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一、热泵工作原理
作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温，用著名的热力学第二定律准确表述是：“热量不可能自发由低温传递到高温”。但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点。
热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸气压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成：
压缩机（Compressor）起着压缩和输送循环工质从低温处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；
蒸发器（Evaporator）是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；
冷凝器（Condenser）是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；
膨胀阀（Expansion Valve）或节流阀（Throttle Valve）对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。
根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。
根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。
二、热泵机组的分类
热泵机组是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中取热，此时从环境取热的对象成为热源；相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象成为冷源。
蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。这样热泵机组或制冷机根据与环境换热介质的不同，可分为水-水式、水-空气式、空气-水式和空气-空气式共四类。
利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，应用较广泛。但由于地区空气温度的差别，在我国典型应用范围是长江以南地区。在华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且因为存在结霜问题，效率低下。利用水作冷热源的热泵，称之为水源热泵。水是一种优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般水源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵，但由于受水源的限制，水源热泵的应用范围远不及空气源热泵。
地源热泵工作原理及分类
地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。（图1）
地源热泵供暖空调系统主要分为三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内空调末端系统。其中地源热泵机组主要有两种形式：水-水式或水-空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。(图2)
地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：（1）全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。（3）地源有较好的蓄能作用。
三、地源应用分类
地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是热泵很好的供热热源和供冷冷源。
根据ASHRAE Handbook: HAVC Applications.(1995) 的分类，地源热泵属于地热能资源（Geothermal Energy Sourse）利用的一个大类，地源热泵按照室外换热方式不同又可分为四类：1. 埋管式土壤源热泵系统；2. 地下水热泵系统；3. 单井换热热井；4. 地表水热泵系统。根据循环水是否为密闭系统，地源又可分为闭环和开环系统。(图3)
北欧及中欧部分国家倡导利用浅层地热以及地下蓄能为建筑物提供冬夏季供暖及空调，这些国家更为关注地下季节性蓄能应用，地源热泵又可以归类于季节性蓄能（Underground Thermal Energy Storage, UTES）应用领域，其中最重要的、占有绝大部分的一个应用分支是地下埋管式蓄能（DTES or BTES）与热泵机组（Heat Pump, HP）相结合的地下耦合热泵系统（Ground-couple heat pumps GCHPs, 埋管式土壤源热泵系统）。（图4）
四、地源热泵应用方式
地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类。
1. 家用系统
用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。
2. 商用系统(图5)
3. 从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。
1） 集中系统
热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。
2） 分散系统(图6)
用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。
3） 混合系统(图7)
4） 将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。
南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只适用地源。北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只适用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。
5） 水环路热泵空调系统
水环路热泵空调系统，它由许多台水源热泵空调机组成。这些机组由一个闭式的循环水管路连在一起，该水管路既作空调工况下冷源，又作供暖工况下热源热泵。水环路的冷热源可以是地源，或锅炉、冷却塔联合方式。夏季运行：全部或大多数机组为供冷，热流量水环路排至室外的冷源，如地源或冷却塔。
春季/秋季运行：对有内区和周边区的建筑物，会出现内区需要供冷而周边区需要供热，内区的热量就可被周边区所利用，即内区空调的排热与周边区热泵供热所需热流量接近平衡时，室外的冷热源可以停运。这种制冷供热同时进行，能量在建筑物内部转移，运行费用最少，节能效果明显。
冬季运行：全部或大多数机组为供热、供热源（地源或加热棒）把热量补充到水环路。