热泵系统分类与工作原理详解：空气源、水源、土壤源及太阳能热泵

目前工程界对热泵系统的称呼尚未形成规范统一的术语，热泵的分类方法也各不相同。例如有的国外文献把热泵按低温热源所处的几何空间分为大气源热泵(AirSourceHeatPump，ASHP)和地源热泵(Ground Source Heat Pump，GSHP)两大类。地源热泵又进一步分为地表水热泵(Surface Water Heat Pump,SWHP)、地下水热泵(Ground Water Heat Pump，GWHP)和地下耦合热泵(Ground Coupled Heat Pump，GCHP)。国内文献则把地源热泵系统分为三类，分别称为地表水地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。如果按工作原理对热泵分类可以分为机械压缩式热泵、吸收式热泵、热电式热泵和化学热泵。如果按驱动能源的种类对热泵分类又可以分为电动热泵、燃气热泵和蒸气热泵。由此看来，分类方法不相同对热泵的称呼会有差异。

在暖通空调专业范畴内，当对热泵机组分类时常按热泵机组换热器所接触的载热介质分类当对热泵系统分类时常按低位热源分类。

一、按热泵机组换热器所接触的载热介质分类

1.空气-空气热泵

图1所示是空气-空气热泵简图。这种单元式热泵被极广泛地用于住宅和商业建筑中。在这种热泵中，流经室外、室内换热器的介质均为空气，可通过电动或手动操作的四通换向阀来进行换热器功能的切换，以使房间获得热量或冷量。在制热循环时，室外空气流过蒸发器而室内空气流过冷凝器;在制冷循环时，室外空气流过冷凝器而室内空气流过蒸发器。

图 1 空气-空气热泵简图

2.空气-水热泵

图2所示是空气-水热泵简图。这是热泵型冷水机组的常见形式，制热与制冷功能的切换是通过换向阀改变热泵工质的流向来实现的。与空气-空气热泵的区别在于有一个换热器是工质-水换热器。冬季按制热循环运行时，工质-水换热器是冷凝器为空调系统提供热水作为热源。夏季按制冷循环运行时，工质-水换热器是蒸发器为空调系统提供冷水作为冷源。

图 2 空气-水热泵简图

3.水-空气热泵

图3所示是水-空气热泵简图。这类热泵流经室内换热器的介质为空气，流经另一个换热器的介质为水。

图3 水-空气热泵简图

根据水的来源有以下几种情况:

1)地下水。如井水、泉水、来自大地耦合式换热器的水。

2)地表水。如湖水、池水、河水、海水。

3)内部热水。如现代建筑中空调水环回路产生的内部热水、卫生或洗衣废热水。

4)太阳能热水。如太阳能集热器的热水。

4.水-水热泵图4所示是水-水热泵简图。这种热泵采用的换热器均是工质-水换热器。制热或制冷运行方式的切换可用换向阀改变热泵机组的工质回路来实现，也可以通过改变进出热泵机组蒸发器和冷凝器的水回路来完成。

图 4 水-水热泵简图

5.土壤-水热泵

图5所示是土壤-水热泵简图。这种热泵采用了一个埋于地下的盘管换热器和一个工质-水换热器。制热或制冷运行方式的切换可用换向阀改变热泵机组的工质回路来实现。

图 5 土壤-水热泵简图

6.土壤-空气热泵

图6所示是土壤-空气热泵简图。这种热泵与土壤-水热泵的区别在于室内的换热器是工质-空气换热器。制热或制冷运行的切换可用换向阀改变热泵机组工质回路来实现。

图 6 土壤-空气热泵简图

二、按低位热源分类

1.空气源热泵系统

当把空气-空气热泵机组或者空气-水热泵机组应用于空调系统中时，就形成了空气源热泵系统。习惯上常见的“空气源热泵”一词可以理解为空气源热泵系统的简称。图7所示为空气源热泵系统简图，工程中一般是把空气-水热泵机组置于建筑物楼顶。冬季工况热泵机组提供45~55℃的热水，夏季工况热泵机组提供7℃的冷冻水。

