空调热泵概论
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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）
qe = h1 ? h4 kj/kg (1)
② 单位质量工质的压缩功
w= h2 ? h1
kj/kg (2)
③ 单位质量工质的放热量（或制热量）
qc = h2 ? h3
=（h1 ? h4）+（ h2 ? h1 ）
= qe +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COPe‘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COPc’表示，即
COPc’== (5)
或COPc’== COPe’+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COPe‘ 和热泵制热系数COPc‘，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COPe= COPe’η0
实际制热系数COPc= COPc’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COPe.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 机组型号 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 机组型号熟的。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 序号势，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。
表9 热泵加热卫生热水应用图式
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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