热泵式空调的基本工作原理

1、热泵式空调的基本工作原理在我国，家家用空调调和中央央空调本本是两个个独立的的概念。家家用空调调一般是是指窗式式机、分分体壁挂挂式和柜柜机等用用于家庭庭单个空空间的空空调机组组；而中中央空调调则是指指具有集集中的冷冷热源源和冷热媒的的空调系系统，主主要应用用于宾馆馆、写字字楼等，能能够为较较多的独独立划分分的空间间提供冷冷量和热热量的空空调系统统。 随着经经济的发发展，我我国的人人居面积积有较大大幅度的的增长，人人们对于于室内空空气品质质的要求求也越来来越高：一个多多居室的的家庭往往往需要要安装多多台家用用空调，才才能满足足不同空空间的温温度要求求。据20000年对上上海市某某一居民民区的调调查

2、发现现，平均均每户拥拥有家用用空调近近2台，有有的家庭庭甚至达达到了7台。 一个个家庭安安装数台台家用空空调有许许多弊端端：1.整机能能效比低低，一般般为2.73.1，具体体表现为为家庭耗耗电量大大，城市市电网峰峰值剧增增；2.难以保保证室内内良好的的温度场场和气流流场，影影响室内内环境的的品质和和舒适性性；3.由于无无新风且且单机过过滤不完完全，导导致室内内空气质质量变差差；4.大量安安装的室室外机不不但破坏坏大楼的的外观的的美感，更更成为安安全隐患患等等。 中央空调几乎不存在上述问题：由于冷源集中，中央空调的能效比一般在45；多风口的送风和回风可以保证室内有良好的气流场和温度场；由于远离制

3、冷机房，所以噪音污染得到有效的抑止；可以加入新风并通过及时更换过滤器，保证室内空气质量；一般安装在专用的机房，不会破坏大楼的美观，更不会造成安全隐患。鉴于上述原因家用空调中央化的方案引起了业界的关注，陆续提出了“户式中央空调”或“小型家用中央空调”等概念。 按照家用中央空调的输送介质的不同，常见的有三种型式：风管式系统、冷热水机组和vRv(变制冷剂流量)系统。 VRV家用中央空调是一种冷剂式空调系统，它以制冷剂(比如R22)为传送介质。vRv系统与普通的家用空调比较相近，是对普通家用空调的一种多用户的扩展，即：一台室外机通过管路能够向若干个室内机输送液态制冷剂，通过控制压缩机的制冷剂循环量和进

4、入室内各换热器的制冷剂流量，适时地满足室内冷、热负荷要求。 风管式系统和冷热水机组分别是中央空调的全空气系统和风机盘管系统的小型化，其原理基本相同。本文主要以冷热水机组为例阐述家用中央空调的基本原理普通家用空空调的基基本工作作原理图1是普通通热泵型型家用空空调器的的原理图图。它主主要包含含：室内内换热器器、室外外换热器器、压缩缩机、毛毛细管、气气液分离离器和四四通阀等等部件当热泵型空空调器运运行于制制冷工况况时，四四通阀换换向使图图中实线线接通。这这时，室室内换热热器成为为蒸发器器，而室室外换热热器成为为冷凝器器。从室室内换热热器来的的低温低低压过热热气经四四通阀和和消声器器进入气气液分离离器

5、分分离出液液体后，干干过热气气被压缩缩机吸入入压缩成成为高温温高压的的气体徘徘出，气气体经四四通阀进进入室外外换热器器放热冷冷凝，成成为过冷冷液。过过冷液经经毛细管管阻力降降压后成成为低温温低压两两相流体体，进入入室内换换热器蒸蒸发吸热热(此时室室内空气气被降温温)，再一一次经四四通阀和和气液分分离器进进入下一一循环：图中过过滤器主主要用于于制冷剂剂与压缩缩机油的的分离，以以保证换换热器的的换热效效率。 当热热泵型空空调机运运行于制制热工况况时，四四通阀换换向使图图中虚线线接通。这这时、室室内换热热器成为为冷凝器器，室外外换热器器成为蒸蒸发器。从从室外换换热器来来的低温温低压过过热气经经四通阀

