(内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010)
摘 要：介绍了热泵的工作原理、它在国内外的应用 和发展，以及热泵的分类，并指出空气源、水源、地源热泵的制冷、制热原理及其优缺点和 应用范围。
关键词：热泵；工作原理；节能
中图分类号：TK523 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)19—0109—04
当今社会，环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，如何解决这一问题，已成 为全人类的课题。在这种背景下，以节能和环保为主要特征的绿色建筑及相应的空调系统应 运而生，而热泵正是满足这些要求的新型中央空调。建筑的高能耗已经成为严重制约我国能 源经济可持续发展战略的瓶颈。“十一五”期间，随着节能减排这一目标的提出，在我国广 袤的土地上推行热泵技术具有广泛而深远的意义。
1 热泵的工作原理
热泵，是一种把处于低温区的热能输送至高温区的机械。“热泵”术语是借鉴水泵一词 而来。［1］水泵是消耗一定的机械能，将水从低处泵送到高处的设备；而热泵 则是消耗一定的机械能，将低温位热能“泵送”到高温位来供应热量需求的设备。热泵系统 的基本能量转换关系如图1。.gif)
热泵有四大优点：第一是节能，有利于能源的综合利用；第二是有利于环境保护；第三 是冷热结合，设备利用率高，节省初投资；第四因为它是电驱动，所以调控比较方便。
2 热泵技术的应用与发展
2.1 综述
热泵的历史可以追溯到1912年瑞士的一个专利，而热泵真正意义的商业应用也只有近十 几年的历史。如美国，截至1985年全国共有14 000台地源热泵，而1997年就安装了4 500台 ， 到目前为止已安装了400 000台，而且每年以10％的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中 地源热泵系统已占空调总保有量的19％，其中有新建筑中占30％［2］。美国热泵工 业已经成 立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协 会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国到2001年达到每年安 装40万台热泵，届时降低温室气体排放100万t，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种 植树1百万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元，此后，每年节约能源费用再增加1.7亿美元 。
与美国的热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地 热资源，地下土壤埋盘管的地源热泵,用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的 统计，在家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96％，奥地利为38％，丹麦为27％ 。
日本的热泵空调器于上世纪70年代进入市场，经过30多年的发展，日本热泵市场已经比较成 熟。根据日本制冷空调工业协会的统计，日本每年生产的700万台柜式空调机中98.5％为热 泵型空调机，应用非常广泛。［3］日本的热泵主要为空气源热泵，目前的研究热点 是将热泵系统推广应用到寒冷地区，并保证高性能。
2.2 我国热泵技术的发展
热泵在我国起步较早。上世纪50年代，天津大学的一些学者已开始从事热泵的研究工作。［4］60年代开始在我国暖通空调中应用热泵。在随后的几年内，大量的热泵产品研制 开发并上 市。例如，从1963年起原华东建筑设计院与上海冷气机厂就开始研制热泵式空调器；1965年 上海冰箱厂研制成我国第一台制热量为3 720kW的CKT-3A热泵型窗式空调器。1965年天津大 学与天津冷气机厂研制成国内第一台水冷式热泵空调机。1966年又与铁道部四方车辆研究所 共同合作进行干线客车的空气——空气式热泵试验。1966年原哈尔滨建筑工程学院与哈尔滨空调 机厂研制成功LHR-20恒温恒湿热泵式空调机，首次提出冷凝废热用作恒温恒湿空调机的二次 加热的新流程。但是，由于我国能源价格的特殊性，以及其他因素的影响，热泵空调在我国 的应用与发展始终很缓慢，直至70年代末期，才又为热泵空调的发展与应用提供了机遇。80 年代至90年代末，在我国暖通空调领域掀起一股热泵热，各种热泵空调的学术交流活动十分 活跃，积极开展了许多热泵空调技术的研究工作。
