水從高處流向低處，熱由高溫物全傳遞到低溫物體，這是自然規律。然而，在現實生活中，為了農業灌溉、生活用水等的需要，人們利用水泵將水從低處送到高處。同樣，在能源日益緊張的今天，為了回收通常排到大氣中的低溫熱氣、排到河川中的低溫熱水等中的熱量，熱泵被用來將低溫物體中的熱能傳送高溫物體中，然后高溫物體來加熱水或采暖，使熱量得到充分利用。

熱泵系統的工作原理與制冷系統的工作原理是一致的。要搞清楚熱泵的工作原理，首先要懂得制冷系統的工作原理。制冷系統（壓縮式制冷）一般由四部分組成：壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器。其工作過程為：低溫低壓的液態制冷劑（例如氟利昂），首先在蒸發器（例如空調室內機）里從低溫熱源（例如常溫空氣）吸熱并氣化成低壓蒸氣。然后制冷劑氣體在壓縮機內壓縮成高溫高壓的蒸氣，該高溫高壓氣體在冷凝器內被低溫熱源（例如冷卻水）冷卻凝結成高壓液體。再經節流元件（毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等）節流成低溫低壓液態制冷劑。如此就完成一個制冷循環。

熱泵的性能一般用制冷系數（COP性能系數）來評價。制冷系數的定義為由低溫物體傳 到高溫物體的熱量與所需的動力之比。通常熱泵的制冷系數為3-4左右，也就是說，熱泵能夠將自身所需能量的3到4倍的熱能從低溫物體傳送到高溫物體。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置，工作時它本身消耗很少一部分電能，卻能從環境介質（水、空氣、土壤等）中提取4-7倍于電能的裝置，提升溫度進行利用，這也是熱泵節能的原因。歐美日都在競相開發新型的熱泵。據報導新型的熱泵的制冷系數可6到8。如果這一數值能夠得到普及的話，這意味著能源將得到更有效的利用。熱泵的普及率也將得到驚人的提高。

地源熱泵是熱泵的一種，是以大地或水為冷熱源對建筑物進行冬暖夏涼的空調技術，地源熱泵只是在大地和室內之間“轉移”能量。利用極小的電力來維持室內所需要的溫度。在冬天，1千瓦的電力，將土壤或水源中4-5千瓦的熱量送入室內。在夏天，過程相反，室內的熱量被熱泵轉移到土壤或水中，使室內得到涼爽的空氣。而地下獲得的能量將在冬季得到利用。如此周而復始，將建筑空間和大自然聯成一體。以小的代價獲取了舒適的生活環境。

冬夏工況

由于熱泵裝置的工作原理與壓縮式制冷是一致的；所以在小型空調器中，為了充分發揮它的效能，在夏季空調降溫或在冬季取暖，都是使用同一套設備來完成的。在冬季取暖時，將空調器中的蒸發器與冷凝器通過一個換向閥來調換工作。

由圖中可看出，在夏季空調降溫時，按制冷工況運行，由壓縮機排出的高壓蒸汽，經換向閥（又稱四通閥）進入冷凝器，制冷劑蒸汽被冷凝成液體，經節流裝置進入蒸發器，并在蒸發器中吸熱，將室內空氣冷卻，蒸發后的制冷劑蒸汽，經換向閥后被壓縮機吸入，這樣周而復始，實現制冷循環。

在冬季取暖時，先將換向閥轉向熱泵工作位置，于是由壓縮機排出的高壓制冷劑蒸汽，經換向閥后流入室內蒸發器（作冷凝器用），制冷劑蒸汽冷凝時放出的潛熱，將室內空氣加熱，達到室內取暖目的，冷凝后的液態制冷劑，從反向流過節流裝置進入冷凝器（作蒸發器用），吸收外界熱量而蒸發，蒸發后的蒸汽經過換向閥后被壓縮機吸入，完成制熱循環。這樣，將外界空氣（或循環水）中的熱量“泵”入溫度較高的室內，故稱為“熱泵”。

對于一臺分體式熱泵空調來說，夏天制冷時就是以室外機為冷凝器、室內機為蒸發器，運行時就把室內的熱量輸送到了室外。而冬季則以室內機為冷凝器、室外機為蒸發器，這樣就把室外的熱量輸送到了室內，通常這些是通過四通換向閥來實現的。

熱泵空調里面有一個四通換向閥。在制冷工況下，室內熱交換器就是蒸發器，室外熱交換器（夏天往外呼呼出熱風的那個東西）就是冷凝器。冬季供熱的時候，四通換向閥切換，改變冷媒的流向，此時，室內熱交換器就是冷凝器，室外熱交換器（冬天往外呼呼出冷風的那個東西）就是蒸發器。