6、阀和消声声器进入入气液分分离器，分分离出液液体后，干干过热气气被压缩缩机吸入入压缩成成为高温温高压的的气体徘徘出，气气体经四四通阀进进入室内内换热器器放热冷冷凝(此时，室室内空气气被加热热)成为为过冷液液，过冷冷液经毛毛细管阻阻力降压压后成为为低温低低压两相相流体进入室室外换热热器蒸发发吸热，随随后过热热气经四四通阀和和气液分分离器进进入下一一循环。 为防止制热时因除霜导致室内舒适性下降，采用了热气旁通不间断制热除霜方式。除霜时，运行原理基本与制热相同，只是将融霜电磁阀打开。从压缩机出来的高温高压的过热气有一部分被分流到室外换热器的人口，迅速把室外换热器的温度提高到O以上，融掉室外换热器上的霜

7、层，使换热器保持良好的换热效率冷热水机机组形式式家用中中央空调调的工作作原理图2为冷热水机机组形式式的家用用中央空空调原理理图。 冷热水机机组形式式的家用用中央空空调(以下简简称：冷冷热水水机组)的制冷冷剂循环环与普通通家用空空调完全全相同，即即：制冷冷时机组组的风冷冷换热器器为冷凝凝器，机机组的水水冷换热热器为蒸蒸发器；制冷剂剂经压缩缩机压缩缩成为高高温高压压过热气气体，在在风冷换换热器中中冷凝放放热，成成为过冷冷液，再再经节流流装置阻阻力降压压后成为为低压低低温两相相流体进进入水冷冷换热器器蒸发吸吸热(此时载载冷剂被被冷却)，最后后再回到到压缩机机进入下下一循环环。制热热时机组组的风冷冷换

8、热器器为蒸发发器，机机组的水水冷换热热器为冷冷凝器；制冷剂剂经压缩缩机压缩缩成为高高温高压压过热气气体，在在水冷换换热器中中冷凝放放热(此时载载冷剂被被加热)，成为为过冷液液，再经经节流装装置阻力力降压后后成为低低压低温温两相流流体进入入风冷换换热器蒸蒸发吸热热，最后后再回到到压缩机机进入下下一循环环。 冷热水机机组的制制冷剂循循环与普普通家用用空调和和VRV形式的的家用中中央空调调的不同同在于：冷热热水机组组并没有有直接将将制冷剂剂作为输输送介质质送到用用户的换换热器中中，而是是通过水水冷换热热器将制制冷剂的的冷热热量传给给专门的的输送介介质载冷剂剂送到用用户端。这这种载冷冷剂通常常为水冷热

9、水机机组的载载冷剂循循环为：从各用用户换热热器返回回的高低温(供冷时时为高温温，供热热时为低低温)回水在在集水器器中混合合，经空空调水泵泵加压送送入水冷冷换热器器中换热热成为低低高温温（供冷冷时为低低温，供供热时为为高温)载冷剂剂进入分分水器，再再由分水水器分流流进入各各空调空空间的供供水管路路，供水水在各房房间的换换热设备备(譬如：风机盘盘管)中向空空调空间间释放冷冷热量量后成为为高低低温回水水由回水水管路回回到集水水器中，进进入下一一循环冷热水机机组形式式家用中中央空调调的控制制原理冷热水机机组形式式家用中中央空凋凋的控制制原理与与风机盘盘管中央央空调系系统基本本类似。图3为冷热水机组形式

