傳統熱水機組（器）的熱源是煤、燃氣、燃油或電力，也有用太陽能來產生熱水，但其熱源設備的熱效率都是小于1，只有熱泵熱水機組，其熱效率是大于1的數。熱泵熱水機組利用制冷工質循環過程的“泵”熱原理，完全可以做到“1+2=3”甚至“1+3=4”，即輸入1份能量，可得到3～4份熱量。熱泵熱水機組（水源或空氣源）是當前最為節能的、最為環保的制取熱水的設備，也是最為安全、可靠的、最為簡便的熱水設備。

熱泵循環的熱量平衡，用能量守恒定律的表達式為

Q0 ＋AL ＝QC

式中Q0--從低溫環境下吸取的熱量；

     AL－熱泵所做的機械功（以熱量來表示）；

     QC－向高溫環境中轉移的熱量，對于熱泵機組來說，就是“制熱量”。

熱泵的制熱系數          εh＝COPh＝QC/AL,

熱泵的制冷系數          ε0＝COPo＝Q0/AL

因為QC＝ Q0 ＋AL

所以，εh＝COPh＝QC/AL＝（Q0 ＋AL）/AL＝ε0 +1

由上可知，熱泵熱水機組的能效比COP是恒大于1的一個值。完全可以達到1＋2＝3或1＋3＝4的效果，見圖1所示。

圖1 熱泵熱水機組的節能原理

制冷，目的是要將低溫物體或空間的熱量移走，排放到常溫環境中去，維持低溫物體或空間一定的低溫，必須通過制冷機械消耗一定的能量；

熱泵供熱，目的是要將常溫環境中熱量取出來，送到高溫環境中去應用，同樣也必須通過熱泵機械消耗一部分能量。

制冷與熱泵，都是利用了熱力學第二定律的原理，通過消耗一小部分高品位能量（例如電能），將處于低溫環境下的熱量，轉移到高溫環境中去（這與水泵“泵”水的道理一樣）。從熱力學角度看，制冷和熱泵的循環方向和過程是相同的，都由壓縮，冷凝，節流，蒸發四大過程組成。而不同的是要求達到的目的不同，其高低的工作溫度域不同。

同一臺機組，可以通過四通閥的切換，或水路閥門組的切換（對于水源熱泵）使冷凝器和蒸發器的功能互換，在同一個蒸發器中得到冷、熱水或冷、熱風。圖2可清楚表明制冷與熱泵的相同與不同。 

圖2 制冷循環和熱泵循環的相同與不同

3.1.1 由于應用熱泵的目的是制取高于環境溫度的熱水（55℃～60℃或更高），所以期望熱泵熱水機組的冷凝溫度要高（高于所要求的熱水溫度）；但冷凝壓力要低，排氣溫度要低。

3.1.2 由于生活熱水全年365天都要供應，而且全年熱水溫度必須高于某一定值（例如50℃以上），但全年機組周圍的空氣溫度或者水源溫度卻隨著季節而變化，機組的工況變化（蒸發壓力和溫度）大，機組適應不同工況的能力要大。由于必須全年使用，而一天之內機組開停次數頻繁，因而機組要可靠、使用的壽命要長。

3.1.3 目前除CO2外，我國還沒有找到完全能適用于熱水機組運行工況不斷變化的、排氣溫度低、冷凝壓力低、冷凝溫度高的單一熱泵工質以及相應的壓縮機。

3.1.4 由于熱泵循環的熱力學原理決定，空氣源熱泵在低氣溫環境下，機組的制熱功率會大大下降，而此時，恰恰是用熱負荷最大的時候，如何提高機組在低氣溫下的制熱功率和系統設計時，如何彌補所缺損的熱負荷，是設計選用難點之一。

3.1.5 對于空氣源熱泵在夏熱冬冷、高濕低氣溫條件下蒸發器會結霜和如何快速有效除霜，也是使用中難點之一。

3.2.1 熱泵工質是熱泵熱水機組中“充滿活力”的工作流體，在蒸氣壓縮式熱泵中，熱泵工質在系統各部件間循環流動來實現能量轉換與傳遞，以達到熱泵從低溫熱源吸熱、向高溫熱源放熱的目的。對于熱泵工質，特別強調在熱泵的工作溫度（在常溫環境與高溫環境之間）范圍內，應具有適宜的飽和蒸發壓力，即蒸發壓力不宜低于大氣壓，以免外部空氣滲入制冷機；冷凝壓力不宜過高（但冷凝溫度要高），減小壓縮比，以便容易選擇合適的壓縮機，提高制熱溫度。

