1、热泵一、 科技名词定义1、 中文名称：热泵 2、 英文名称：heat pump 3、 定义 1：从低温热源吸热送往高温热源的循环设备。 4、 所属学科：电力（一级学科）；通论（二级学科） 5、 定义 2：以消耗一部分低品位能源（机械能、电能或高温热能）为补偿，使热能从低温热源向高温热源传递的装置。其实质是借助降低一定量的功的品位，提供品位较低而数量更多的能量。由于热泵能将低温热能转换为高温热能，提高能源的有效利用率，因此是回收低温余热、利用环境介质（地下水、地表水、土壤和室外空气等）中储存的能量的重要途径。6、 所属学科：资源科技（一级学科）；能源资源学（二级学科） 7、 百科名片热泵技术是近
2、年来在全世界倍受关注的新能源技术。人们所熟悉的“泵”是一种可以提高位能的机械设备，比如水泵主要是将水从低位抽到高位。而“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。二、 工作原理热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置。通常用于热泵装置的低温热源改是我们周围的介质空气、河水、海水，或者是从工业生产设备中排出助工质，这些工质常与周围介质具有相接近的温度。热泵装置的工作原理与压缩式制冷机是一致的；在小型空调器中，为了充分发挥它的效能，在夏季空调降温或在冬季取暖，都是使用同一套设备来完成的。在冬季取暖时，将空温器中的蒸发器与冷凝器通
3、过一个换向阀来调换工作，见图 1。 图 1 热 泵 工 作 原 理 图由图 1 中可看出，在夏季空调降温时，按制冷工况运行，由压缩机排出的高压蒸汽，经换向阀(又称四通阀)进入冷凝器，制冷剂蒸汽被冷凝成液体，经节流装置进入蒸发器，并在蒸发器中吸热，将室内空气冷却，蒸发后的制冷剂蒸汽，经换向阀后被压缩机吸入，这样周而复始，实现制冷循环。在冬季取暖时，先将换向阀转向热泵工作位置，于是由压缩机排出的高压制冷剂蒸汽，经换向阀后流入室内蒸发器(作冷凝器用)，制冷剂蒸汽冷凝时放出的潜热，将室内空气加热，达到室内取暖目的，冷凝后的液态制冷剂，从反向流过节流装置进入冷凝器(作蒸发器用)，吸收外界热量而蒸发，蒸发
4、后的蒸汽经过换向阀后被压缩机吸入，完成制热循环。这样，将外界空气(或循环水)中的热量“泵”入温度较高的室内，故称为“热泵”。上海冰箱厂生产的 CKT 一 3A 型窗式空调器，就是一种热泵式空调器。 在图 1 的热泵循环中，从低温热源(室外空气或循环水，其温度均高于蒸发温度 to)中取得 Q0kcalh 的热量，消耗了机械功 ALkcalh，而向高温热源(室内取暖系统) 供应了 Qlkcalh 的热量，这些热量之间的关系是符合热力学第一定律的，即 Q1Q 0十 AL kcalh 如果不用热泵装置，而用机械功所转变成的热量(或用电能直接加热高温热源，则所得的热量为 ALkcalh，而用热泵装置后，
5、高温热源(取暖系统)多获得了热量： Q1ALQ 0， kcalh 此一热量是从低温热源取得的，如果不用热泵装置，就无法取得这一热量。故用热泵装置旨可节省燃料，又可利用余热。 热泵的工作循环与热机的工作循环正好相反，热机是利用高温热源的能量来产生机械功的，而热泵是靠消耗机械功将低温热源的热量转移到高温物体中去。若热泵与热机具有两个相同的热源温度，则 热机循环的热效率 =ALQ1 热机循环的能量指标-热量转换系数 =Q1AL 故 =1 。 值总是小于 1 的，故 值是大于 1 的。 若制冷机与热泵具有两个相同的热源温度，则它们之间的关系为： =Q 1AL=Q 0+ALAL=+1， 是制冷机的制冷系
6、数。由此可看出，热量转换系数的最小值是吁1，在此极限情况下 Q。o，即没有从低温热源吸取热量。 作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温区流向低温区。但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体），其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。 热泵在工作时，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，通过传热工质循环系统提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出
