在理论上，热泵的效率永远高于1 。在我国的大部分气候条件下，气源热泵和水源热泵的效率都在2～3 以上，其他加热设备如电热器、燃油、燃气和燃煤的加热效率均在1 以下，甚至低于0. 5 ，而且还可能排放大量的燃气和粉尘，加剧城市的污染和热岛效应。在能源日趋紧张和环保意识不断提高的大背景下，利用热泵技术制成的热泵热水器和热泵热风机在家庭、宾馆、洗浴中心以及食品干燥、粮食干燥、印染、造纸、化工等场所具有广阔的应用前景。

　　根据所采用的工质或制冷剂，目前的热泵可分为常规热泵和CO2热泵。常规热泵采用R22，R134a和R410A 等制冷剂，冷凝放热过程在亚临界区进行，压力和温度维持不变，热泵的结构与制冷或空调设备非常接近，设计、加工没有特殊要求，一般制冷或空调厂家均可生产。

　　CO2 热泵以CO2为工质，最大特点在于跨临界热泵循环。由于CO2气体的临界温度(31 ℃) 比较低，CO2 热泵只能采用跨临界热泵循环，冷凝放热过程中温度和压力不断下降，最高冷凝压力可达10 MPa ，有一定的安全忧患，给设计和生产带来了一些不便。CO2 热泵需要专用压缩机等配件，成本很高，而效率并没有超出常规热泵很多，因而仍处于开发阶段。一些国家也推出了小功率的家用CO2 热泵热水器，年平均COP可达3 ，但售价却超过5000 美元。显然，CO2 热泵热水器进入百姓生活还有一段漫长的路要走。所以在这里我们重点讨论常规热泵热水器。

　　一 热泵热水器的结构原理

　　从结构上看，热泵热水器与水冷式制冷或空调系统没有太大区别，都由压缩机、冷凝器、膨胀阀(或毛细管) 、蒸发器以及制冷小附件组成，但它们的用途完全不同。

　　空气源热泵热水器通常不带水箱，冷水进入冷凝器换热后，出水温度已达要求，故称为一次换热式热泵热水器。其特点是热水速度快，但效率可能比较低。

　　水源热泵热水器常带有水箱，冷水与冷凝器需要多次循环换热才能达到出水温度要求，故称为循环换热式热泵热水器。其特点是加热时间长，但水量大，效率高，适合人多的场合。

　　二　涡旋压缩机的优势

　　热泵以制热为目的， 无论冬夏，冷凝温度始终很高，这与一般的制冷或空调系统不同。高冷凝温度意味着高冷凝压力、大压缩比、高排气压力、电机的过载、润滑油焦化以及零部件的严重磨损。目前生产热泵专用压缩机的公司很少，而且产品仅供北欧等很少地区的单热空调使用，冷凝温度低，与热泵热水器的要求相差甚远。

　　涡旋压缩机的工作范围比较宽广，冷凝温度界限比较高，最高可达68 ℃。即使在寒冷的冬天，当蒸发温度为0 ℃，其最高冷凝温度也可达到65 ℃，可以满足出水温度55 ℃的要求。因此，在热泵热水器专用压缩机还没有广泛应用之前，涡旋压缩机是最合适的过渡产品。

　　三 热泵制热温度的局限

　　理论上， 涡旋压缩机的最高排气温度允许125 ℃，甚至更高一点。但是，对于空气源热泵和水源热泵， 当压缩机的排气温度超过100 ℃时，系统可能存在压缩比过大或冷凝面积不足等问题。另外，空调涡旋压缩机在设计时更多考虑的是国际或国家标准下的制冷运行要求和特点，其在涡盘材料选择、强度和耐磨性要求、电机热绝缘等级、电机功率选择、润滑油选择、性能测试程序设计、破环性试验要求等方面，都没有过多地考虑热泵运行的特点。

　　严格意义上讲，目前市场上热泵热水器所用涡旋压缩机已超出了涡旋压缩机厂家所允许的使用范围。高出水温度是以压缩机的寿命缩短为代价，最终受损的将是广大消费者。一些厂家表示其热泵热水温度可以更高，这是很令人担忧的。