3.2.2 對于空氣源熱泵熱水機組的壓縮機，也應該適應環境氣溫變化大的情況（例如一般要求氣溫在-10℃～+40℃ 時，熱泵仍能正常工作），要求單級壓縮容許的壓縮比大，壓縮比的容許變化值大，高壓保護的容許壓力要高。否則要用雙級壓縮機或中間加氣的準雙級壓縮機。

3.2.3 目前熱泵熱水機組極大多數采用電動機驅動的蒸氣壓縮式熱泵循環，其壓縮機是熱泵工質在熱泵各部件之間循環流動的“心臟”。由于各自工作的溫度范圍不同，單純的制冷壓縮機和單純制熱的熱泵壓縮機是各有其特點的。嚴格來說，熱泵用壓縮機必須根據其運行工況和使用條件作專門的設計，以保證其應用場合下的經濟性和可靠性。但目前的狀況是，對于空調用熱泵而言，常常是供熱和制冷交替使用（例如空調用風冷熱泵冷熱水機組），或者要求同時一邊制冷，一邊供熱（例如空調用全熱回收或部分熱回收的冷熱水機組），無論制冷或熱泵循環都用同一臺壓縮機，當然，如果熱泵的工作條件不超過制冷用壓縮機的工作條件，直接采用一般的制冷壓縮機也是可以的。一般空調熱泵機組用的熱泵壓縮機也是對已經成批生產使用的制冷用壓縮機在原有的結構工藝基礎上加以改進而成。目前還沒有專門為適應熱水機組的工況所設計的壓縮機，許多廠商直接用成批生產的制冷壓縮機來代替熱泵熱水機組中所需的壓縮機，由于使用工況的不匹配，常常會產生問題，不是水溫上不去，就是高壓保護而停機。限于所使用的熱泵工質和直接套用制冷壓縮機，因而目前熱泵熱水機組的出水溫度超不過60℃。

3.2.4 嚴格來說，熱泵用壓縮機應滿足以下的要求：

① 對于空氣源熱泵的壓縮機，單機至少要能在蒸發溫度-15℃～+15℃ （雙級壓縮可達 -35℃ ），冷凝溫度≤ 65℃ 下正常工作。在很低的環境溫度下，熱泵機組的工作實際上相當于一低溫制冷系統，而目前熱泵熱水機組中常用的工質為R22，其結果是壓縮機的壓比高，排氣溫度高，吸氣密度小，工質循環的質量流量下降，因而制熱量也大大下降。這種情況也會引起全封閉壓縮機的內置電動機和壓縮機過熱，破壞潤滑油的潤滑作用。

② 對于具有四通閥換向、采用熱氟利昂氣體除霜的機組，由于除霜過程開始和結束時，系統要反向運行，原冷凝一方盤管中所積聚的液態工質會由于其中壓力突然降低為吸氣壓力而大量進入壓縮機氣缸，產生“沖缸”；此外，熱泵熱水機組要在冬夏全年一個十分寬廣的環境溫度下工作，這必然會在某些環境溫度下，循環管路中出現過多的工質，或在高壓側，或在低壓側，為此，必須要將此多余的工質貯存在適當的容器中，以防不受控制地進入壓縮機。因此，在壓縮機的吸入管和四通換向閥之間必須裝設一設計良好的氣液分離器。

③ 空氣源熱泵熱水機組會在冬季低氣溫下長期工作，為防止壓縮機臨時停機，系統內工質“遷移”到壓縮機氣缸內，一旦再開車時，曲軸箱因壓力突然下降，工質與潤滑油的混合物沸騰發泡，引發壓縮機氣缸的液擊和曲軸箱的失油，以及潤滑油中工質過多，油的潤滑性能破壞而引起軸承燒壞，因此，熱泵用壓縮機的曲軸箱或機殼中應裝設適當功率的潤滑油電加熱器，要求壓縮機開車前必須對潤滑油進行充分長時間的加溫；即使運行中壓縮機短期停車，其間加熱器也應通電加熱。