7、功中的一小部分，因此，采用热泵技术可以节约大量高品位能源。 图 2在运行中，蒸发器从周围环境中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了储水箱中的水。冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。 余热利用的强力工具-热泵 水从高处流向低处，热由高温物全传递到低温物体，这是自然规律。然而，在现实生活中，为了农业灌溉、生活用水等的需要，人们利用水泵将水从低处送到高处。同样，在能源日益紧张的今天，为了回收通常排到大气中的低温热气、排到河川中的低温热水等中的热量，热泵被用来将低温物体中的热能传送高温物体中，
8、然后高温物体来加热水或采暖，使热量得到充分利用。 图 3 热 泵 蒸 发 流 程 图热泵的工作原理和家用空调、电冰箱等的工作原理基本相同，通过流动媒体(以前一般为氟利昂，现在由替代氟利昂所代替)在蒸发器、压缩机，冷凝器和膨胀阀等部品中的气相变化(沸腾和凝结)的循环来将低温物体的热量传递到高温物体中去。? 具体工作过程如下：过热液体媒体在蒸发器内吸收低温物体的热量，蒸发成气体媒体。蒸发器出来的气体媒体经过液压缩机的压缩，变为高温高压的气体媒体。高温高压的气体媒体在冷凝器中将热能释放给给高温物体、同时自身变为高压液体媒体。高压液体媒体在膨胀阀中减压，再变为过热液体媒体，进入蒸发器，循环最初的过程。
9、 热泵的性能一般用制冷系数(COP)来评价。制冷系数的定义为由低温物体传 到高温牧体的热量与所需的动力之比。通常热泵的制冷系数为 3-4 左右，也就是说，热泵能够将自身所需能 量的 3 到 4 倍的热能从低温物体传送到高温物体。现在欧美日都 在竞相开发新型的热泵。据报导新型的热泵的制冷系数可 6 到 8。如果这一数值能够得到普及的话，这意味着能源将得到更有效的利用。热泵的普及率也将得到惊人的提高。 由于氟利昂对地球大气臭氧有破坏作用，为了保护地球的生态环境，除了提高热泵的成现系数，有效利用能源以外，各国科学还致力于新型冷媒的开发。目前已有替代氟利昂的冷媒得到应用。 热泵热水系统包括热泵主机和换
10、热储水箱两部分。热泵主机部分包括风冷式蒸发器、压缩机及膨胀阀；换热储水箱为内置冷凝盘管的储热水箱。冷媒(工质)在蒸发管内吸收环境空气中的热量，通过热泵循环由冷凝盘管在水箱内释放热量，加热水箱中的水。 要搞清楚热泵的工作原理，首先要懂得制冷系统的工作原理。制冷系统（压缩式制冷）一般由四部分组成：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。其工作过程为：低温低压的液态制冷剂（例如氟利昂），首先在蒸发器里从低温热源（例如冷冻水）吸热并气化成低压蒸气。然后制冷剂气体在压缩机内压缩成高温高压的蒸气，该高温高压气体在冷凝器内被高温热源（例如冷却水）冷却凝结成高压液体。再经节流元件（毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等）节
11、流成低温低压液态制冷剂。如此就完成一个制冷循环。 对于一台分体式热泵空调来说，夏天制冷时就是以室外机为冷凝器、室内机为蒸发器，运行时就把室内的热量输送到了室外。而冬季则以室内机为冷凝器、室外机为蒸发器，这样就把室外的热量输送到了室内，通常这些是通过四通换向阀来实现的。 图 4热泵空调里面有一个四通换向阀。在制冷工况下，室内热交换器就是蒸发器，室外热交换器（夏天往外呼呼出热风的那个东西）就是冷凝器。冬季供热的时候，四通换向阀切换，改变冷媒的流向，此时，室内热交换器就是冷凝器，室外热交换器（冬天往外呼呼出冷风的那个东西）就是蒸发器。由于冬季往外出冷风，换热器要结霜，所以等结霜到一定程度时，四通换向
12、阀再切换，空调变成夏季制冷工况，室外热交换器得到热量，化霜，化霜完毕后，四通阀再切换到制热状态。除霜时，为了防止向室内吹冷风，故室内机的风机停止运转。(当然这种逆向除霜对舒适性有一定影响，所以又有了热气旁通除霜、蓄热除霜等不需要切换工况的方式) 热泵是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统，它被形象的称为“热量倍增器”。目前在市场上广泛出现的家用冷暖空调器上，就已经广泛地应用了热泵制热，其制热系数已高达 3 以上。那么，利用热泵的原理来制取热水，消耗一度电所获得的热水，比普通电热水器消耗三度电所获得的热水还要多，这是传统热水器所不能企及的。 三、 热泵热水器1、 种类目 前 市 场 上 热 泵 热
13、 水 器 种 类 很 多 ， 主 要 有 太 阳 能 助 推 型 、 水 源 和 空 气 源 三 种 系 列 。太 阳 能 助 推 式 热 泵 是 热 泵 与 太 阳 能 技 术 结 合 使 用 的 一 种 热 泵 技 术 ； 水 源 热 泵 是 利 用 一 定温 度 的 水 源 (20 以 上 )作 为 热 源 以 制 冷 剂 为 媒 介 ， 将 水 源 中 的 热 量 吸 收 后 经 压 缩 机 压 缩制 热 ， 通 过 热 交 换 器 与 冷 水 交 换 热 量 以 达 到 取 暖 和 制 取 热 水 的 目 的 ,水 源 热 泵 必 须 有一 定 温 度 和 流 量 的 水 源 ； 空
