家用小型热泵发展非常迅速。建筑的能效越高，其所需要的热能也就越少，使用热泵系统的效益反而不高。能耗超过15 000 kWh /a（包括室内供暖和热水供暖）的房子使用热泵是很好的选择。相反，能耗很小的房子，使用热泵则不经济。大型热泵常用于公寓楼、小区或者城区供暖网中。
1）热泵的原理
热泵采用的技术是能利用低温热，且使用较少优质能量（如电能）把这些热提高到足以为房间供暖的中高温度（如60 ℃）。它所基于的原理是，一种气体/液体（制冷剂）在不同压力下具有不同的温度和状态（图3-69）。大部分热泵是电动的，也有液态燃料驱动的热泵。该技术适用于不同规模的采暖或空调需求。
（1）规模。没有必要以一栋建筑的热需求峰值来确定热泵参数。最大热需求值一年仅有几天。通常热泵用于满足房屋热需求的基本值，而峰值则需要另外的能源，比如锅炉或电暖气。热泵是根据能耗和动力需求来定型号的。一个经验是热泵热能输出量相当于建筑热需求峰值的50%，热泵提供房屋每年供热和烧水热需求的80%—90%。因此，当天气非常冷时，热泵需要借助其他设备的辅助以使供热达到峰值。
（2）关于热泵的争议。几个方面的原因使得热泵的使用受到非议。从环保角度来看，热泵含有氟利昂，对大气臭氧层影响不利；另一个方面它还消耗电能；第三个方面是对其可靠性及造价的质疑。为了保护臭氧层阻止气候变化，人们研究了能够取代氟利昂的环保型制冷剂。这种热泵已经投入应用，并且在城区供暖系统中也已经有所尝试。使用环保型制冷剂的家用热泵正在研发中（表3-3）。当前，“温和的氟利昂”已经有所使用，它不影响臭氧层，但对全球气候仍会产生影响。谈到对电的依赖性，人们的理由是电能是液态或固态燃料的价值效能的三倍。因为使用燃料发电的效率只为30%。这意味着，为了使热泵的使用具有合理性，它应该有一个三倍大的加热因子。该因子反映了获得的能量（家庭供暖）和高质量的能量供应（驱动压缩机）的比值，通常是3∶1。当具有三倍大加热因子的热泵出现时，从能源的角度来看，热泵的使用将获得认可。然而，如果驱动热泵需要的电能是通过核能或者煤炭生产的，那么这种能源是不可持续的。为了避免对电能产生依赖性，一个更好的选择是使用燃料驱动热泵，尤其是用生物燃料。热泵一度很贵，并且经常出故障。保险公司的统计数字显示，向环保型制冷剂的转型会引起一些润滑油的问题，导致故障发生，较多出现在某几个型号的热泵中。
图3-69 热泵基本原理示意图
通过压力的改变，可以改变制冷剂（气态或液态）的温度和沸点，利用低温热源就可以使液态的制冷剂在蒸发器中变为气态，气态的制冷剂经过压缩机压缩温度上升，高温气体加热热水后冷凝变回液态，经过膨胀阀调节后制冷液压力降回正常，然后又开始一轮新的循环。加热系统的设计应基于长期需求的曲线，需要的能耗应考虑一年的基本负荷和高峰负荷，综合考虑各种因素后确定
表3-3 常用的制冷剂
注：指禁止再填充使用。
（3）热泵的型号和类型。热泵的常用型号有两种：大型热泵和家用型热泵。位于热泵站的大型热泵是由电力驱动的，这些热泵站与地方或城区供暖系统相连。家用热泵有三种类型：废气源热泵、空气源热泵、地源热泵。地源热泵的热源可以来自土壤和水体（图3-70）。
（4）家用热泵。利用自然低温热的小型家用热泵是很常见的。这些利用岩石、湖泊与土壤热源的热泵，利用热交换管收集热量（图3-71）。获得低温热的方式有两种，常见的是间接法，一种水/酒精的混合液在不断循环中，将土壤中的热与热泵里的制冷剂进行热交换。获得热量的另一种方式被称为直接汽化法，它是将制冷剂本身泵入循环管。还有废气源热泵，它从通风设备的废气中回收热能，而空气源热泵则是从室外空气中获得热能。① 地热、海水以及地源热泵。该类型热泵所使用的热量来源顾名思义。地热能热泵的热量来自于地下60—170 m深的地下岩洞。地源热泵通过一个约200—400 m长深入地下约1 m深的管子获得土层浅表热量。管子的间距约1 m。对于水体，热交换管被置于湖底或河床。选择岩石、土壤或者水体中的哪一种获得热量主要取决于区位及条件。② 废气源热泵。该热泵使用的热量来自于为房间供暖或热水的通风设备中的排出的废气。废气源热泵多是与机械通风系统相连，但是也有人尝试利用自然通风在家里安装（图3-72）。废气源热泵的尺寸大致相当于一个普通的站立式橱柜。也有结合热水系统的废气源热泵。它们更便宜，但是能效较低。③ 空气源热泵。该热泵从室外空气获取低温热能。获取的热利用空气热力泵和风扇送入室内，或是通过一个空气/水热泵送入水加热系统。空气/水热泵可以提供热水，也可以为室内供暖。对于那些依靠电力供暖的房子，气源热泵通常每年能节约30%—40%的电能。气源热泵的不足之处是，天气越冷，它的耗能越大。当室外气温降到–10 ℃时，气源热泵将不能为房屋供暖。因此在气温最低时，由于气源热泵不能工作，导致输电系统处于最大负荷。④ 与太阳能收集器结合使用的地源热泵。从20世纪90年代后期开始，人们已经开始使用与太阳能收集器结合的地源热泵。夏季利用太阳能，而冬季热量则由地源热泵提供。当太阳能有所盈余时，土壤被加热，而当太阳能不足以为建筑供暖时候，地源热泵通过土层深处的热补充提高热泵效率。
