。回灌困难是目前大多数工程遇到的问题，地下水地源热泵的应用应慎重。

三、热泵制运行能力与节能参数衡量

为衡量热泵机组和系统的制热/制冷能力、效率和节能效果，通常采用以下参数对热泵机组和系统进行评价:

(1）制热量(Qh）

热泵按制热工况运行时，单位时间内向热用户（热汇）供给的热量，即制热工况热泵机组中冷凝器所供给的热量。制热量用来度量热泵机组的制热能力的大小。

(2）制冷量(Qc)

热泵按制冷工况运行时，单位时间内从被冷却物体中提取的热量，即制冷工况热泵机组的蒸发器所吸取的热量。制冷量用来度量热泵机组的制冷能力的大小。

(3）性能系数（COP)

定义为热泵机组的制热量（或制冷量）与其消耗功率之比，其值用W表示，无因次量。COP值是同运行工况有关的量，在热泵性能评价中，通常用其额定工况的COP值，其值反映了热泵额定工况性能。

(4）制热季节能效比（HSPF)

在制热季节中，热泵进行制热运行时向室内送入的热量总和与消耗的高位能总和之比，其值用kWh/kWh表示，简称HSPF。

(5）全年性能参数（APF)

由于热泵一般是全年冬、夏两季运行（制热和制冷工况），APF为考核其综合性能，其定义为:以一年为计算周期，同一台热泵在制冷季节从室内除去的热量及制热季节向室内送入的热量总和与同一期间内消耗的高位能总和之比，其值用kWh/kWh表示，简称APF。在热泵性能评价中引入APF将会使用户了解更接近实际使用状态的热泵能耗和年消耗电能的多少。

(6）能源利用系数（E)

定义为热泵机组的制热量（制冷量）与消耗的初级能源之比。通常用E来评价热泵的节能效果。

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知识点：空气源热泵、土壤源热泵、水源热泵

有关水源热泵与空气源热泵