熱泵HeatPump

什么是熱泵？

熱泵技術是近年來在全世界倍受關注的新能源技術。人們所熟悉的“泵”是一種可以提高位能的機械設備，比如水泵主要是將水從低位抽到高位。而“熱泵”是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經過電力做功，提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。

熱泵的工作原理

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，然后再被蒸發，如此循環往復。

余熱利用的強力工具--熱泵

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。

熱泵的工作原理和家用空調、電冰箱等的工作原理基本相同，通過流動媒體(以前一般為氟利昂，現天上由替代氟利昂所代替)在蒸發器、壓縮機，冷凝器和膨脹閥等部品中的氣相變化(沸騰和凝結)的循環來將低溫物體的熱量傳遞到高溫物體中去。

具體工作過程如下：①過熱液體媒體在蒸發器內吸收低溫物體的熱量，蒸發成氣體媒體。②蒸發器出來的氣體媒體液壓縮機的壓縮，變為高溫高壓的氣體媒體。③高溫高壓的氣體媒體在冷凝器中將熱能釋放給給高溫物體、同時自身變為高壓液體媒體。④高壓液體媒體在膨脹閥中減壓，再變為過熱液體媒體，進入蒸發器，循環最初的過程。

熱泵的性能一般用成績系數(COP)來評價。成績系數的定義為由低溫物體傳到高溫牧體的熱量與所需的動力之比。通常熱泵的成績系數為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?，F在歐美日都在競相開發新型的熱泵。據報導新型的熱泵的成績系數可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。目前熱泵的最高出力溫度為110度左右。超過這個溫度將有可能出現使媒體分解的危險。

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，除了提高熱泵的成現系數，有效利用能源以外，各國科學還致力于新型冷凍媒體的開發。目前已有替代氟利昂的媒體得到應用。

熱泵熱水系統包括熱泵主機和換熱儲水箱兩部分。熱泵主機部分包括風冷式蒸發器、壓縮機及膨脹閥；換熱儲水箱為內置冷凝盤管的儲熱水箱。冷媒(工質)在蒸發管內吸收環境空氣中的熱量，通過熱泵循環由冷凝盤管在水箱內釋放熱量，加熱水箱中的水。

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），首先在蒸發器里從低溫熱源（例如冷凍水）吸熱并氣化。然后壓縮機抽取蒸發器里氣化后的制冷劑氣體并壓縮到冷凝器內，此時制冷劑氣體變成高溫高壓氣體。該高溫高壓氣體在冷凝器內被高溫熱源（例如冷卻水）冷卻凝結成液體，變成高溫高壓液體制冷劑。再經節流閥截流成低溫低壓液態制冷劑。如此就完成一個制冷循環。

對于一臺分體式熱泵空調來說，夏天制冷時就是把冷凝器放在室外，而把蒸發器放在室內。運行時就把室內的熱量輸送到了室外。而冬季則把蒸發器放在室外，把冷凝器放在室內，這樣就把室外的熱量輸送到了室內。當然我們不會換季時去拆裝設備了，而是通過體格轉換閥使蒸發器和冷凝器換位的。

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。

熱泵是以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統，它被形象的稱為“熱量倍增器”。目前在市場上廣泛出現的家用冷暖空調器上，就已經廣泛地應用了熱泵制熱，其制熱系數已高達3以上。那么，利用熱泵的原理來制取熱水，消耗一度電所獲得的熱水，比普通電熱水器消耗三度電所獲得的熱水還要多，這是傳統熱水器所不能企及的。

目前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最小，發展空間最大，因此本文著重對空氣源熱泵熱水器進行分析討論。

熱泵熱水器的基本原理：它主要是由壓縮機、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，最后達到55℃左右，正好適合人們洗浴，這就是空氣源熱泵熱水器的基本工作原理。

空氣源熱泵是當今世界上最先進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?？諝庠礋岜玫墓嵩砼c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最佳解決方案.

熱泵工業發展歷史

20世紀70年代以來，熱泵工業進入了黃金時期，世界各國對熱泵的研究工作都十分重視，諸如國際能源機構和歐洲共同體，都制定了大型熱泵發展計劃，熱泵新技術層出不窮，熱泵的用途也在不斷的開拓，廣泛應用于空調和工業領域，在能源的節約和環境保護方面起著重大的作用。

相對世界熱泵的發展，中國熱泵的研究工作起步約晚20-30年左右。新中國成立后，隨著工業建設新高潮的到來，熱泵技術才開始引入中國。進入21世紀后，由于中國沿海地區的快速城市化、人均GDP的增長、2008年北京奧運會和2010年上海世博會等因素拉動了中國空調市場的發展，促進了熱泵在中國的應用越來越廣泛，熱泵的發展十分迅速，熱泵技術的研究不斷創新。

從2001年熱泵起步開始，經過5年的培育，中國熱泵行業開始從導入期轉入成長期。熱泵行業快速發展，一方面得益于能源緊張使得熱泵節能優勢越來越明顯，另一方面與多方力量的加入推動行業技術創新有很大關系。

空氣源熱泵

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，高溫蒸氣通過永久黏結在貯水箱外表面的特制環形管冷凝器冷凝成液體時，釋放出的熱量傳遞給了空氣源熱泵貯水箱中的水。冷凝后的傳熱工質通過膨脹閥返回到蒸發器，然后再被蒸發，如此循環往復。

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。

第五代加熱系統與環境熱泵技術

1824年法國科學家卡諾(Sadikarnot)發表卡諾循環理論,成為熱泵技術的起源

1850年英國科學家開爾文提出將逆卡諾循環用于加熱的熱泵設想

熱泵的理論起源于十九世紀早期法國科學家薩迪.卡諾(Sadikarnot)，卡諾在1824年首次以論文提出“卡諾循環”理論，30年后，英國科學家開爾文于1850年初提出:冷凍裝置可以用于加熱，之后許多科學家和工程師對熱泵進行了大量研究，研究持續80年之久。

1912年瑞士的蘇黎世成功安裝一套以河水作為低位熱源的熱泵設備用于供暖，這是早期的水源熱泵系統，也是世界上第一套熱泵系統。熱泵工業在20世紀40年代到50年代早期得到迅速發展，家用熱泵和工業建筑用的熱泵開始進入市場，熱泵進入了早期發展階段。

21世紀，隨著“能源危機”出現，燃油價格忽升，經過改進發展成熟的熱泵以其高效回收低溫環境熱能，節能環保的特點，重新登上歷史舞臺，成為當前最有價值的新能源科技。

前國際熱能署專門成立國際熱泵中心，設立熱泵推廣工程（HeatPumpProgramme），向世界上各國推廣協調熱泵技術的應用和發展。美、加、瑞典、德、日、韓等國政府均發出專門官方指引，促進熱泵技術的社會應用。

熱泵技術的先進性

節能:熱效率460%,運行費用是燃氣、燃油鍋爐的1/3，是電熱水器的1/4，比太陽能低40%。

安全:水電分離，無漏電危險

適用:-15~50℃環境

環保:無廢熱、廢水、廢氣