④ 熱泵熱水機組全年運行的時間要比空調用熱泵的長，幾乎365天、春夏秋冬全氣候運行，工況變化范圍大，因而無論其壓縮機和其他部件的使用壽命要更長、更可靠。

⑤ 封閉式壓縮機中其內置電動機由吸氣冷卻而帶走的熱量可轉移到冷凝器中變為熱泵的制熱量，另外吸入的濕蒸氣會被電動機加熱而氣化，有利于避免氣缸進液。基于這些特點，它比較適用于熱泵熱水機組中。對于中小型機組可用單臺封閉式壓縮機，對于大型機組則可以采用多臺封閉式壓縮機并聯工作或用模塊化的結構形式。

3.3.1 一般制冷壓縮機的運行界限見圖3，它是指采用目前一般常用制冷劑的壓縮機的正常工作范圍。圖中1-2-3-4-5-6-1所包圍的區域為可正常工作的區域，不同的線段反映了從不同方面對壓縮機工作范圍的限制。如:1-2為最低蒸發溫度的限制，最低為-40℃；2-3為最高排氣溫度的限制，最高排氣溫度為150℃；3-4為最大壓力差的限制，2MPa；4-5為最高冷凝溫度的限制，最高為60℃；5-6為最高蒸發溫度的限制，最高為10℃。

圖中也表示，制冷壓縮機最高排氣壓力為2.5MPa；最低的蒸發（吸氣）壓力0.105MPa；最高的蒸發（吸氣）壓力為0.7MPa。

不同廠商，對于不同工質的、不同類型的壓縮機，會在它們的樣本資料中推薦正常的運行界限，下面列舉幾種壓縮機的正常運行范圍。 

圖3   制冷壓縮機工作界限

 3.3.2 對于用R22、R134a、R407c的全封閉活塞式制冷壓縮機的正常運行界限見圖4。不同的線段反映了從不同方面對壓縮機工作范圍的限制，如:R22壓縮機最低蒸發溫度為-25℃，最高蒸發溫度15℃；最高冷凝溫度為68℃。制取熱水的最佳蒸發溫度為-3℃以上至15℃。圖中看到，R22的壓縮機可以制取中溫的熱水，而R134a壓縮機的最佳蒸發溫度為15℃以上，但可制取的熱水溫度比R22的壓縮機高。

3.3.3 對于用R22、R134a、R407c的全封閉渦旋式制冷壓縮機的正常運行界限見圖5。運行界限描述了渦旋式壓縮機穩定運行的范圍：

1）最低蒸發溫度 -20℃ （R 134a ：-15℃）

2）最高蒸發溫度+15℃

3）最高冷凝溫度+68℃

4）排氣溫度取決于蒸發溫度、冷凝溫度和吸氣過熱度，該渦旋壓縮機的最高排氣溫度為+135℃ 。

圖中，實線是吸氣過熱度不超過11.1K的機組冷凝溫度界線；虛線是吸氣過熱度為30K的機組冷凝溫度界線。

從圖中看，采用R134a的渦旋式壓縮機，其最佳的蒸發溫度的范圍廣，可制取的熱水溫度高于R22的壓縮機。

3.3.4 對于用R22、R134a、R407c的半封閉螺桿式制冷壓縮機的正常運行界限見圖6。對于螺桿式壓縮機而言，可以采用帶經濟器中間加氣的方法或外冷卻的方式，來擴大正常運行范圍，因此可以用于大中型的熱泵熱水機組。