图3-70 热泵的热源
热泵采用的低温热能可以从室外空气、土壤、海水或者深入地下的洞里提取出来。采取的低温热能的温度越高，热泵系统就越经济
家用热泵的运行表现不是很好。许多产品在其寿命初期（仅仅0—5年）就发生了故障，有些型号存在明显的制造缺陷。昂贵的产品需要有更好的运行表现，尤其是当其预计使用寿命超过20年时。不论如何热泵仍然是我们的可选技术之一。
（5）大型热泵。大型热泵的低温热能来自于河流、湖泊、污水处理产生的热，大型通风系统中的废气，矿山或者工业废热（图3-73）。大型热泵适用于那些既需要降温又需要供暖的地方（图3-74），比如，大型超市既需要供暖，又需要一个大型冷藏区；溜冰场冰面需要制冷，而其他的空间却需要供暖。
（6）热泵、热源以及钻井。办公建筑通常既需要供暖，又需要制冷。一个减少使用外部能源的方法是利用办公室的热源来平衡供暖和制冷的需求。埋设在结构板中的辐射供暖/制冷系统能加强这一效果。热在房屋的结构中传输。最新的技术发展是通过热泵将房屋的蓄热体与房屋之下蓄热的打底连接起来（图3-75）。斯蒂文 霍尔在北京的当代MOMA项目中，用660个深入地下的埋管为160 000 m²的街区提供总量达5 000 kW的采暖和空调。
2）地热能
地球上蕴藏着很多免费能源。在不同的地质构造中人们可以找到不同温度的水。在某些火山地形区，蒸汽不断从地表冒出。这些蒸汽可用于生产电力，冰岛、意大利、日本和美国等国家已经有所实践了。也可以利用其他的地层水中的地热能来为电厂供热。通过热泵系统，地热也能用于区域供暖（图3-76）。
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图3-71 家用地源热泵
除了基本部分外，家用地源热泵还包括压缩机、气泵、热交换器以及控制阀
图3-72 单户住宅中使用的废气源热泵
图3-73 大型热泵
该热泵位于瑞典松兹瓦尔（Sundsvall）地区，主要用于从城市污水系统中提取热能
图3-74 瓦伦蒂纳（Vallentuna）地区的湖水源系统
在瑞典，大约90%的热泵是在独栋民宅中使用的，不过也有不少直接与城区供暖系统连接的大型热泵系统（大约7 TWh）。然而，许多大型热泵系统使用的制冷剂对环境有害，泄露事件也时有发生
图3-75 斯德哥尔摩怀特建筑师事务所新办公楼的楼板采暖/制冷原理图
这座建筑采用附近湖水进行无偿制冷
图3-76 地热能的获取过程示意图
地热能需从埋设很深的地下井内获取。重要的是，产生热的管井与将使用后的水返回底层的管井应保持合适的距离。插图为列夫 欣德格伦（Leif Kindgren）绘制
小贴士3-1 未来的热泵
传统热泵的一个缺点是对电力的依赖性。有燃气动力热泵理论上可由普通汽车马达驱动。在日本与丹麦已经有利用斯特林发动机驱动热泵的尝试。斯特林发动机和热泵互惠互利（图3-77）。他们各自都有冷热端，但是温度值不同。斯特林发动机在热的一端用燃料加热，其冷的一端以散热圈降温。而热泵较热的一端则是利用散热器回水中的热，其冷的一端由埋设在土壤中的管道降温。压缩机驱动的热泵所需要的地下管线，其长度仅是普通地源热泵的一半。试验结果表明，燃料（气体、液体或固体）驱动热泵的价格略高于电力驱动。斯特林发动机驱动的热泵，其能效与电动压缩机热泵几乎相当，但却不用电。同时，斯特林发动机驱动热泵很安静，并且与常规的燃气内燃机相比，其废气更干净，并且可以节省40%天然气。
图3-77 燃气斯特林发动机所驱动的土壤冷却热泵
资料源于《小型燃气动力热泵》，亨里克 卡 尔 森（Henrik Carlsen），H. C.阿格（H. C. Aagaard），Prøvestationen for varmepumpeanlæg，丹麦，1998
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