热泵热水机
热泵热水机（英文名：Heat pump H₂O heater），是一种基于逆卡诺循环而工作的高效热能提升和转移的装置，能源效率比传统的电热水器高出3倍以上，是一种新型、高效、节能、环保的制热水产品。
根据热媒的不同，热泵热水机分为空气源热泵热水机、水源热泵热水机、地源热泵热水机、太阳能热泵热水机。热泵热水机主要由压缩机、热交换器（蒸发器与冷凝器）、节流器、轴流风扇、保温水箱、水泵、储液罐、过滤器、电子膨胀阀以及电子自动控制器等部件构成。压缩机排出的气体为高温高压状态，当其流经冷凝器时，通过热交换变为高压低温的气液混合物，在此过程中释放出的热量被热水吸收，从而为用户提供热水。
1824年，法国科学家S.卡诺首次以论文形式提出卡诺循环理论，这成为热泵技术的起源。1852年，英国科学家开尔文提出冷冻装置可以用于加热，以及将逆卡诺循环用于加热的热泵设想。他第一个提出了正式的热泵系统的基本理论。1912年，瑞士的苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖。中华人民共和国成立后，随着工业建设新高潮的到来，热泵技术开始引入中国。截至2020年，中国热泵热水机生产企业120余家，其中小微型企业占55%，大型企业占15%，中型企业占30%。
历史沿革
19世纪早期，法国科学家S.卡诺在1824年首次以论文形式提出卡诺循环理论，这成为热泵技术的起源。1852年，英国科学家开尔文提出，冷冻装置可以用于加热，将逆卡诺循环用于加热的热泵设想。他第一个提出了一个正式的热泵系统的基本理论，当时称为热量倍增器。之后许多科学家和工程师对热泵进行了大量研究，研究持续80年之久。1912年，瑞士的苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，这是早期的水源热泵系统，也是世界上第一套热泵系统。热泵工业在20世纪40~50年代早期得到迅速发展，家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场，热泵进入了早期发展阶段。
20世纪70年代以来，热泵工业进入了黄金时期，世界各国对热泵的研究工作都十分重视，诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制定了大型热泵发展计划，热泵新技术层出不穷，用途也在不断地开拓，广泛应用于空调和工业领域，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。21世纪，随着“能源危机”出现，燃油价格上升，经过改进发展成熟的热泵以其高效回收低温环境热能、节能环保的特点，成为最有价值的新能源科技。前国际热能署专门成立国际热泵中心，设立热泵推广工程，向世界上各国推广协调热泵技术的应用和发展。美、加、瑞典、德、日、韩等国政府均发出专门官方指引，促进热泵技术的社会应用。相对世界热泵的发展，中国热泵的研究工作起步晚20~30年。中华人民共和国成立后，随着工业建设新高潮的到来，热泵技术才开始引入中国。热泵行业快速发展，一方面得益于能源紧张使得热泵节能优势越来越明显，另一方面与多方力量的加入推动行业技术创新有很大关系。
2019年，中国热泵热水机全年销售量为95.8万台，同比2018年上涨0.9%。2019年，中国的热水器市场整体面临困境，房地产市场不景气，需求低迷，城镇热水需求已趋饱和，零售市场萎缩。与2018年同期相比，2019年热水器市场总体下滑2.8%。而热泵热水机是热水器市场四大细分品类（电热水器、燃气热水器、太阳能热水器和热泵热水机）中唯一增长的产品。从产品特征来看，热泵热水机因占地面积大、安装流程复杂，与电热水器、燃气热水器产品相比局限性较大，因此多年来市场份额变化不大。