　　四　电机过载

　　电机超载是造成压缩机电机烧毁的主要原因。一般而言，涡旋压缩机在冷凝温度接近50 ℃时已经处于满负荷状态，超过50 ℃就已经超载。当冷凝温度从50 ℃上升到65 ℃后，工作电流从36 安培升高到46 安培，输入功率也由20 kW(约26 hp) 飚升到26 kW(约35 hp) ，电机严重过载。对于一般的空调，50 ℃以上的冷凝温度并不多见;而对于热泵热水器，根据正在制定中的热泵热水器国家标准，出水温度为55 ℃。显然，冷凝温度将常年保持在60 ℃以上，电机的超载可见一斑。

　　五　两步换热法

　　对于普通的制冷和空调系统，冷却冷凝过程在冷凝器中完成，并没有做任何划分。但是对于热泵而言，将冷却过程和冷凝过程分开，是有实际意义的。因为压缩机的排气温度较高，而冷凝温度较低。不同的温度可以用于不同加热过程。对于一个冷凝温度为55 ℃，蒸发温度为5 ℃，无液体过冷度及回气过热度为15 ℃的热泵系统，压缩机的排气温度在100～110 ℃之间 。排气可用显热(B2C) 为42 kJ / kg ，而冷凝过程(C2D)的放热为145 kJ / kg。显热达到总放热量的1/ 4 ，是潜热的1/ 3 ，这是非常可观的。

　　根据这个比例，对于从15 ℃加热到55 ℃的热水器而言，可以先在55 ℃冷凝器中将水加热到38～45 ℃，再利用热气显热加热到55 ℃。这种利用2个换热器对水进行2次加热的方法就称为两步换热法。

　　两步换热法将冷却和冷凝过程分开，并将传统的冷凝换热器一分为二:一个冷凝换热器(低温换热器) ，一个冷却换热器(高温换热器) 。冷水先进入低温换热器，循环吸收相变潜热，成为中温水;中温水再进入高温换热器，吸收气体的显热，二次换热成为高温水。2个换热器的区别在于制冷剂的状态，高温换热器中的制冷剂不能冷凝，冷凝过程只能发生在低温换热器中。

　　两步换热法充分利用了一次换热和循环换热的2种热泵热水器的优点，并且在维持同样出水温度的前提下，可以适当降低冷凝温度和冷凝压力，从而大大缓解压缩机电机的超载情况，降低绕组温度，对延长电机寿命非常有利;而对于水温要求较高的场所，可以在不提高冷凝温度的情况下做到。

　　六　化霜循环

　　在冬季，空气源热泵可能需要化霜。化霜循环设计不当很容易损坏压缩机。化霜开始后，制冷剂在管路中的流向发生了逆转，带霜的蒸发器突然变成了冷凝器。随着压缩机的高温排气大量进入，霜开始融化，冷凝温度开始升高。通常，为了降低热量的散失，化霜时风扇是不转的。随着霜的减少，温度上升加快，当温度升高到8～12 ℃时应该打开风扇，并结束化霜循环，整个过程在霜比较少时只有3～4 分钟。这就要求温度传感器具备较高的响应速度，以便系统能及时判断管壁温度，并发出终止化霜的指令，否则冷凝温度会迅速窜升至50 ℃。与此同时，被热水包围的冷凝器变成了蒸发器，从膨胀阀出来的低压低温制冷剂突然进入温度高达50 ℃甚至60 ℃的换热管，立刻爆沸，蒸发温度马上飚升到接近热水温度。如果不停止热水循环或减小热水流量，几分钟之内，蒸发温度将达到40 ℃或者更高。因此，化霜循环不正常时会出现蒸发温度和冷凝温度都在40～50 ℃的危险情况，很容易造成压缩机电机烧毁。

　　化霜结束后，蒸发器(化霜时为冷凝器) 中往往聚集了过多的冷凝液，液体在没有阻挡的情况下进入压缩机会引起严重的后果。因此，选择一个合适的气液分离器对压缩机的安全性非常重要。

　　七 结　论

　　尽管热泵热水器体积庞大，系统复杂，但其在节能方面的突出性能是传统热水器无法比拟的。随着能源价格的不断攀升，热泵热水器等热泵节能产品将会有更大的发展。

　　涡旋压缩机运行范围广， COP高，与高价的专用热泵热水器压缩机相比，具有很高的性价比，在热泵热水器中有着广泛的应用前景。出水温度是热泵热水器的重要技术参数，提高出水温度，要考虑到压缩机的运行范围和可靠性。两步换热法可以在不提高冷凝温度的前提下提高出水温度，从而起到延长压缩机使用寿命的作用。