14、 气 源 热 泵 以 水 源 热 泵 类 似 方 法 从 空 气 获 得 热 量 来 加 热 水 。 三种 热 泵 中 ， 空 气 源 热 泵 受 到 的 条 件 限 制 最 小 ， 发 展 空 间 最 大 ， 因 此 本 文 着 重 对 空 气源 热 泵 热 水 器 进 行 分 析 讨 论 。 2、 基本原理热 泵 热 水 器 的 基 本 原 理 ： 它 主 要 是 由 压 缩 机 、 热 交 换 器 、 轴 流 风 扇 、 保 温 水 箱 、 水泵 、 储 液 罐 、 过 滤 器 、 电 子 膨 胀 阀 和 电 子 自 动 控 制 器 等 组 成 。 接 通 电 源 后 ， 轴 流 风 扇
15、 开始 运 转 ， 室 外 空 气 通 过 蒸 发 器 进 行 热 交 换 ， 温 度 降 低 后 的 空 气 被 风 扇 排 出 系 统 ， 同 时 ，蒸 发 器 内 部 的 工 质 吸 热 汽 化 被 吸 入 压 缩 机 ， 压 缩 机 将 这 种 低 压 工 质 气 体 压 缩 成 高 温 、 高压 气 体 送 入 冷 凝 器 ， 被 水 泵 强 制 循 环 的 水 也 通 过 冷 凝 器 ， 被 工 质 加 热 后 送 去 供 用 户 使 用 ，而 工 质 被 冷 却 成 液 体 ， 该 液 体 经 膨 胀 阀 节 流 降 温 后 再 次 流 入 蒸 发 器 ， 如 此 反 复 循 环
16、 工 作 ，空 气 中 的 热 能 被 不 断 “泵 ”送 到 水 中 ， 使 保 温 水 箱 里 的 水 温 逐 渐 升 高 ， 最 后 达 到 55左 右 ， 正 好 适 合 人 们 洗 浴 ， 这 就 是 空 气 源 热 泵 热 水 器 的 基 本 工 作 原 理 。 空 气 源 热 泵 是 当 今 世 界 上 最 先 进 的 能 源 利 用 产 品 之 一 。 随 着 经 济 的 快 速 发 展 与 人 们 生 活品 位 的 提 高 ， 生 活 用 热 水 已 成 为 人 们 的 生 活 必 需 品 ， 然 而 传 统 的 热 水 器 （ 电 热 水 器 ， 燃油 、 气 热 水 器
17、） 具 有 能 耗 大 、 费 用 高 、 污 染 严 重 等 缺 点 ； 而 节 能 环 保 型 太 阳 能 热 水器 的 运 行 又 受 到 气 象 条 件 的 制 约 。 空 气 源 热 泵 的 供 热 原 理 与 传 统 的 太 阳 能 热 水 器 截 然 不同 ， 空 气 源 热 泵 以 空 气 、 水 、 太 阳 能 等 为 低 温 热 源 ， 空 气 源 热 泵 以 电 能 为 动 力 从 低 温 侧吸 取 热 量 来 加 热 生 活 用 水 ， 热 水 通 过 循 环 系 统 直 接 送 入 用 户 作 为 热 水 供 应 或 利 用 风机 盘 管 进 行 小 面 积 采 暖
18、。 空 气 源 热 泵 是 目 前 学 校 宿 舍 、 酒 店 、 洗 浴 中 心 等 场 所 的 大 、中 、 小 热 水 集 中 供 应 系 统 的 最 佳 解 决 方 案 .四、 热泵工业发展历史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 ， 热 泵 的 用 途 也 在 不 断 的 开 拓 ， 广 泛 应 用 于 空 调 和工 业
19、领 域 ， 在 能 源 的 节 约 和 环 境 保 护 方 面 起 着 重 大 的 作 用 。 相 对 世 界 热 泵 的 发 展 ， 中 国 热 泵 的 研 究 工 作 起 步 约 晚 20-30 年 左 右 。 新 中国 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 。 进 入21 世 纪 后 ， 由 于 中 国 沿 海 地 区 的 快 速 城 市 化 、 人 均 GDP 的 增 长 、 2008 年 北京 奥 运 会 和 2010 年 上 海 世 博 会 等 因 素 拉 动 了 中 国 空 调 市 场 的 发 展 ， 促
20、进 了热 泵 在 中 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 。 从 2001 年 热 泵 起 步 开 始 ， 经 过 5 年 的 培 育 ， 中 国 热 泵 行 业 开 始 从 导 入期 转 入 成 长 期 。 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 。五、 空气源热泵1、 原理空 气 源 热 泵 在 运 行 中 ， 蒸 发