10、家用中央空调控制原理图，图中E为执行器、C为控制器、T为温度测点。冷热水机组的控制方式如下： 每个空调房间有自己独立的温度控制器，用户可根据需要设定室温。安装在温度控制器上的温度传感器及时感知该房间的温度，温度控制器根据该温度和设定室温的差别来控制风机盘管中风机的转速，从而把室内温度稳定在设定值附近。 各个温度控制器通过通讯环路(集中总线)与主控制器取得联系，不断把目前的状态包括用户的设定等信息及时反馈给主控制器。 主控制器可单独接受用户的设定，也可根据用户对各房间温度控器设定的情况决定运行工况。在某一工况下，主控制器检测空调出水温度，并将其与设定值比较，根据差别来控制压缩机运行、从而调节系统

11、整体制冷热量。此外，主控制器还要检验系统关键位置的压力、温度、电流等、发现异常立即采取措施并显示故障信息。准确、迅速的保护功能是系统能够长期安全稳定运行的保证将低温热源源的热量量转移到到温度高高于环境境温度的的物体从而获获得热量量的机器器和设备备。在空空气调节节设备中中热泵的的工作过过程与制制冷机相相仿但它是是向高于于环境温温度的物物体供给给热量例如向向建筑物物供暖供应生生活或某某些生产产过程用用的热水水等。热热泵的低低温热源源最常用用的是环环境介质质(空气或或地面水水)的热量也可用用地热或或生产过过程中排排出的废废汽废水和和废油等等的热量量图 压缩式式热泵的的工作原原理图 为压缩缩式热泵泵的

12、工作作原理。它它的组成成和工作作过程与与压缩式式制冷机机相同也是用用一般的的制冷剂剂(氨或氟氟利昂)作为工工质。工工业废水水在泵的的作用下下流经蒸蒸发器的的传热管管加热管管外的工工质并使使之蒸发发产生的的蒸气经经压缩机机压缩后后进入冷冷凝器即即凝汽器器中冷凝凝成液体体液体再再经节流流阀节流流降压后后进入蒸蒸发器中中继续蒸蒸发从而完完成热泵泵的工作作循环。在在冷凝器器中工质质是在较较高的温温度下冷冷凝的将热量量传给载载热质(冷却水)载热质质遂将热热量源源源不断地地供给需需要供热热的用户户衡量热泵工工作有效效性的一一个重要要技术指指针是热热量变换换系数Q 11 /NN 式中Q1为热泵泵向高温温物体

13、供供热的速速率(千焦/秒)N为压缩缩机消耗耗的功率率(千瓦)。因在在数值上上Q1总是大大于N(因Q1中尚包包括从低低温热源源吸收的的热量)的数值值也总是是大于1。的值是是随热泵泵的工作作温度而而变的蒸发温温度越低低冷凝温温度越高高则的值越越小。例例如当冷凝凝温度为为50蒸发温温度为010时值约为3.54.5但当冷冷凝温度度提高到到80蒸发温温度降低低到-200时 1.41.9。因此在供热热温度较较高而低低温热源源温度较较低的情情况下用热泵泵供热便便不很经经济。在在电力供供应不足足和电费费价格较较高的情情况下压缩式式热泵不不宜大量量使用仿照吸收式式制冷机机的工作作过程可可组成吸吸收式热热泵它只消

14、消耗热能能就可达达到热量量转移的的目的。同同样根据半半导体制制冷器的的原理也也可制成成半导体体供热器器应用压缩式式制冷机机和压缩缩式热泵泵的工作作原理可以组组成热泵泵型空调调机组(见空气气调节设设备)。夏季季按制冷冷循环工工作可用来来使房间间降温冬季按按热泵循循环工作作可用来来向房间间供热摘要：概述述了水环环热泵空空调系统统在我国国的历史史和现状状，简要要介绍了了水环热热泵空调调系统的的工作原原理和适适用场合合，重点点分析了了水环热热泵空调调系统的的优点和和缺点。 关键词词：水环环热泵 水/空气热热泵 节能热泵从本质质上来说说是一种种热回收收装置，它它从低温温热源处处吸取热热量并提提高品位位后