清华大学、天津大学分别与有关企业结成产学研联合体，开发出中国品牌的地源热泵系统， 已建成数个示范工程，越来越多的中国用户开始熟悉热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣， 可以预计中国的热泵市场前景广阔。
目前，我国利用较多的水源热泵，就是以地下水作为冷热“源体”，在冬季利用热泵吸收其 热量向建筑物供暖；在夏季热泵将吸收到的热量向其排放，实现对建筑物供冷。在我国已经 有了一些工程应用实例，［5］如北京嘉和丽园住宅公寓楼闭式地下水源热泵空调系 统，自200 1年7月正式运行，运行状况基本正常，井水的出水温度年波动较小，一般为16～18℃；井水 的出水量比较稳定，井水回灌也基本正常，无需特殊加压回灌；抽水井一年换一次即可保证 正常运行。
由于能源利用造成的环境问题，使高效节能的热泵技术受到了能源部门的重视.目前,热 泵技术已在各领域推广使用,并在一些实际工程实践中取得了良好的效益。
从整体上看，目前我国热泵发展有三种趋势：风冷热泵型热水机组发展迅速；直燃式溴化锂 冷热水机组发展较快；房间空调器比重最大。
从热泵的发展来看，它不仅与经济发展和热泵技术有关，还与能源结构，环境意识，节能意 识，政府政策和资源情况等因素有关，而且，当前影响我国热泵发展的因素主要是电力供应 紧张和燃料价格政策两方面的因素。
在未来的几年中，我国面临着巨大的能源压力。一方面，我国的经济要保持较高速度的增长 ，另一方面，又必须考虑环保和可持续发展问题。所以要求提高能源利用效率，要求能源结 构调整。能源利用效率提高，会鼓励各种节能设备和技术的推广，能源结构调整的方向就是 从以煤为主转为以燃气，直至以电为主。在我国的能源消耗中，建筑耗能的比例相当高。为 了适应市场要求和参加国际竞争，我们必须加快我国品牌热泵的产业化研究开发。
总而言之，节能始终是空调领域的重要研究课题之一，热泵技术能提高能源利用率，是合理 利用能源的典范，正因为热泵的节能效益，才使热泵在20世纪70年代后在空调领域获得广泛 地应用与发展，业内曾将这一时期称为热泵发展的第一兴旺期，并有人预言由于全球温暖化 问题成为世人瞩目的焦点，人们要求减少温室效应，也就是说：空调能源效率再次变得最重 要，有人说热泵是个拳头技术，特别在风冷方面，这不是由于经济问题，而是出于环境原因 ，根据预计，暖通空调行业将会经历热泵发展的第二次兴旺期，我们应当从思想上作好准备 ，加强有关热泵空调方面的研究工作，积极推广应用热泵空调。
3 热泵的分类及其特点
热泵的分类有多种形式，按利用的(冷)热源。可分为空气源、地表水(江河、湖泊、海水 等)、地下水、太阳能、城市自来水、土壤、废热(水、气)热泵。
3.1 空气源热泵
空气源热泵以制冷剂为媒介，制冷剂在风机盘管(或太阳能板)中吸收空气中(或阳光中) 的能量，再经压缩机压缩制热后，通过换热装置将热量传递给水，热水通过水循环系统送入 用户散热器进行采暖或直接用于热水供应。
空气源热泵技术从1924年发明到现在，在很长的一段时间里面，没有被人类充分地认识和运 用。供暖还是利用传统的燃气，或者电热这样一个传统的方法，因为它比较简单，比较直接 。但到20世纪60年代，世界能源危机以后才给予充分的重视，世界经济持续发展，要给子孙 后代留下能源、能量资源，一定要注意能源的节约和合理的使用。所以世界各国纷纷加大了 研发力度，推广热泵技术，所以目前热泵技术已经比较广泛地使用。
空气源热泵目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热水机组 。热泵空调器已占到家用空调器销量的40%～50％，年产量400余万台［6］。
空气源的优点是热能无限可用，其设备投资低；但也存在缺点：冬季温度低，需要辅助热源 ，无储存效应，噪声污染大，使空气源热泵的推广使用受到限制。在我国北方寒冷的冬季， 随着室外温度的降低，热泵效率大大降低，而且蒸发器极易结冰，需消耗电能解冻，很不经 济，因此，这种热泵适用于夏热冬冷地区的中、小型公共建筑，象我国黄河以南冬季室外气 温较高的地区，据不完全统计，该地区部分城市中央空调冷热源，采用热泵冷热水机组的已 占到20%～30％。
3.2 水源热泵
