热泵

热泵是一种利用外部能量输入，将热从温度较低的热源传递到温度较高的受热端的装置。最常见的系统由电驱动，也有一些系统主要由热能驱动。热泵用于建筑供暖、热水制备和工业过程；可逆系统还可以提供制冷。冰箱和空调的工作原理与热泵相同，但它们的有效输出是移走热量，而不是提供热量。(energy.gov)

热力学原理

热会自发地从温度较高的物体流向温度较低的物体。热泵通过消耗外部输入的能量，使热的净传递方向逆转，这符合热力学第二定律。热泵运行时并不创造能量：它提供的热量由从热源提取的能量和驱动装置所输入的能量共同组成。(openstax.org)

对于以功驱动、循环运行的理想化系统，根据热力学第一定律，有

其中，$Q_H$ 是传递给高温热库的热量，$Q_L$ 是从低温热库提取的热量，$W$ 是外界输入的净功（物理学）。这些量均取正值，并在同一运行时段内计量。因此，输出的热量可以大于输入的功，而不违反能量守恒。(openstax.org)

热源不一定要让人感觉温暖。热泵可以从低于冰点的室外空气中提取能量，因为它能使工作流体的温度降到比室外空气更低。实际限制来自温差、可实现的传热速率和设备特性，而不只是热源温度高于还是低于水的冰点。(openstax.org)

蒸气压缩式热泵的运行

最主要的电驱动热泵采用蒸气压缩循环。循环流动的制冷剂依次经过四个主要部件：

1. 蒸发器。 在低压强下，制冷剂从热源吸热并蒸发。
2. 压缩机。 通过机械功压缩蒸气，提高其压强和温度。
3. 冷凝器。 高温制冷剂向受热端传递热量，通常会冷凝成液体。
4. 膨胀装置。 阀门或其他节流部件降低制冷剂的压强，形成温度更低的流体混合物，随后返回蒸发器。

蒸发器和冷凝器都是换热器。蒸发和冷凝利用了相变所涉及的能量，包括潜热。(nist.gov)

在可逆的建筑热泵系统中，换向阀改变制冷剂的流向，使室内和室外换热器互换功能。室内盘管在供暖模式下放热，在制冷模式下吸热；系统换向并不意味着压缩机的机械旋转方向发生逆转。(betterbuildingssolutioncenter.energy.gov)

性能与理论极限

衡量供暖性能的主要指标是**性能系数**，简称 COP：

供暖 COP 为 4，意味着每输入一个单位的功，就能提供四个单位的热量。COP 不同于热机的转换效率：其分子包含了从外部热源收集的热量。因此，数值大于 1 完全符合物理规律。(openstax.org)

对于在恒温热库之间运行的完全可逆热泵，卡诺循环给出了性能的上限：

温度必须以开尔文表示。这个关系说明了为什么温差越小，性能越好；这一温差通常称为温升。由于不可逆过程以及换热所需的有限温差，实际设备的性能低于这一极限。(openstax.org)

单一 COP 值反映的是特定运行条件下的性能，不一定代表全年表现。季节性评估会考虑天气和供暖负荷的变化，而标准化评级则规定特定的测试条件。在美国，HSPF2 表示季节性供暖性能，SEER2 表示季节性制冷性能；两者的单位均为英制热量单位每瓦时，而不像 COP 那样是无量纲量。因此，若不考虑单位和测试定义，就不能将这些指标的数值与 COP 直接比较。(energy.gov)

主要类型

热泵可以按热源、供热介质、驱动能源或设备布置方式分类。这些分类相互交叉：例如，空气源系统既可以提供暖风，也可以提供热水。(energy.gov)

空气源热泵与室外空气进行热交换。空气—空气系统通过风管或独立室内机输送经过温度调节的空气，其中包括无风管的小型分体式系统。空气—水系统通过水循环回路输送热量，可用于散热器、地板采暖或热水储存。这类热泵的性能对室外温度尤其敏感，因为室外温度既影响热源温度，也影响建筑的供暖需求。(energy.gov)

地源热泵也常称为地热热泵，通过埋设的管道与浅层地下进行热交换。集热管道可铺设在水平沟槽或垂直钻孔中。地下温度的变化通常比室外空气缓慢，因此冬季可提供相对稳定的热源，夏季则可提供相对稳定的散热环境。这类系统利用地下储存热量，并不需要高温地热资源。挖掘或钻孔通常使其安装成本高于同等规模的空气源系统。(energy.gov)

水源热泵以水作为热源或散热介质。可利用的水源包括地表水、地下水、废水和共用水循环回路。较大型的系统可以回收工厂或数据中心中原本未被利用的热量。(iea.org)