15、，再再在高温温热源处处放热，起起到节省省高位能能的租用用。自19889年以来来，热泵泵技术在在我国的的应用与与发展进进入了兴兴旺期。据据统计，19996年我国国空调设设备（指指电动冷冷热水机机组、吸吸收式冷冷热水机机组、房房间空调调器以及及单元空空调机组组，但不不包括进进口机组组）的总总制冷能能力约为为20000万kW，其中中热泵型型机组的的制冷能能力约占占60%1。 200世纪80年代初初，我国国在一些些外商投投资的建建筑中采采用了水水环热泵泵空调系系统2。时至至今日，水水环热泵泵空调系系统在我我国的应应用已经经有了不不小的普普及。90年代水水环热泵泵空调系系统便在在我国得得到广泛泛的应用用

16、。据统统计，19997年国内内采用的的工程共共52项2。不仅仅在北京京、上海海、广州州、深圳圳、天津津等大城城市中一一些工程程采用它它，而且且如佛山山、绍兴兴、惠州州、泉州州等中小小城市也也开始采采用水环环热泵空空调系统统。此外外，有关关水环热热泵空调调系统的的研究也也卓有成成效。从从19993年起，原原哈尔滨滨建筑工工程学院院就开始始了水环环热泵空空调系统统在我国国应用的的预测分分析与评评价。之之后，不不少相关关论文随随之发表表，如文文献3。20005年，国国内水环环热泵空空调系统统的工程程技术专专著，即即文献4水环环热泵空空调系统统设计出出版1 水环热热泵空调调系统的的概况 水环热热泵空调

17、调系统是是指小型型的水/空气热热泵机组组的一种种应用方方式，即即用水环环路将小小型的水水/热泵机机组并联联在一起起，形成成一个封封闭环路路，构成成一套回回收建筑筑物内部部余热作作为其低低位热源源的热泵泵供暖、供供冷的空空调系统统。典型型的水环环热泵空空调系统统由三部部分组成成：（1）室内内的小型型水/空气热热泵机组组；（2）水循循环环路路；（3）辅助助设备（如如冷却塔塔、加热热设备、蓄蓄热装置置等）。 水环热热泵空调调系统的的基本工工作原理理是：在在水/空气热热泵机组组制热时时，以水水循环环环路中的的水为加加热源；机组制制冷时，则则以水为为排热源源。当水水环热泵泵空调系系统制热热运行的的吸热量

18、量小于制制热运行行的放热热量时，循循环环路路中的水水温度升升高，到到一定程程度时利利用冷却却塔放出出热量；反之循循环环路路中的水水温度降降低，到到一定程程度时通通过辅助助加热设设备吸收收热量。只只有当水水/空气热热泵机组组制热运运行的吸吸热量和和制冷运运行的放放热量基基本相等等时，循循环环路路中的水水才能维维持在一一定温度度范围内内，此时时系统高高效运行行2 水环热热泵空调调系统的的优点 上世纪80年代初初期在我我国应用用的一些些水环热热泵空调调系统显显示出了了许多的的优点：如回收收建筑物物余热的的特有功功能；不不像传统统锅炉那那样会对对环境产产生污染染；省掉掉或减少少常规空空调系统统的冷热热

19、源设备备和机房房；便于于分户计计量与记记费；便便于安装装、管理理等。据据有关文文献的预预测分析析，水环环热泵空空调系统统上一种种很有前前途的节节能型空空调系统统2。下面面，本文文从组成成系统的的三个方方面逐一一分析水水环热泵泵空调系系统的优优点2.1 水水循环环环路方面面 首先，按按水环热热泵空调调系统在在建筑物物中的用用途，它它属于热热回收式式热泵系系统。在在室外空空气温度度较低的的情况下下，建筑筑物的周周边区需需要额外外的热量量来维持持室内温温度的稳稳定舒适适；与此此同时，建建筑物的的内区则则因为存存在室内内热源（如如照明、设设备、人人体等散散热），而而需要降降低室内内的温度度。水环环热泵

