热泵的工作原理和特点

第一节　热泵的工作原理和特点

一、热泵工作原理

热量只能自发地从高温物体传递到低温物体中去，不能自发地沿相反方向进行。根据热力学第二定律，如果以机械功为补偿条件，热量可以从低温物体转移到高温物体中去，这种靠补偿或消耗机械功，迫使热量从低温物体流向高温物体的机械装置，称为“热泵”。它是一种以冷凝器放出的热量对被调节环境进行供热的一种空调系统，把热从低位势(低温端)抽升到高位势(高温端)排放，使能量从低位热源向高位热源转移的制冷/热装置。

就热力学循环过程而言，制冷机和热泵都是基于逆循环而实现其功能的。由于这两类装置在运行过程中，总是一侧吸热(制冷)，另一侧排热(制热)。即:一台装置伴生并兼具制冷和制热两种功能，因此制冷机实质上也就是热泵。两者的主要区别在于:①着眼点不同。如果仅着眼于利用低温端的吸热效应，习惯上就称为制冷机;如果只着眼于其高温端放热效应的利用，或者除用于制冷外，还定期通过切换而利用其高温端的放热效应，则习惯上便称为热泵。②系统工作的温度区域不同。热泵是将环境温度作为低温热源，将被调节对象作为高温热源;制冷机则是将环境温度作为高温热源，将被调节对象作为低温热源。

热泵技术问世已有上百年，它之所以能获得这么高的关注度主要在于:一是它能以消耗少量的不可再生能源为代价，从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，提供可被人们所利用的高品位热能，其用能方式符合能量匹配的科学用能原则，并且对环境的污染最小;二是它在一定条件下可以逆向使用，既可供热，也可制冷，或者冷热兼备，做到一机多用。

二、热泵的种类

按热量的来源，热泵可分为空气源热泵(Air－Source Heat Pump，ASHP)和水源热泵(Water－Source Heat Pump，ASHP)两大类。

1.空气源热泵(ASHP)

空气源热泵是利用室内空气中的能量，从低位热源向高位热源转移的制冷、制热装置。按供热/供冷方式可分为两类:空气－水热泵机组、空气－空气热泵机组。

空气－水热泵机组是利用室外空气作热源，依靠室外空气侧换热器(此时作蒸发器用)吸取室外空气中的热量，把它传输至水侧换热器(此时作冷凝器)，制备热水作为供暖热媒。在夏季，则利用空气侧换热器(此时作冷凝器用)向外排热，于水侧换热器(此时作蒸发器用)制备冷水。所得热/冷水通过管路系统传输至较远的用热/冷设备。通过换向阀切换，改变制冷剂在制冷环路中的流动方向，实现冬、夏工况的转换。常用的产品包括有整体式热泵冷热水机组、组合式热泵冷热水机组和模块式热泵冷热水机组。

空气－空气热泵机组在按制热工况运行时，那是循着室外空气—制冷剂—室内空气的途径，吸取室外空气中的热量，以热风形式传送并散发于室内;按制冷工况运行时，则正好相反，吸取室内热量散发于室外。常用的产品包括有:窗式空调器、家用定/变频分体式空调器、商用分体式空调器、一台室外机拖多台室内机组、多联式空调系统、屋顶式空调器。

热泵空调器已占到家用空调器销量的40%～50%，年产为400余万台。多联式空调系统和热泵冷热水机组自20世纪90年代初开始，在夏热冬冷地区得到了广泛应用，而且应用范围继续扩大并有向北移动的趋势。

2.水源热泵(WSHP)

水源热泵是一种采用循环流动于共用管路中的水，从水井、湖泊或河流中抽取的水或在地下盘管中循环流动的水为冷(热)源，制取冷(热)水的设备，包括一个使用侧换热设备、压缩机、热源侧换热设备，具有单制冷或制冷和制热功能。

根据《水源热泵机组》(GB/T 19409—2003)规定，按冷热源类型的不同，水源热泵可分为地下水式水源热泵(地下水式地源热泵系统和地表水式地源热泵系统)、地下环路式水源热泵(地埋管地源热泵系统)、水环式水源热泵(水环热泵)。

虽然目前空气源热泵在我国有着相当广泛的应用，但它存在着热泵供热量随着室外气温的降低而减少和结霜问题，而水源热泵克服了以上不足，而且运行可靠性又高，近年来国内应用有逐渐扩大的趋势。