截至2020年，中国热泵热水机（器）生产企业120余家，其中小微型企业占55%，大型企业占15%，中型企业占30%。
工作原理
当接通电源后，轴流风扇率先启动运转。此时，室外空气流经蒸发器，在蒸发器处进行热交换，温度降低后的空气随即被风扇排出系统。与此同时，蒸发器内部的工质吸收热量并汽化，随后被吸入压缩机。压缩机将吸入的低压工质气体压缩成高温高压气体，并将其输送至冷凝器。另一方面，被水泵强制循环的水也流经冷凝器，工质在冷凝器中释放热量，将水加热后输送至用户端供其使用，而工质自身则被冷却成液体。
之后，该液体工质经过膨胀阀节流降压降温，再次流入蒸发器，如此循环往复。在这个过程中，空气中的热能不断被“泵”入水中，使得保温水箱里的水温逐渐升高，最终稳定在 55°C 左右，这一温度恰好适宜人们日常洗浴。这便是空气源热泵热水机的基本工作原理。
压缩机排出的气体为高温高压状态，当其流经冷凝器时，通过热交换变为高压低温的气液混合物，在此过程中释放出的热量被热水吸收，从而为用户提供热水。随后，工质经过储液罐和膨胀阀，状态转变为低压低温气体，进入蒸发器后蒸发并吸收外界低品位的热能。这些低品位热能来源广泛，可以是江河、湖泊、地下水、地下土壤层以及空气等，也就是人们通常所说的水源、地源和空气源。最后，从蒸发器出来的低压气体再次进入压缩机，完成整个热力学循环。
类型与分类
根据热媒的不同，热泵热水机分为空气源热泵热水机、水源热泵热水机、地源热泵热水机、太阳能热泵热水机。
空气源热泵热水机
空气源热泵热水机是利用电力驱动的蒸气压缩循环，从环境中吸取热量，并将这些热量用于制备生活和采暖热水的热泵装置。它主要包括两大类机型：空气源热泵热水机和空气源热泵热水机组。
空气源热泵热水机：它可以长期或临时储存热水，并装有控制或限制水温的装置，其制热量小于10kW。空气源热泵热水机分为整体式和分体式。整体式热泵系统与保温储水箱共同装配在一个模块内，现场安装时，热泵系统与水箱之间无需额外的管路进行连接。分体式热泵系统与保温储水箱未装配在一个模块内，现场安装时，热泵系统与水箱之间需要额外的管路进行连接。
由于二氧化碳制冷系统用于加热时属于跨临界循环，二氧化碳在高温侧是气体状态，加热过程对于二氧化碳来讲是一个温度不断下降的降温过程。相对于被加热介质温度不断上升的加热过程来讲，可采用逆流方式使二者之间的传热温差比较小且比较均匀，由此使得二氧化碳热泵热水机的能效很高，特别是在加热温度较高的情况下具有能效优势。尽管二氧化碳热泵热水机在加热温度较高的情况下具有能效优我势，但受制于工作压力，其加热温度也不能过高。
空气源热泵热水机组：它同样是利用电力驱动的蒸气压缩循环，从大气环境中吸取热量，通过水泵及循环管路与另外配套的保温储水箱连接，将水箱中的水循环加热，其制热量范围在10—100kW。空气源热泵热水机（机组）运用逆卡诺循环原理，通过热泵做功使热媒（冷媒）产生物理相变（液态—气态—液态），利用热媒在相变过程中不间断吸热与放热的特性，由吸热装置（蒸发器）吸取低温热源空气中的热量，通过专用热水交换器（冷凝器）向冷水中不断放热，使水逐渐升温，从而达到制热水的目的。制热过程中的电热能量转换效率最高可达450%以上。热泵只需要消耗一小部分的电能来满足空气压缩机和风机等设备做功，就可将处于低温环境空气中的热量转移到高温环境下的热水中。制取的热水通过水循环系统送给用户，可作为热水供应，也可利用风机盘管进行采暖。空气源热泵热水机以空气作为冷热源，空气具有取之不尽、用之不竭的特点，是被热泵采用的广泛的低温冷热源。