20、空空调系统统通过同同时连通通建筑物物周边区区和内区区的水循循环环路路，可以以将内区区产生的的余热转转移到周周边区，在在对内区区供冷的的同时对对周边区区供热，而而不存在在或者少少量存在在常规空空调系统统在同种种情况下下的冷热热量抵消消所造成成的能量量浪费。因因此，该该系统的的建筑物物热回收收效果好好，在充充分利用用余热的的同时节节约了能能源。当当建筑物物内部同同时由供供热工况况机组和和供冷工工况机组组模式同同时运行行时，采采用水环环热泵空空调系统统的运行行费用最最多可降降低至50左右右其次，与上上类似，为为了达到到同时供供冷供暖暖的效果果，相对对于常规规空调系系统必须须采用造造价昂贵贵的四管管制

21、风机机盘管系系统而言言，水环环热泵空空调系统统的水循循环环路路仍然采采用两管管制。如如此，就就不会存存在或者者减少常常规的四四管制的的风机盘盘管系统统对各个个条件要要求不同同的房间间空调时时所出现现的冷热热量抵消消，避免免了由此此造成的的能量的的无谓消消耗，更更节省了了管道系系统的初初投资费费用。 再次，由由于水循循环环路路中的水水温在常常温范围围内、与与其环境境温度的的温差不不大，所所以常温温水所消消耗的能能量比常常规空调调系统小小得多。同同时，因因为减少少了输配配过程中中的冷热热耗散等等损失，环环路的热热损失也也比常规规空调系系统要小小得多。总总的来说说，水环环热泵空空调系统统与常规规空调

22、系系统相比比，仅管管道热损损失减少少这一项项，节能能效率约约为8155。而且且，由于于水循环环环路管管道可不不设保温温和防潮潮隔湿，还还能减少少保温层层及其它它的一些些材料费费用2.2 小小型水/空气热热泵机组组方面 一般，水水环热泵泵空调系系统采用用的都是是室内的的，根据据室内负负荷的大大小分别别安装在在各个房房间内。各各房间内内的用户户就可以以根据室室外温度度的变化化和各自自不同的的要求，在在一年内内的任何何时间随随意进行行房间里里的供暖暖或供冷冷的调节节，而不不会影响响到其它它房间的的温度。由由于便于于调节也也不会出出现房间间过冷、过过热等情情况，既既避免了了常规空空调系统统的能源源浪费

23、，又又营造了了良好的的室内环环境。同同时，室室内的小小型水/空气热热泵机组组也便于于分户计计量和分分户收费费。 对于业业主来说说，如果果采用常常规空调调系统，就就必须一一次购齐齐冷水机机组及其其它设备备，往往往会造成成很大的的资金压压力，而而且冷水水机组一一般要在在安装一一两年后后才能发发挥效益益；而水水环热泵泵空调系系统中的的小型水水/空气热热泵机组组可以分分期投资资、分批批建设，甚甚至可以以在用户户入住前前逐层安安装，其其投资回回报效益益高、见见效快。这这一特点点也使水水环热泵泵空调系系统在旧旧楼翻新新或系统统改造中中颇有市市场，因因为常规规空调系系统无法法避免损损坏原有有的结构构，且不不

24、易找到到适合的的冷冻机机房，一一般还需需要全楼楼停业来来进行改改造工程程，造成成的经济济损失较较大。 对于设设计方来来说，由由于采用用了室内内的小型型水/空气热热泵机组组，也就就没有了了体积庞庞大的风风管、冷冷水机组组等，所所以系统统布置更更加紧凑凑、简洁洁和灵活活，也不不用再设设置空调调机房（或或减少机机房面积积），也也为业主主增大了了使用面面积及有有效空间间。水环环热泵空空调。对对于施工工方来说说，由于于小型水水/空气热热泵机组组可以在在工程里里进行组组装，所所以减少少了工地地的安装装工作量量2.3 辅辅助设备备方面 如果再再在水环环热泵空空调系统统中加入入蓄热装装置等辅辅助设备备，则更更

