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）

q_e = h₁ – h₄ kj/kg (1)

② 单位质量工质的压缩功

w= h₂ – h₁kj/kg (2)

③ 单位质量工质的放热量（或制热量）

q_c = h₂ – h₃

=（h₁ – h₄）+（ h₂ – h₁ ）

= q_e +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COP_e^‘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COP_c^’表示，即

COP_c^’== (5)

或COP_c^’== COP_e^’+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COP_e^‘ 和热泵制热系数COP_c^‘，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COP_e= COP_e^’η₀

实际制热系数COP_c= COP_c^’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COP_e.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