水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源(如地下水，河流和湖泊)，或是人工再生水源( 工业废水，地热尾水)既可供热又可制冷的高效节能空调系统。它将蕴藏于江、河、湖泊、 深井水、地表水中的大量不可直接利用的低品位热能提出，变成可直接利用的高品位热能， 分别在冬，夏季作为供暖的热源和空调冷源，即在冬季，把水体和地层中的热量“取”出来 ，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量“取”出来，释放到水体和地层中去。 通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。
水源热泵供热空调系统主要由两部分组成，即室内的水——水制冷、制热系统，室外的冷热 源换热系统。室外的冷热源系统可根据所设计的建筑物的室外条件来选择室外地表水、深井 水或河流、湖泊及工业余热废热等方式。其组成如图2。
水源热泵根据对水源的利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种。闭式系统是指 在水侧为一组闭式循环的换热套管，该组套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中，通过 与土壤或海水换热来实现能量转移。(其中埋于土壤中的系统又称土壤源热泵，埋于海水中 的系统又称海水源热泵)。开式系统是指从地下抽水或地表抽水后经过换热器直接排放的系 统。
用于评价热泵性能优劣时常用的是其性能系数，也称供热系数、供冷系数或称其为“功效比 ”，用COP来表示。它的定义是系统输出的高温热量与所消耗的能量之比值。空气源热泵其 供热系数、供冷系数一般在2.2～3.0之间，而水源热泵，国内产品在供热时COP值可达3.5～ 4.0，供冷时活塞式机组为5.0～5.2，螺杆式机组可达6.0。足以可见水源热泵的节能特点。
水源热泵有很大的节能优势，因为其COP比值较大，使建筑物供热及空调运行费用较低,设计 良好的水源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比，相当于减少30％以上，与电供暖相比 ，相当于减少70％以上。据已运行水源热泵的使用单位初步统计，冬季用于采暖的费用大约 在10～14元/m2，夏季用于空调的运行费用8～10元/m2。另外，水源热泵还有无污染、 占地面积小、土建费用低、一机多用、安全可靠、运行维护简便、自动化程度高、使用寿命 长等优点。
与锅炉(电、燃料)和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。［7］锅 炉供热只能将90％～98％的电能或70%～90％的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地 源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由 于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4， 与传统的空气源热泵相比，要高出40％左右，其运行费用为普通中央空调的50%～60％。因 此，近十几 年来，尤其是近五年来，水源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典 等国家取得了较快的发展，中国的水源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为 21世纪最有效的供热和供冷空调技术。
在未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。一方面，中国的经济要保持较高速度的增长 ，另一方面，又必须考虑环保和可持续发展问题。所以要求提高能源利用效率，要求能源结 构调整。能源利用效率提高，会鼓励各种节能设备和技术的推广，能源结构调整的方向就是 从以煤为主转为以燃气，直至以电为主。在中国的能源消耗中，建筑耗能的比例相当高。为 了适应市场要求和参加国际竞争，我们必须加快中国品牌的水源热泵的产业化研究开发。
但是，水源热泵技术的应用，其先决和必要条件是建筑所在地有充足的地下水或其他水源 。就目前已应用的水源热泵系统中，大多数采用地下水来提取热能，如何解决取水井与回灌 井的水位平衡问题，以及由于回灌井的回灌流速，能否给周围的建筑物等造成安全上和质量 上的问题都需要进一步深入研究和探讨。