由于冬季往外出冷風，換熱器要結霜，所以等結霜到一定程度時，四通換向閥再切換，空調變成夏季制冷工況，室外熱交換器得到熱量，化霜，化霜完畢后，四通閥再切換到制熱狀態。除霜時，為了防止向室內吹冷風，故室內機的風機停止運轉。（當然這種逆向除霜對舒適性有一定影響，所以又有了熱氣旁通除霜、蓄熱除霜等不需要切換工況的方式）

能量分析

在上圖的熱泵循環中，從低溫熱源（室外空氣或循環水，其溫度均高于蒸發溫度t0）中取得Q0kcal/h的熱量，消耗了機械功ALkcal/h，而向高溫熱源（室內取暖系統）供應了Q1kcal/h的熱量，這些熱量之間的關系是符合熱力學定律的，即Q1=Q0+AL kcal/h

如果不用熱泵裝置，而用機械功所轉變成的熱量（或用電能直接加熱高溫熱源，則所得的熱量為ALkcal/h，而用熱泵裝置后，高溫熱源（取暖系統）多獲得了熱量：Q1-AL=Q0kcal/h。這一熱量是從低溫熱源取得的，如果不用熱泵裝置，就無法取得這一熱量。故用熱泵裝置既可節省燃料，又可利用余熱。

熱泵的工作循環與熱機的工作循環正好相反，熱機是利用高溫熱源的能量來產生機械功的，而熱泵是靠消耗機械功將低溫熱源的熱量轉移到高溫物體中去。

若熱泵與熱機具有兩個相同的熱源溫度，則熱機循環的熱效率η=AL╱Q1；熱機循環的能量指標----熱量轉換系數

φ=Q1╱AL，故φ=1╱η。η值總是小于1的，故φ值是大于1的。

若制冷機與熱泵具有兩個相同的熱源溫度，則它們之間的關系為：φ=Q1╱AL=（Q0+AL）╱AL=ε+1，ε 是制冷機的制冷系數。由此可看出，熱量轉換系數的小值是φ=1，在此極限情況下ε=0，Q0=0，即沒有從低溫熱源吸取熱量。

能量轉換

作為自然界的現象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫區流向低溫區。但人們可以創造機器，如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對象（溫度較高的物體），其工作原理與制冷機相同，都是按照逆卡諾循環工作的，所不同的只是工作溫度范圍不一樣。

熱泵在工作時，它本身消耗一部分能量，把環境介質中貯存的能量加以挖掘，通過傳熱工質循環系統提高溫度進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為輸出功中的一小部分，因此，采用熱泵技術可以節約大量高品位能源。

在運行中，蒸發器從周圍環境中吸取熱量以蒸發傳熱工質，工質蒸汽經壓縮機壓縮后溫度和壓力上升，高溫蒸氣通過冷凝器冷凝成液體時，釋放出的熱量傳遞給了儲水箱中的水。冷凝后的傳熱工質通過膨脹閥返回到蒸發器，后再被蒸發，如此循環往復。

工作介質

熱泵工作工質以前一般為氟利昂，但由于氟利昂對地球大氣臭氧有破壞作用，為了保護地球的生態環境，除了提高熱泵的制冷系數，有效利用能源以外，各國科學還致力于新型工質的開發，已有替代氟利昂的工質得到應用。

但是，今天中國大部分廠家所采用的工質還是R22，采用環保工質R417A、134A的時代還未到來。而日本等一些國家已率先采用CO2作為工質，從而不對臭氧層造成破壞。（所以在安裝時，銅管務必要連接緊密，防止R22漏出。）此外，以上所述的R22、R417A、134A、CO2皆對人體不造成傷害的，即使有漏出，整套設備仍然都是安全的。

按熱源種類不同分為：空氣源熱泵，水源熱泵，地源熱泵，雙源熱泵（水源熱泵和空氣源熱泵結合）等。

空氣源熱泵

原理

空氣源熱泵在運行中，蒸發器從空氣中的環境熱能中吸取熱量以蒸發傳熱工質，工質蒸氣經壓縮機壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過黏結在貯水箱外表面的特制環形管時，冷凝器冷凝成液體，將熱量傳遞給空氣源熱泵貯水箱中的水。

熱泵工質

空氣源熱泵傳熱工質是一種特殊物質，常壓下其沸點為零下40℃，凝固點為零下100℃以下，該物質冷的時候是液體，但很容易被蒸發成氣體，反之亦然。在實際運行中，空氣源熱泵中傳熱工質的蒸發極限溫度為零下20℃左右，因此5℃的環境溫度對如此低的溫度也是“熱”的，甚至下雪的溫度，比如說0℃，相比之下也是熱的，因此，仍可交換一些熱能。

水源熱泵

原理

地球表面淺層水源（一般在1000 米以內），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太陽進入地球的相當的輻射能量，并且水源的溫度一般都十分穩定。水源熱泵技術的工作原理就是：通過輸入少量高品位能源（如電能），實現低溫位熱能向高溫位轉移。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在夏季將建筑物中的熱量“取”出來，釋放到水體中去，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以達到夏季給建筑物室內制冷的目的；而冬季，則是通過水源熱泵機組，從水源中“提取”熱能，送到建筑物中采暖。