就目前我國熱泵所采用的工質及其壓縮機而言，熱泵熱水機組的最高熱水溫度為60℃左右，如采用CO₂的壓縮機，可達95℃。

不同制冷劑，同為58℃冷凝溫度時，其冷凝壓力高低也不一樣，可見表1。我們期望用冷凝溫度高而冷凝壓力低的制冷劑的壓縮機。

表1

	R22	R134a	R410A
冷凝溫度 ℃	58
冷凝壓力 MPa	2.324	1.6036	3.7

選擇合適的工質和相應的壓縮機；必要時，采用雙級壓縮或經濟器中間加氣的準雙級壓縮。要求：

提高蒸發器的吸熱效果，除翅片式風側換熱器本身的幾何尺寸合理外，改進排風機的效果也十分重要。提高冷凝器的排熱效果，選用合適的換熱器（套管式，板式，殼管式等）。

改進機組的除霜效果。

1）采用變頻壓縮機或中間加氣的準雙級壓縮流程，在低溫工況時，采用雙級壓縮流程。

采用低壓高冷凝溫度的熱泵工質，例如R134a比R22可制取的熱水溫度高，當然，采用二氧化碳為熱泵工質，可以制取95℃的高溫熱水。

3）對于氟利昂工質采用過冷的措施。

4）改進機組的冬季除霜方式，縮短每次的除霜時間和加大兩次除霜的時間間隔。

圖4 全封閉活塞式壓縮機運行范圍 

圖5 全封閉渦旋式壓縮機運行范圍 

圖6 半封閉螺桿式壓縮機運行范圍

空氣源熱泵熱水機組冬季在氣溫低（5℃～-5℃）而相對濕度高（大于50%）的地區（例如長江中下游地區）運行時，其空氣側換熱器翅片管表面容易結霜。當翅片管表面溫度低于通過的濕空氣的露點溫度時，翅片管表面就會凝露；翅片管表面溫度低于零度時，翅片管表面就會結霜。由于霜層的形成和增長，減少了空氣的流通面積，空氣流動受阻，流量下降；而結霜層又在空氣與翅片管產生了隔熱層，使傳熱惡化，從而使整個機組的制熱量下降，甚至不制熱。因而，空氣源熱泵熱水機組必然會進行周期性除霜。除霜的方式有熱氣循環（即將系統按制冷模式運行，利用四通閥使壓縮機出口的熱氟氣體流入空氣側換熱器，融化結霜層）、電熱除霜（在空氣側換熱器翅片管上安設電熱元件）或者用熱氣旁通的辦法。正確判斷是否需要除霜和盡量減少除霜時間和拉長兩次除霜的周期，并減少誤操作，是除霜措施改進的努力方向，當然改進翅片管的幾何尺寸、翅片間距、翅片上開孔、在翅片上涂憎水膜等以便使凝結水迅速流走和減少結霜的幾率，以及采用可調速的風機等也是除霜的重要研究課題。目前除霜的控制方法大致可歸納以下兩種：

4.3.1 溫度（或壓力）-時間控制法

這是目前最為常用的除霜控制法。設定一個蒸發溫度（壓力）或蒸發翅片管溫度值t1以及同上次除霜的時間間隔值a，當傳感器感受的溫度（壓力）及機組制熱工作時間均達到設定值時，開始進行除霜循環。當傳感器溫度（壓力）達到規定值t2或除霜執行時間達到規定值b，除霜結束，恢復制熱。

4.3.2 用溫差-時間控制啟動除霜，而用溫度（或壓力）-時間控制除霜結束。

制熱工況時，翅片管內的工質和外部空氣之間總是保持適當的溫差，當翅片管表面結霜以后，使進風溫度和盤管表面的溫差增大。當該溫差達到設定值且距上次的除霜時間間隔a也達到設定值，機組即進入除霜模式。而當傳感器溫度（壓力）達到規定值t2或除霜執行時間達到規定值b，除霜結束，恢復制熱。

除霜的方法很多，而研究的課題是如何正確判斷是否要進入除霜循環，以盡量減少不必要的除霜，盡量縮短除霜時間b和加長兩次除霜的時間間隔a。

4.3.3 其他的除霜控制方法有：

1）空氣壓差控制除霜法（測進出蒸發器的風的壓差）；

2）霜層傳感器控制除霜法（測結霜層的厚度）；

3）聲音振蕩器控制除霜法；

4）最大平均供熱量控制除霜法；

5）最佳除霜時間控制除霜法；

8）自適應模糊控制除霜法等。

4.4.1 輸入功率隨環境溫度的變化，見圖7。 

圖7 空氣源熱泵熱水機組的輸入功率特性 

4.4.2 制熱量隨環境溫度的變化，見圖8。