25、能提高高系统的的经济性性。因为为蓄热装装置可以以实现内内区制冷冷机组向向水循环环环路中中释放的的冷凝热热与周边边区制热热机组从从水循环环环路中中吸取的的热量在在一天或或者更长长的时间间周期内内达到平平衡，从从而降低低了冷却却塔和水水加热器器的年耗耗能量。3 水环热热泵空调调系统的的缺点 水环热热泵空调调系统的的发展主主要面临临来自两两个方面面的问题题：其一一是从系系统这个个方面来来看，国国内的一一些建筑筑物内余余热小或或无预热热，尚需需补充加加热设备备，致使使其不能能充分发发挥原有有的一些些优点；其二是是从设备备这个方方面来看看，水环环热泵空空调系统统中采用用的小型型水/空气热热泵机组组所存在

26、在的一些些固有问问题也限限制了其其更广泛泛的应用用。目前前，针对对上述的的两个缺缺点，也也出现了了许多的的解决办办法，以以期推广广水环热热泵空调调系统的的应用3.1 建建筑物内内余热不不足 通过分分析水环环热泵空空调系统统的运行行特性我我们可知知，只有有当建筑筑物内区区有大量量余热且且周边区区需要供供热，才才能通过过水环热热泵空调调系统将将建筑物物内区的的余热转转移到需需要热量量的周边边区，从从而达到到回收建建筑物余余热、节节约能源源的目的的。但是是，我国国的各类类建筑物物内部负负荷不大大，建筑筑物的内内区面积积又小，因因而建筑筑物的余余热量也也较小。在在这种情情况下，如如果要采采用水环环热泵

27、空空调系统统，则势势必要增增设锅炉炉。然而而，将锅锅炉的高高位热能能加热水水循环环环路中的的循环水水使之成成为与室室温相差差无几的的低温热热源，再再由水/空气热热泵机组组消耗电电能将其其提升到到高位热热量向室室内供暖暖，这本本身就是是不经济济、不合合理的。此此外，如如果采用用的是燃燃煤锅炉炉，还存存在一个个环境污污染的问问题。 解决建建筑物内内余热不不足这个个问题的的途径，就就是由建建筑物的的外部引引进低温温热源，以以替代建建筑物内内的余热热量。太太阳能、水水（地表表水、井井水、河河水等）、土土壤、空空气均可可作为水水环热泵泵空调系系统的外外部能源源6。例如如大连电电力大厦厦（高层层单元式式建

28、筑）利利用热电电厂冷却却水作为为水环热热泵空调调系统的的外部热热源，收收到良好好的节能能效果2。此外外，哈尔尔滨工业业大学提提出一种种空气/水热泵泵与水/空气热热泵耦合合双级热热泵供暖暖系统。该该系统在在寒冷地地区，用用空气源源热泵冷冷热水机机组制备备1020低温水水，通过过水环路路送至室室内各个个水/空气热热泵机组组中，水水/空气热热泵再从从水中汲汲取热量量，直接接加热室室内空气气，达到到供暖目目的7。总而而言之，可可以通过过廉价的的辅助热热源来解解决建筑筑物内余余热不足足的问题题，拓宽宽水环热热泵空调调系统的的应用范范围3.2 小小型水/空气热热泵机组组 首当其其冲的是是小型水水/空气热热泵机组组的的制制冷性能能系数COP远小于于大型冷冷水机组组，而且且在相同同制冷量量条件下下价格就就其它型型式的主主机来讲讲也偏高高。另外外一个重重要的问问题，就就是小型型水/空气热热泵机组组安装在在室内，热热泵机组组内部的的压缩机机和风机机将会成成为一个个很大的的噪声