優勢

與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統相比，水源熱泵具明顯的優勢。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70%～90%的燃料內能轉化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量；由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數可達3.5～4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50%～60%。因此，近十幾年來，水源熱泵空調系統在北美及中、北歐等國家取得了較快的發展，中國的水源熱泵市場也日趨活躍，使該項技術得到了相當廣泛的應用，成為一種有效的供熱和供冷空調技術。

地源熱泵

地源熱泵是一種利用淺層地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節能空調設備。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現由低溫位熱能向高溫位熱能轉移。地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量取出來，釋放到地能中去。通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4kWh以上的熱量或冷量。

高溫空氣能熱泵

高溫空氣能熱泵從字面來理解是指制熱出水溫度高于60℃（即：高溫熱水）或出風溫度能夠達到 80 ℃以上的熱泵（即：高溫烘干熱泵）。相對今天市場上熱銷的常規熱泵而言，常規熱水溫度一般是55℃以下，而新一代高溫空氣能熱泵可制取高達85℃左右的高溫熱水，能夠運用于電鍍，巴氏消毒，屠宰，玻璃清洗，印染等行業。

工作原理

高溫空氣能熱泵工作原理是：利用逆卡諾循環原理，通過自然能(空氣蓄熱)獲取低溫熱源，經系統高效集熱整合后成為高溫熱源，用來取(供)暖、干燥或供應熱水。

優點

高溫空氣能熱泵的四大優點：，節能，有利于能源的綜合利用，高溫空氣能熱泵是把空氣中的低溫熱能吸收進來，經過壓縮機壓縮后轉化為高溫熱能，其節能效果相當顯著；第二，有利于環境保護；第三，冷熱結合，設備應用率高，節省出投資，第四，因為它是電驅動，調控比較方便。

相比電鍋爐，可以節約50%以上的電力消耗，而且減少了經常更換電熱管的麻煩；相比傳統煤鍋爐和燃油鍋爐，無污染，無排放，安全，省去了每年例行的安檢，省去了專業的鍋爐工，全自動控溫，運行費用也大幅降低50%以上。高溫熱泵能夠完成某種特殊領域供熱供冷需求的熱泵。一般來講，高溫空氣能熱泵采用專門的熱泵壓縮機，特殊的制冷劑及系統。

種類

市場上熱泵熱水器種類很多，主要有太陽能助推型、水源和空氣源三種系列。太陽能助推式熱泵是熱泵與太陽能技術結合使用的一種熱泵技術；水源熱泵是利用一定溫度的水源（20℃以上）作為熱源以制冷劑為媒介，將水源中的熱量吸收后經壓縮機壓縮制熱，通過熱交換器與冷水交換熱量以達到取暖和制取熱水的目的，水源熱泵必須有一定溫度和流量的水源；空氣源熱泵以水源熱泵類似方法從空氣獲得熱量來加熱水。三種熱泵中，空氣源熱泵受到的條件限制小，發展空間。

空氣源熱泵熱水器

空氣源熱泵熱水器主要由壓縮機、熱交換器、軸流風扇、保溫水箱、水泵、儲液罐、過濾器、電子膨脹閥和電子自動控制器等組成。接通電源后，軸流風扇開始運轉，室外空氣通過蒸發器進行熱交換，溫度降低后的空氣被風扇排出系統，同時，蒸發器內部的工質吸熱汽化被吸入壓縮機，壓縮機將這種低壓工質氣體壓縮成高溫、高壓氣體送入冷凝器，被水泵強制循環的水也通過冷凝器，被工質加熱后送去供用戶使用，而工質被冷卻成液體，該液體經膨脹閥節流降溫后再次流入蒸發器，如此反復循環工作，空氣中的熱能被不斷“泵”送到水中，使保溫水箱里的水溫逐漸升高，后達到55℃左右，正好適合人們洗浴。

空氣源熱泵是當今世界上的能源利用產品之一。隨著經濟的快速發展與人們生活品位的提高，生活用熱水已成為人們的生活必需品，然而傳統的熱水器（電熱水器，燃油、氣熱水器）具有能耗大、費用高、污染嚴重等缺點；而節能環保型太陽能熱水器的運行又受到氣象條件的制約。空氣源熱泵的供熱原理與傳統的太陽能熱水器截然不同，空氣源熱泵以空氣、水、太陽能等為低溫熱源，空氣源熱泵以電能為動力從低溫側吸取熱量來加熱生活用水，熱水通過循環系統直接送入用戶作為熱水供應或利用風機盤管進行小面積采暖。空氣源熱泵是目前學校宿舍、酒店、洗浴中心等場所的大、中、小熱水集中供應系統的解決方案。