3.3 地源热泵
地源热泵又称地源中央空调，是利用地球储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供 热制冷空调系统。
地源热泵系统主要由三部分组成：室外地热能交换系统，水源热泵机组及建筑物内空调末端 系统。其系统工作原理如图3。
冬季：当机组在制热模式时，就从土壤/水中吸收热量，通过压缩机和热交换器把大地的热 量集中，并以较高的温度释放到室内；夏季：当机组在制冷模式时，就从土壤/水中提取冷 量，通过压缩机和热交换器将室内热量集中，排放到土壤/水中，达到空调的目的。
地源热泵系统有突出的技术优点：高效、节能、环保、无污染。地源热泵系统在冬季供暖时 不需要锅炉或增加辅助加热器，没有氮氧化物、二氧化硫和烟尘的排放；由于是分散供暖， 大大提高了城市能源安全；运行和维护费用低，简单的系统组成使得地源热泵系统无需专人 看管，也无需经常维护；简单的控制设备，运行灵活，系统可靠性强，节省占地空间，没有 冷却塔和其他室外设备，节省了空间，并改善了建筑物的外部形象；较长的使用寿命，通常 机组寿命均在15年以上；供暖空调的同时还可提供生活热水。
美国能源部(DOE)和美国环境保护署(EPA)等研究机构研究表明［8］：地源热泵系统 是目 前效率最高、对环境最有利的热水、取暖和制冷系统。一方面它利用地下土壤或岩石的相对 稳定温度使取暖和空调系统在全年都能维持高效运行，为地源热泵用户节省电费20％～50％ ；另一方面，在同等条件下，采用了地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。而且，地源 热泵系统的运行费用相对于其他空调系统来说是相当低的，使用户的投资在三年左右可收回 。
最近5年，热泵技术成了国内建筑节能及暖通空调界的热门研究课题，并开始大量应用于工 程实践，与此相关的热泵产品应运而生，掀起一股“地热空调”的热潮，其中土壤源热泵发 展最快。1996年至今在北京、河北、山东、江苏、浙江、上海、河南、湖北和西藏等地相继 建成了地源热泵工程，应用范围基本覆盖了我国所有省份，全国地源热泵系统的应用
面积接近3 000万m2。
地源热泵是一种高效、节能、环保型产品，但也有其缺点。首先是投资高，因为地下钻井眼 埋管和打井都需要高额的工程建设费，尤其是在现场地质水文恶劣的情况下更为突出。在一些工程中，地下钻眼埋管或打井费用甚至与地上空调系统 的建设费用相接近。第二个缺点是 地源热泵系统的全年供冷供热性能与经济性强烈依赖于建筑的冷、热负荷计算，设备选用， 以及地埋管或水井计算与施工。第三个不足是，目前国内熟悉地源热泵系统的合格设计者为 数有限。第四个不足是目前国内有经验的、合格的承包商也不多。
地源热泵系统既不是一种万能的系统，也不是在任何地方都能建设的系统，它具有明显的地 域特性。地源热泵系统的使用条件和场所为［9］：①全年室外空气平均温度(或地下 恒温带温度)处于10～20℃的地域；②具有经济打井的地质条件和拥有合适浅层地下水资源 的地域；②全年向地下总排热量和总取热量相等或接近的供热、供冷工程；③夏季供冷温度 不低于5℃，夏季供热温度不高于60℃的工程。
4 结束语
建筑节能、提高能源利用率、开发新能源始终是我们奋斗的目标。建设节约型社会、发展循 环经济是我国的一项国策，抓好建筑节能是一项关系到我国经济可持续发展的重要工作。热 泵技术利用太阳能、地球浅表热能等可再生和绿色能源向建筑提供采暖、生活热水供应、制 冷，是一项优秀的建筑节能技术，所以相信我国政府将进一步支持此技术的发展，市场也能 更进一步的认可此项技术，热泵空调系统的前景是十分美好的。同时，随着经济的发展，人 们环境意识的日益加强，热泵作为一种节能环保产品将受到越来越多的重视。因此，研究和 推广应用热泵技术，对于节省能源，提高经济效益，降低环境污染，促进社会和谐发展有不 可替代的作用。
［参考文献］
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［8］ 海尔在东北地区大力推广地源热泵中央空调［EB/OL］.http:// info.water.h c360.com/ 2005/ 05/ 17092553317-5.shtm,2005-05-17.
［9］ 汪训昌.科学认识、宣传与建设地源热泵系统，切实加强地下环境监测工作［J ］.暖通空调，2008,38(1).