三、热泵技术的发展

1.国外热泵技术的发展

热泵技术的发展经历了近两个世纪。1824年卡诺首先提出卡诺循环理论之后，1852年开尔文提出了具体热泵的设计，1917年德国卡赛伊索达制造厂首次制作成功了热泵设备，应用到工业生产过程中。由于相对于传统的采暖设备，早期热泵设备的一次性投资高，且冬季运行时需要辅助电加热以除去蒸发器表面的霜，并且用于热泵的电能当时由于发电效率低而价格很高，加上传统采暖设备所用的燃料价格相对便宜，因此应用热泵技术来采暖在经济上并不合算，这些原因无疑阻碍了早期热泵技术在西方发达国家的推广和应用。

20世纪50年代后，电能成本不断降低，而燃料价格不断上涨，相对于传统的采暖设备，采用热泵技术的成本不断下降。于是，随着大量的公共建筑和工业快速发展，在应用空调系统进行夏季温湿度控制的基础上，通过深入研究并应用热泵技术，可在增加少量成本的情况下，进行冬季温度控制。于是国外研究学者又开始积极研究并深入分析热泵技术，并有了突飞猛进的发展，这段时间研究最集中的是蒸汽压缩式热泵，目前已在国内外获得广泛应用，也已有系列化产品。

20世纪70年代的全球性能源危机，燃料价格大幅度上涨，使传统采暖系统价格也随之上涨，进一步促进了热泵的研究和应用。欧洲各国和前苏联、日、美、澳等发达国家对热泵研究工作十分重视，均投入了大量的资金致力于更经济、输出温度更高、更为先进的新型热泵的开发应用。

随着节能环保意识的增强，热泵技术已经获得越来越多的利用。许多国家以推广应用热泵技术作为减少CO₂排放、降低能源消耗的一种手段。迄今为止，世界上有近12%的地热能源直接用于热泵，尤其是美国，直接用于热泵的地热能占美国总热能的59%，土壤源热泵的应用就从20世纪90年代的18%发展到了21世纪初的30%，这些都为地源热泵的发展提供了很好的条件。可见，热泵技术有着很好的发展态势。

2.国内热泵技术的发展

我国热泵的应用与发展分为以下几个阶段:早期热泵的应用与发展期(1966年以前)、热泵应用与发展的断裂期(1966—1977年)、热泵应用与发展的全面复苏期(1978—1988年);热泵应用与发展的兴旺期(1989—1999年)、热泵应用与发展的全盛期(2000年至今)。

早期热泵的应用与发展期，我国仅有部分研究学者对热泵进行理论研究工作，较少用于工程实践。热泵应用与发展的断裂期，由于历史原因的影响，热泵工作的研究处于停滞状态。热泵应用与发展的全面复苏期，中国的热泵发展迎来了新时期，在了解世界各国热泵应用与发展的现状的基础上，追踪国外热泵研究动态，探讨了我国热泵技术的发展方向问题。研究工作主要集中于国外的热泵空调技术在我国应用的可行性研究。国外知名热泵生产厂家也开始来中国投资建厂。这些工作初步形成了我国热泵工业发展的基础，为迎接新的发展打下坚实基础，积蓄了发展我国热泵的力盘。热泵应用与发展的兴旺期，我国暖通空调领域掀起一股“热泵热”。热泵的应用与发展紧跟时代，迎来了新的发展里程，在热泵理论研究、实验研究、产品开发、工程应用诸方面取得可喜成果。窗式热泵空调器、分体式热泵空调器有突飞猛进的发展，热泵新产品不断涌现，20世纪90年代初开始大量生产空气源热泵冷热水机组，90年代中期开发出井水源热泵冷热水机组，90年代末又开始出现污水源热泵系统。热泵应用与发展的全盛期，热泵在我国的应用越来越广泛，热泵的发展十分迅速，热泵技术的研究不断创新，热泵的应用、研究空前活跃，硕果累累，除了地下水源热泵、水环热泵、大地耦合热泵、空气源热泵、地表水源热泵外，又有热泵热水器、冷热兼用热泵等新技术和新产品不断问世和应用。

热泵技术是解决建筑领域能源与环境问题的有效措施之一，也是实现我国建筑事业可持续发展的有效途径之一，但发展热泵技术的道路还很艰巨，不仅要加强热泵技术的基础性研究，强调关键技术创新，加强系统集成技术研究，在关键的基础和应用基础研究方面取得突破，以使我国的热泵技术健康发展和科学推广与应用。