吸收式热泵通过输入热能驱动另一种循环，而不是主要依靠机械驱动的蒸气压缩机。其驱动热量可以来自燃料燃烧、蒸汽、太阳能加热的水或地热加热的水。这类系统仍需要辅助设备，但用电需求可以相对较小。(energy.gov)

混合系统将热泵与其他供暖设备结合使用，例如燃气暖风炉。供暖任务如何分配，取决于设备能力和运行条件。由于这些系统消耗不止一种能源载体，仅凭热泵的 COP 无法完整描述其性能。(energy.gov)

应用

在建筑中，热泵用于室内供暖；配置为可逆运行时，也可用于制冷。热量可通过风管、室内风机机组、散热器或地板采暖回路输送。储水箱可以支持生活热水制备，并提高水系统运行的灵活性。(iea.org)

热泵热水器将周围空气中的热量传递给储存的水。许多型号配有电阻加热元件，用于应对高需求或不适合热泵运行的条件。由于设备从周围环境提取能量，其安装环境也是整个热系统的一部分：必须保证充足的空气供应，并使环境温度处于适宜范围内。(bsesc.energy.gov)

工业热泵回收低温热量，将其提升到可用于工艺加热的温度。其输出可以是热空气、热水或蒸汽。大型热泵也可为区域供热管网供热，由集中设施向多栋建筑输送热量。工业余热、废水和数据中心的热量都可以作为这些应用的热源。(iea.org)

历史发展

热泵概念与机械制冷及热力学一同发展。1852 年 12 月，威廉·汤姆森，即后来的开尔文勋爵，提出利用以空气为工质的热力学系统为建筑供暖或制冷的方案。人们逐渐认识到，制冷机与供暖设备的区别，在于同一传热过程中究竟哪一侧提供所需的服务。(calteches.library.caltech.edu)

到 20 世纪中叶，商用设备已经能够从空气、水或地下获取热量，为建筑提供全年温度调节。加州理工学院《工程与科学》杂志 1948 年的一篇文章介绍了当时已经运行的装置，并讨论了一些至今仍然重要的挑战：结霜、热源温度变化、安装成本，以及系统布局和空气分配的重要性。(calteches.library.caltech.edu)

此后的发展包括变速压缩机和风机、更精细的控制技术，以及适用于更寒冷气候的设备。这些进步使系统能够更好地适应不断变化的负荷，并扩大空气源热泵为建筑供暖的适用条件范围。(energy.gov)

限制与环境影响

寒冷天气下的运行面临两个不同的挑战：保持足够的供暖能力，以及保持良好的能源性能。为寒冷气候设计的设备可以在冰点以下运行，但具体能力随型号和运行温度而异。变速运行和辅助供暖可以应对需求变化，不过辅助能源的使用会影响整个系统的性能。(energy.gov)

当室外蒸发器表面足够冷、空气中又有足够水分时，其表面可能积霜。霜会妨碍气流和热交换。许多空气源系统会定期反向运行，加热室外盘管并融化结冰；这一除霜过程会暂时中断正常供暖，并消耗能量。(betterbuildingssolutioncenter.energy.gov)

从经济角度看，热力学性能高并不保证总成本最低。安装费用、电价和燃料价格、必要的热量分配系统改造，以及熟练技术人员的可获得性，都会影响热泵的推广应用。实际条件方面的限制包括空间、噪声，以及现有建筑系统是否适用。(iea.org)

电驱动热泵通过替代化石燃料供暖，可以减少温室气体排放，尤其是在使用低排放电力时。评估其环境影响还必须考虑发电产生的排放和制冷剂泄漏。供暖大规模电气化可能增加电网的冬季负荷，因此电网规划和需求管理也是热泵推广应用的一部分。(iea.org)

选择制冷剂需要在热力学性质、环境影响和安全性之间权衡。一些含氟制冷剂一旦释放，就具有很高的全球变暖潜势。环境影响较小的替代品则各有不同限制：丙烷易燃，氨有毒，二氧化碳系统的运行压强较高。因此，制冷剂的选择会影响循环、部件设计、运行范围和安全措施，而不只是将一种流体换成另一种。(nist.gov)

参考来源

1. 5 Applications of Thermodynamics: Heat Pumps and Refrigerators — College Physics 2eopenstax.org
2. Refrigerants and Working Fluidsnist.gov
3. The Heat Pump: What It Is, What It Does, and What It May Do Somedaycalteches.library.caltech.edu
4. Purchasing Energy-Efficient Residential Air-Source Heat Pumpsenergy.gov
5. Heat Pump Equipment Key Product Criteriaenergystar.gov
6. Geothermal Heat Pumpsenergy.gov
7. How a Heat Pump Works — The Future of Heat Pumpsiea.org
8. HVAC Heat Pump Water Heatersbsesc.energy.gov
9. Overview of Key Barriers to Accelerating the Deployment of Heat Pumps and Corresponding Policy Solutionsiea.org