图 7 空气源热泵系统简图

1-压缩机 2-工质-水换热器 3-节流装置 4-工质-空气换热器

5-风机 6-换向阀7-水泵 8-风机盘管

2.水源热泵系统

图8所示为用湖水或海水作热源的全年热泵空调系统。冬天制热运行时，阀门2、3、7、6关闭，阀门1、4、5、8开启。水泵将湖水或海水压送到蒸发器，被吸取热量的湖水或海水经阀门8排回低温热源;从空调用户来的循环水在冷凝器中被加热到45~50℃，再经阀门5送到空调用户中。夏季制冷运行时，阀门1、4、5、8关闭，阀门2、3、7、6开启。湖水或海水成为机组的排热源，空调用户来的循环水在蒸发器内被制取7℃左右的冷水供空调用户使用。

图 8 水源热泵系统简图

用一个循环水环路将多台小型水-空气热泵机组并联在一起的水源热泵系统如图9所示，也称为水环热泵空调系统。水环热泵空调系统是一个以回收建筑物内部余热为主要特点的热泵供暖、供冷空调系统，常用于内区房间需要供冷而外区房间需要供热的大型建筑物中。在循环水环路中还配有一台空气-水热泵机组，以保持水环路中的循环水温在一定范围以内。当水环路中水的温度由于水-空气热泵机组的放热(制冷运行时)较多使其温度超过一定值时，这台空气-水热泵机组制冷运行可将水环路中热量排放出去;当环路中水的温度由于水-空气热泵机组的吸热(制热运行时)较多而使其温度低于一定值时这台空气-水热泵机组制热运行可对循环水进行加热。

图 9 水环热泵空调系统简图

3.土壤源热泵系统

土壤源热泵系统主要由三部分组成:室外地热能交换器、水-空气热泵机组或水-水热泵机组、建筑物内空调末端设备。一般情况下室外地热能交换器采用土壤-水地埋管换热器，所以土壤源热泵系统也称地耦合地源热泵系统。图10所示为采用水-空气热泵机组的土壤源热泵系统简图。在冬季，水-空气热泵机组制热运行。水或防冻水溶液通过地埋管换热器1从土壤中吸收热量后，在循环水泵2的作用下流经水-空气热泵机组的蒸发器(冷热源侧换热器3)，并将热量传递给热泵机组的工质。在冷凝器(负荷侧换热器7)中，从土壤源吸收的热量连同压缩机4消耗的功所转化的热量一起供给室内空气。在夏季，换向阀5换向，水-空气热泵机组制冷运行，水源热泵机组中的工质在蒸发器(负荷侧换热器7)中，吸收来自空调房间的热量。在冷凝器(冷热源侧换热器3)中，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机4消耗的功所转化的热量一起排给地埋管换热器中的水或防冻水溶液。水或防冻水溶液再通过地埋管换热器1向土壤排放热量。部件6是节流阀。

图10 土壤源热泵系统简图

4.太阳能热泵系统

根据太阳能集热器与热泵的组合形式，太阳能热泵系统可分为直膨式太阳能热泵(Direct-expansion Solar Assisted Heat Pump，DX-SAHP)和非直膨式太阳能热泵(Indirect -expansion SolarAssisted Heat Pump，IX-SAHP)两种系统。在直膨式太阳能热泵系统中，太阳能集热器与热泵蒸发器合二为一，即制冷工质直接在集热器中吸收太阳辐射能而得到蒸发，如图11所示。

图11 直膨式太阳能热泵系统

图12所示为非直膨式太阳能热泵系统。非直膨式太阳能热泵系统的太阳能集热器与热泵机组的蒸发器分立，通过集热介质(一般采用水、防冻溶液等)在集热器中吸收太阳辐射能并在蒸发器中将热量传递给水-水热泵机组。

图12 非直膨式太阳能热泵系统