水源热泵热水机
水源热泵热水机的热源来自水。通过蒸发器从水中吸收热量，再经过能量转换，使冷凝器中的水温升高来制取热水的设备，称为水源热泵热水机。热泵机组可从地下水、废热废水、空调冷却水、空调冷冻水中提取热量，将自来水加热至 50 - 60°C。其能效比高于空气源热泵 20% - 30%，运行更加节能。水源热泵热水机的最大特点在于机组不受空气环境温度的影响，一年四季运行稳定，产热水量不受天气变化的影响。不过，它对设备和使用环境的要求要高于空气源热泵热水机。只要具备 10°C 左右的水源场所，此类热水器均可使用。
地源热泵热水机
地源热泵热水机采用地下土壤作为热源，蒸发器从土壤中吸收热量，通过热泵循环制备生活或工业热水。土壤热源的主要优点是温度稳定，无需采用风机或水泵采热，没有噪声，也不需要进行除霜。但由于土壤的传热性能欠佳，需要较多的传热面积，导致占地面积较大。此外，在地下埋设管道时成本较高，运行期间产生故障时不容易检修。土壤受热干燥后，其导热能力显著下降，夏季难以向外排热，这会使系统运行出现不可逆的问题。
埋入土壤中的导管可以是金属管或塑料管。通常不直接让热泵工质进入地热盘管，而多采用盐水、乙二醇等载热介质在管道中循环。土壤的传热性能取决于其热导率、密度和比热容。潮湿土壤的热导率比干燥土壤大很多。当地下水位高而使埋管接近或处于水层中时，土壤的热导率大为提高；如地下水流动速度增加时，传热性能还会进一步提高。当换热器附近的土壤冻结时，不仅导热率会发生变化，而且冷冻土的膨胀性使得土层与管表面接触紧密，有助于增强传热效果。
太阳能热泵热水机
太阳能作为热泵热源的应用，实际上是指热泵与太阳能供热的联合运行。热泵与太阳能供热可以采用直接方式和间接方式。间接方式是先将太阳能的热量吸收进蓄热槽内，然后再进行循环；对于直接方式，太阳能的集热板本身就是热泵的蒸发器。在不同季节的白天和晚上，均可采用蓄热和放热的方式提供冷量与热量，这种装置称为太阳能热泵装置。由于太阳能热泵热水机集成了太阳能技术和热泵技术，其节能效果更好，但在技术难度和设备投资方面均比空气源热泵热水机要高。中国国内外针对太阳能热泵热水机的研究工作开展得较多。
关键组件与技术
热泵热水机主要由压缩机、热交换器（蒸发器与冷凝器）、节流器、风机、轴流风扇、保温水箱、水泵、储液罐、过滤器、电子膨胀阀以及电子自动控制器等部件构成。蒸发器和冷凝器均是换热器设备，而节流器主要为膨胀阀。
性能参数
空气源式热水机的试验工况
水源式热水机的试验工况
优缺点
空气源热泵热水机
缺点
（1）空气的比热较小，在换热过程中需要较大的换热器面积。
（2）空气参数（温度、湿度）随地域、季节和昼夜均有很大变化，其变化规律对空气热源热泵的设计与运行有重要影响。
（3）空气流经蒸发器被冷却时，在蒸发器表面会凝露甚至结霜（低温时）。蒸发器表面微量凝露时，可增强传热效率 50% - 60%，但阻力有所增加。当蒸发器表面结霜时，不仅流动阻力增大，而且热阻随霜层的增加而提高。环境温度低、相对湿度高时易结霜；当室外温度很低，且空气中含湿量比较低时，结霜并不严重。除霜时，热泵不仅不供热，还要消耗热量。
优点
（1）空气源充足，空气能广泛存在，可以自由提取和利用，不受限制，特别适合用于普通家庭。
（2）运行时无任何排放及污染，符合环保要求。由于空气一般不具有腐蚀性，因此换热设备不需要特殊处理。
（3）热泵热水机的结构简单，设计和使用非常方便，运行可靠。
水源热泵热水机
优点
（1）水的比热容大，传热性能好，因而换热设备较为紧凑。在同样的换热能力条件下，水源热泵需要的换热设备尺寸小。
