2.1.2 原理及特点
靠补偿或消耗机械功，迫使热量从低温物体流向高温物体的机械装置，称为“热泵”。对低位热源供热，从而有效地把难以直接应用的低品位热能利用起来，达到节能的目的。所以热泵是一种充分利用低品位能的高效节能装置。
如果不考虑热泵运行时的各种能量损失，理论上有:
QH=W+QL (1)
即热泵输出的高温位热量QH等于输入能量W与由低温热源获得的热量QL之和，显然QL即为“变废为宝”的部分，也就是热泵装置回收的废热。在热泵理论中通常以比值QH / W表示热泵节能效果，并称其为热泵供热系数。影响供热系数值的相关因素较多，如热泵形式、热源温度及用热温度等，但对于最常用的压缩式热泵来说，一般该值可达3.5以上。
不同类型的热泵工作机理有所不同，而压缩式热泵和吸收式热泵是目前比较常用的类型。
a. 压缩式热泵
压缩式热泵的热平衡模型如图1所示。该系统可将低温位余热提高50～60 ℃。用于回收高温位余热和工艺过程余热，并可将其温度提高到150 ℃左右，甚至更高。
图1 压缩式热泵热平衡模型
式(1)为压缩式热泵工作热平衡式。其经济性指标用热系数ψ来表示：
Ψ=QH/W=(QL+W)/W=1+QL/W (2)
有效制热系数为
Ψyx=ηΨ (3)
式中：η为热泵有效系数，与热泵温差等有关，通常为0.4～0.75(计算时取η=0.6)。
b. 吸收式热泵
吸收式热泵的热平衡模型如图2所示。
图2 吸收式热泵的热平衡模型
吸收式热泵的热量平衡式为
Q= QH+ QL (4)
吸收式热泵以高温位热量QH为推动功，同时也消耗少量电能。吸收式热泵的制热系数为
Ψ’=Q/QH (5)
吸收式和压缩式热泵制热系数关系为
Ψ’=Ψ（1-TL）/TH (6)
由(6)式可见，压缩式热泵的制热系数要高于吸收式热泵的制热系数，目前应用较多的是蒸汽式压缩式热泵。
低温蒸汽通过压缩机吸收外功后，提高其温位者称蒸汽压缩式热泵。低沸点工质流经蒸发器时蒸发成蒸汽，此时从低温位处吸收热量，来自蒸发器的低温低压蒸汽，经过压缩机压缩后升温升压，达到所需温度和压力的蒸汽流入冷凝器，在冷凝器中，将从蒸发器中吸取的热量和压缩机耗功所提升出来的那部分热量排出。放出的热量就传递给高温热源，使其温位提高。蒸汽冷凝降温后变成液相，流经节流阀膨胀后，压力继续下降，低压液相工质流入蒸发器，由于沸点低，因而很容易从周围环境吸收热量而再次蒸发，又形成低温低压蒸汽，依次不断地进行循环，其工作原理如图3所示。
图3 蒸汽压缩式热泵原理图
凝汽器的循环冷却水失散到环境中的热量，即冷端损失，这部分热量温度只有35 ℃左右，属于低品位热能，直接利用范围狭窄，直接作为冷热源的驱动能源温度太低，综合考虑余热回收利用与空调冷热源利用要求，利用热泵空调系统最为适宜。
水源热泵空调系统利用了热泵的原理，它在制热时以水为热源，而在制冷时以水为排热源。热泵空调冬季利用电厂循环水供暖，而夏季制冷。水源热泵系统对水源系统的要求是：水源充足，水温适宜，水质适宜，供水稳定。具体来说，水源的水量应当充足够用，能满足用户制热负荷或制冷负荷的要求；水源的水温适度，适合机组运行工况要求，根据美国制冷学会ARI320标准，水源热泵系统对水温的要求是5～38 ℃，在水温10～22 ℃之间运行时能效比较高[4]。