21、 器 从 空 气 中 的 环 境 热 能 中 吸 取 热 量 以 蒸 发 传 热 工 质 ， 工质 蒸 气 经 压 缩 机 压 缩 后 压 力 和 温 度 上 升 ， 高 温 蒸 气 通 过 永 久 黏 结 在 贮 水 箱 外 表 面 的 特 制环 形 管 冷 凝 器 冷 凝 成 液 体 时 ， 释 放 出 的 热 量 传 递 给 了 空 气 源 热 泵 贮 水 箱 中 的 水 。 冷 凝 后的 传 热 工 质 通 过 膨 胀 阀 返 回 到 蒸 发 器 ， 然 后 再 被 蒸 发 ， 如 此 循 环 往 复 。 空 气 源 热 泵 传 热 工 质 是 一 种 特 殊 物 质 ， 常 压 下
22、其 沸 点 为 零 下 40 ,凝 固 点 为 零 下100 以 下 ， 该 物 质 冷 的 时 候 是 液 体 ， 但 很 容 易 被 蒸 发 成 气 体 ， 反 之 亦 然 。 在 实 际 运 行中 ， 空 气 源 热 泵 中 传 热 工 质 的 蒸 发 极 限 温 度 为 零 下 20 左 右 ， 因 此 5 的 环 境 温 度 对如 此 低 的 温 度 也 是 “热 ”的 ， 甚 至 下 雪 的 温 度 ， 比 如 说 0 ， 相 比 之 下 也 是 热 的 ， 因 此 ，仍 可 交 换 一 些 热 能 。 第 五 代 加 热 系 统 与 环 境 热 泵 技 术 2、 历史1824 年
23、 法 国 科 学 家 卡 诺 (Sadi karnot)发 表 卡 诺 循 环 理 论 ,成 为 热 泵 技 术 的 起 源 1850 年 英 国 科 学 家 开 尔 文 （ L.Kelvin)提 出 将 逆 卡 诺 循 环 用 于 加 热 的 热 泵 设 想 热 泵 的 理 论 起 源 于 十 九 世 纪 早 期 法 国 科 学 家 萨 迪 .卡 诺 (Sadi karnot)， 卡 诺 在 1824 年 首 次 以 论 文 提 出 “卡 诺 循 环 ”理 论 ， 30 年 后 ， 英 国 科 学 家 开 尔 文 （ L.Kelvin)于1850 年 初 提 出 :冷 冻 装 置 可 以 用
24、 于 加 热 ， 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 年 代到 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
25、。 21 世 纪 ， 随 着 “ 能 源 危 机 ”出 现 ， 燃 油 价 格 忽 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 ， 重 新 登 上 历 史 舞 台 ， 成 为 当 前 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 （ Heat Pump Programme） ， 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
26、政 府 均 发 出 专 门 官 方 指 引 ， 促 进 热 泵 技 术 的 社 会 应 用 。 3、 热泵技术的先进性节 能 : 热 效 率 460%, 运 行 费 用 是 燃 气 、 燃 油 锅 炉 的 1/3， 是 电 热 水 器 的 1/4， 比太 阳 能 低 40%。 安 全 : 水 电 分 离 ， 无 漏 电 危 险 适 用 : -550 环 境 环 保 : 无 废 热 、 废 水 、 废 气 注 ： 但 是 ， 目 前 我 国 大 部 分 厂 家 所 采 用 的 热 媒 （ 冷 媒 ） 还 是 R22， 采 用 环保 热 媒 （ 冷 媒 ） R417A、 1394A 的 时 代 还
27、 未 到 来 。 而 日 本 等 一 些 国 家 已 率 先 采 用CO2 作 为 热 媒 （ 冷 媒 ） ， 不 对 臭 氧 层 造 成 破 坏 （ 所 以 在 安 装 时 ， 铜 管 务 必 要 连 接 紧 密 ，防 止 R22 漏 出 。 若 R22 完 全 不 漏 出 ， 将 对 环 境 无 任 何 负 面 影 响 ） 。 另 外 ， 以 上 所 述 的R22、 R417A、 1394A、 CO2 皆 对 人 体 不 造 成 伤 害 的 ， 即 使 有 漏 出 ， 整 套 热 水 设 备 都 是安 全 的 。六、 热泵的分类：热 泵 按 热 源 获 取 来 源 的 种 类 可 分 为 ： 水 源 热 泵 ， 地 源 热 泵 ， 空 气 源 热 泵 ， 双 源 热 泵 （ 水源 热 泵 和 空 气 源 热 泵 结 合 ）
