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1、1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
2、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2工冷源，人们开发和逐渐完善了制冷
3、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
4、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
5、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32.1 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
6、 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。 单位质量工质的制冷量（或吸热量） qe = h1 h4 kj/kg (1) 单位质量工质的压缩功w= h2 h1 kj/kg (2) 单位质量工质的放热量（或制热量）qc = h2 h3 =（h1 h4）+（ h2 h1 ）4= qe +w kj/kg (3) 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 (
7、4)由式（）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。 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
8、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5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 0，则有：实际制冷系数 COPe= COPe0 实际制热系数 COPc= COPc0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
9、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
10、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 EER6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 C
11、OP 值及EER 值表 1 大气水热泵技术参数举例 机组型号冷量 kw热量 kw压缩机功率 kw风机功率 kw冷热水泵功率 kw合计功率 kwCOPEER7制冷制热制冷制热制冷制热制冷制热30AQA240620406196.2138.210.82.2209.2151.23.162.9482.962.69注：1.制冷工况，大气温度 35，冷水供回水温度 712。2.制热工况，大气温度-10，热水供回水温度 4540。表 2 水水热泵技术参数举例 机组型号冷量 kw热量 kw压缩机功率 kw井泵功率 kw冷热水泵功率 kw合计功率 kwCOPEER制冷制热9制冷制热制冷制热制冷制热30HXC200
12、AHP16287221311665.52.2138.7173.74.294.354.534.16注：1.制冷工况，地下水混合供回水温度 2025，冷水供回水温度 712。102.制热工况，地下水混合供回水温度 135，热水供回水温度 4540。 3 热泵分类3.1 按原理分 蒸汽压缩式；蒸汽喷射式；吸收式。3.2 按蒸汽压缩机种类分 活塞式；涡旋式；螺杆式；滑片式；滚动转子式；离心式。3.3 按动力分 蒸汽压缩式热泵按动力可分为电力；燃油或燃气式发动机。吸收式热泵按动力可分为蒸汽；热水；油或气直燃。3.4 按功能分 制冷；制热；制冷或制热（按季节或视需求转换）；制冷兼制热。3.5 按热源种类分
13、 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：大气源；水源；地源。3.6 按热源
14、或热源媒介及应用端媒介组合分 大气空气热泵；大气水热11泵；水空气热泵；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
15、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
16、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12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