（2）水温一般较稳定，特别是地下水资源，从而可使热泵运行性能良好。
缺点
（1）必须靠近水源，或必须有一定的蓄水装置。
（2）对水质有一定的要求，输送管路和换热器的选择必须先经过水质分析，才能防止可能出现的腐蚀。
（3）在选用换热设备方面，需要考虑采用比较耐腐蚀的材料，这样会增加设备的成本。
相关标准
安全标准
性能标准
现行的国家标准：GB 29541-2013《热泵热水机(器)能效限定值及能效等级》
应用领域
泳池恒温是提升用户体验的关键因素之一，而传统的加热方式往往能耗高、运行成本大。AQUA爱克泳池空气源恒温热泵采用先进的热泵技术，能够高效地从空气中提取热量，为泳池提供稳定的恒温加热，确保泳池水温始终保持在舒适范围内。该设备的使用大幅减少了传统加热方式所需的能源消耗，不仅高效节能，对环境友好，还符合现代健身场所对绿色环保的高要求。值得一提的是，对于健身场所而言，这既是对社会责任的践行，也是提升品牌形象的重要举措。
三集一体室内泳池热泵集池水加热、除湿和空调功能于一体，能够大量回收并综合利用能量，维持泳池的恒温恒湿状态，有效克服高湿、高氯环境等带来的诸多问题。它通过切换春夏秋冬不同季节的运行模式，实现高效节能运行。
其工作原理简而言之，就是将池水表面蒸发的热损回收利用，并将其转移到池水和空气中，以弥补池水和空气的热损，同时实现空气调节和除湿功能。此外，系统还会补入一部分新风送入室内，确保室内空气品质良好且不会结露。其工作程序大致可分为两步： 第一步，室内热湿空气先经过热交换器与室外新风进行热交换，转变为暖湿空气。随后，暖湿空气流经蒸发器，温度降低，水汽凝结成冷水滴从空气中分离出来，使空气变得干爽，从而实现空气除湿功能。同时，空气冷却、水汽凝结以及冷却过程中释放出的热能（包括潜热和显热）会被冷媒吸收。 第二步，冷媒吸收的热能中，潜热部分经热交换器用于加热池水，实现池水加热功能；显热部分（余热）则经空气冷凝器加热冷却后的室内空气，实现空气保温功能。当冬季热泵回收的热能无法满足需求时，由辅助空气加热器补充提供室内热空气所需的热能。
热泵仅需提供自身运行所需的电能，就能按照上述工作程序不断循环运行，以较低的能耗实现池水加热、空调、除湿三大功能。
2025年，国家发展改革委、工业和信息化部等六部门印发《推动热泵行业高质量发展行动方案》，其中提出鼓励在寒冷和夏热冬冷地区推广应用空气源热泵。热泵是一种高效能量转换装置，通过消耗少量电力将低品位热能转化为高品位热能，可有效解决生产生活用热需求，提高能源利用效率。《行动方案》提出因地制宜加大热泵推广应用，其中要求统筹推进建筑领域应用。鼓励在寒冷和夏热冬冷地区推广应用空气源热泵。因地制宜推动中深层地源、地表水源热泵规模化应用，满足建筑采暖和制冷需求。加强清洁取暖供应保障，支持选用地源、水源、空气源、余热源等类型热泵替代燃煤锅炉和散煤燃烧。在学校、医院、宾馆、办公楼等公共建筑领域推广应用热泵热水器等设备，鼓励有条件的居住建筑安装使用热泵热水器，替代燃气、电直热等热水装置。空气源热泵机组性能不低于国家标准《热泵和冷水机组能效限定值及能效等级》的能效要求，逐步减少电辅热装置使用。
参考资料
【热泵大会报告】热泵热水机（器）质量分析报告.微信公众平台.2025-04-03
热泵.《中国大百科全书》第三版网络版.2025-04-06
标准号:GB/T 21362-2023.国家标准全文公开系统.2025-04-06
国家标准.国家标准全文公开系统.2025-04-06
株洲健身恒温游泳馆启用AQUA爱克泳池设备，推动绿色健康潮流.百家号.2025-04-03
六部门：鼓励在寒冷和夏热冬冷地区推广应用空气源热泵.百家号.2025-04-06