一、熱泵的定義與基本原理
熱泵是一種在高位能（一般為電能、熱能）的驅(qū)動(dòng)下，將低位熱源(通常是空氣、水或土壤）的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的節(jié)能裝置，從而為住宅、商業(yè)和工農(nóng)業(yè)供暖、供冷及提供熱水等服務(wù)。
以室內(nèi)供暖為例說明熱泵節(jié)能的效果，下圖給出了3種供暖方案。若向室內(nèi)供應(yīng)10kW熱量維持室溫20℃，采用燃煤供暖需要提供14.286kW的化學(xué)能（燃煤效率取70%），并排放大量污染物;采用電阻加熱器，直接加熱室內(nèi)空氣，至少需要供給電能10kW;而采用電能驅(qū)動(dòng)熱泵向室內(nèi)供暖，僅消耗2.857kW的電能（COP取3.5)?？梢?，熱泵供暖減少了大量高位能源消耗。
二、常見的三種熱泵機(jī)組特點(diǎn)
1、空氣源熱泵機(jī)組
以室外空氣為熱源的熱泵機(jī)組，稱為空氣源熱泵機(jī)組?？諝庠礋岜檬亲罹哂衅者m性的熱泵形式1。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，又可分為空氣/空氣熱泵（如分體柜式熱泵空調(diào)器、熱泵型窗式空調(diào)器等）和空氣/水熱泵（如空氣源熱泵熱水器、空氣源熱泵冷熱水機(jī)組等）。下圖是空氣源熱泵的原理示意圖。
空氣源熱泵機(jī)組的安裝和使用都比較簡(jiǎn)單和方便，機(jī)組運(yùn)行有一定噪聲。一方面，空氣源熱泵機(jī)組一般不需要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，布置在室外;一方面，空氣的熱容量比水小，在同樣的換熱量要求下，空氣源熱泵機(jī)組所需要空氣量比水大很多，這樣所選用的風(fēng)機(jī)也較大，導(dǎo)致空氣源熱泵機(jī)組的噪聲增大。
室外空氣側(cè)換熱器表面溫度低于周圍空氣的露點(diǎn)溫度且低于0℃時(shí)，換熱器表面就會(huì)結(jié)霜，機(jī)組結(jié)霜將會(huì)降低室外側(cè)換熱器的傳熱系數(shù)，增加空氣側(cè)的流動(dòng)阻力，導(dǎo)致機(jī)組的COP及供熱能力下降。
2、土壤源熱泵
以地下常溫土壤或增溫巖土體為熱源的熱泵機(jī)組，稱為土壤源熱泵機(jī)組。如下圖所示，土壤源熱泵通過深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)，冬季從土壤中取熱，向建筑物供暖;夏季向土壤排熱，為建筑物制冷。
相對(duì)于地表水和空氣，土壤的溫度全年波動(dòng)較小，可以分別在夏冬季提供相對(duì)較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更加高效、穩(wěn)定、可靠。通常土壤源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4kWh以上的熱量/冷量。
相比空氣源熱泵，土壤源熱泵不存在除霜問題，熱泵機(jī)組一般布置在室內(nèi)，有較好的隔音效果和降噪措施。
土壤的傳熱性能欠佳，通常需要較大的傳熱面積，導(dǎo)致埋管占地面積較大或埋深較深，長遠(yuǎn)看還需要考慮埋管對(duì)未來土地開發(fā)的影響。另外在地下埋設(shè)管道成本較高，運(yùn)行中若產(chǎn)生故障也不易檢修。
土壤源熱泵冬季從地下取熱，夏季向地下排熱，當(dāng)冬夏取熱和排熱負(fù)荷不平衡或熱量補(bǔ)充和消納不充分時(shí)，長期使用易造成地溫升高或降低，使得熱泵的換熱效果下降。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行熱平衡計(jì)算，必要時(shí)可采用輔助冷卻和加熱的方法控制土壤長期溫度波動(dòng)在允許范圍內(nèi)。
3、水源熱泵
以地表或地下水源為熱源（或熱匯）的熱泵機(jī)組，稱為水源熱泵機(jī)組。水源熱泵的水源主要來自地下水、地表水、污水和廢水等。下圖是其原理示意圖。
同其他型式熱泵相比，水源熱泵機(jī)組水體的溫度相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)范圍小于空氣，可利用的水體溫度能在夏冬季提供相對(duì)較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度。因此水源熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠，也不存在空氣源熱泵的冬季除霜等問題。
取水構(gòu)筑物復(fù)雜，較適用于中大規(guī)模工程。大型水源熱泵機(jī)組供熱能力通常在1000~3000kW左右2，供大型熱泵站用的水源熱泵機(jī)組供熱能力可達(dá)到15MW、20MW、25MW、30MWV。
水源熱泵的應(yīng)用，應(yīng)先了解當(dāng)?shù)厮辞闆r，對(duì)水源狀況進(jìn)行充分調(diào)查，確定用水方案。若利用地下水，必須考慮回灌問題，且應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況考慮回灌方式?；毓嗬щy是目前大多數(shù)工程遇到的問題，地下水地源熱泵的應(yīng)用應(yīng)慎重。
三、熱泵制運(yùn)行能力與節(jié)能參數(shù)衡量
為衡量熱泵機(jī)組和系統(tǒng)的制熱/制冷能力、效率和節(jié)能效果，通常采用以下參數(shù)對(duì)熱泵機(jī)組和系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià):
(1）制熱量(Qh）
熱泵按制熱工況運(yùn)行時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)向熱用戶（熱匯）供給的熱量，即制熱工況熱泵機(jī)組中冷凝器所供給的熱量。制熱量用來度量熱泵機(jī)組的制熱能力的大小。
(2）制冷量(Qc)
熱泵按制冷工況運(yùn)行時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從被冷卻物體中提取的熱量，即制冷工況熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器所吸取的熱量。制冷量用來度量熱泵機(jī)組的制冷能力的大小。
(3）性能系數(shù)（COP)
定義為熱泵機(jī)組的制熱量（或制冷量）與其消耗功率之比，其值用W表示，無因次量。COP值是同運(yùn)行工況有關(guān)的量，在熱泵性能評(píng)價(jià)中，通常用其額定工況的COP值，其值反映了熱泵額定工況性能。
(4）制熱季節(jié)能效比（HSPF)
在制熱季節(jié)中，熱泵進(jìn)行制熱運(yùn)行時(shí)向室內(nèi)送入的熱量總和與消耗的高位能總和之比，其值用kWh/kWh表示，簡(jiǎn)稱HSPF。
(5）全年性能參數(shù)（APF)
由于熱泵一般是全年冬、夏兩季運(yùn)行（制熱和制冷工況），APF為考核其綜合性能，其定義為:以一年為計(jì)算周期，同一臺(tái)熱泵在制冷季節(jié)從室內(nèi)除去的熱量及制熱季節(jié)向室內(nèi)送入的熱量總和與同一期間內(nèi)消耗的高位能總和之比，其值用kWh/kWh表示，簡(jiǎn)稱APF。在熱泵性能評(píng)價(jià)中引入APF將會(huì)使用戶了解更接近實(shí)際使用狀態(tài)的熱泵能耗和年消耗電能的多少。
(6）能源利用系數(shù)（E)
定義為熱泵機(jī)組的制熱量（制冷量）與消耗的初級(jí)能源之比。通常用E來評(píng)價(jià)熱泵的節(jié)能效果。
本文來源于：熱泵助力碳中和白皮書
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