第一節(jié)　熱泵的工作原理和特點(diǎn)

一、熱泵工作原理

熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體中去，不能自發(fā)地沿相反方向進(jìn)行。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，如果以機(jī)械功為補(bǔ)償條件，熱量可以從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體中去，這種靠補(bǔ)償或消耗機(jī)械功，迫使熱量從低溫物體流向高溫物體的機(jī)械裝置，稱為“熱泵”。它是一種以冷凝器放出的熱量對被調(diào)節(jié)環(huán)境進(jìn)行供熱的一種空調(diào)系統(tǒng)，把熱從低位勢(低溫端)抽升到高位勢(高溫端)排放，使能量從低位熱源向高位熱源轉(zhuǎn)移的制冷/熱裝置。

就熱力學(xué)循環(huán)過程而言，制冷機(jī)和熱泵都是基于逆循環(huán)而實(shí)現(xiàn)其功能的。由于這兩類裝置在運(yùn)行過程中，總是一側(cè)吸熱(制冷)，另一側(cè)排熱(制熱)。即:一臺裝置伴生并兼具制冷和制熱兩種功能，因此制冷機(jī)實(shí)質(zhì)上也就是熱泵。兩者的主要區(qū)別在于:①著眼點(diǎn)不同。如果僅著眼于利用低溫端的吸熱效應(yīng)，習(xí)慣上就稱為制冷機(jī);如果只著眼于其高溫端放熱效應(yīng)的利用，或者除用于制冷外，還定期通過切換而利用其高溫端的放熱效應(yīng)，則習(xí)慣上便稱為熱泵。②系統(tǒng)工作的溫度區(qū)域不同。熱泵是將環(huán)境溫度作為低溫?zé)嵩?，將被調(diào)節(jié)對象作為高溫?zé)嵩?制冷機(jī)則是將環(huán)境溫度作為高溫?zé)嵩?，將被調(diào)節(jié)對象作為低溫?zé)嵩础?/p>

熱泵技術(shù)問世已有上百年，它之所以能獲得這么高的關(guān)注度主要在于:一是它能以消耗少量的不可再生能源為代價(jià)，從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，提供可被人們所利用的高品位熱能，其用能方式符合能量匹配的科學(xué)用能原則，并且對環(huán)境的污染最小;二是它在一定條件下可以逆向使用，既可供熱，也可制冷，或者冷熱兼?zhèn)?，做到一機(jī)多用。

二、熱泵的種類

按熱量的來源，熱泵可分為空氣源熱泵(Air－Source Heat Pump，ASHP)和水源熱泵(Water－Source Heat Pump，ASHP)兩大類。

1.空氣源熱泵(ASHP)

空氣源熱泵是利用室內(nèi)空氣中的能量，從低位熱源向高位熱源轉(zhuǎn)移的制冷、制熱裝置。按供熱/供冷方式可分為兩類:空氣－水熱泵機(jī)組、空氣－空氣熱泵機(jī)組。

空氣－水熱泵機(jī)組是利用室外空氣作熱源，依靠室外空氣側(cè)換熱器(此時(shí)作蒸發(fā)器用)吸取室外空氣中的熱量，把它傳輸至水側(cè)換熱器(此時(shí)作冷凝器)，制備熱水作為供暖熱媒。在夏季，則利用空氣側(cè)換熱器(此時(shí)作冷凝器用)向外排熱，于水側(cè)換熱器(此時(shí)作蒸發(fā)器用)制備冷水。所得熱/冷水通過管路系統(tǒng)傳輸至較遠(yuǎn)的用熱/冷設(shè)備。通過換向閥切換，改變制冷劑在制冷環(huán)路中的流動方向，實(shí)現(xiàn)冬、夏工況的轉(zhuǎn)換。常用的產(chǎn)品包括有整體式熱泵冷熱水機(jī)組、組合式熱泵冷熱水機(jī)組和模塊式熱泵冷熱水機(jī)組。

空氣－空氣熱泵機(jī)組在按制熱工況運(yùn)行時(shí)，那是循著室外空氣—制冷劑—室內(nèi)空氣的途徑，吸取室外空氣中的熱量，以熱風(fēng)形式傳送并散發(fā)于室內(nèi);按制冷工況運(yùn)行時(shí)，則正好相反，吸取室內(nèi)熱量散發(fā)于室外。常用的產(chǎn)品包括有:窗式空調(diào)器、家用定/變頻分體式空調(diào)器、商用分體式空調(diào)器、一臺室外機(jī)拖多臺室內(nèi)機(jī)組、多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)、屋頂式空調(diào)器。

熱泵空調(diào)器已占到家用空調(diào)器銷量的40%～50%，年產(chǎn)為400余萬臺。多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)和熱泵冷熱水機(jī)組自20世紀(jì)90年代初開始，在夏熱冬冷地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，而且應(yīng)用范圍繼續(xù)擴(kuò)大并有向北移動的趨勢。

2.水源熱泵(WSHP)

水源熱泵是一種采用循環(huán)流動于共用管路中的水，從水井、湖泊或河流中抽取的水或在地下盤管中循環(huán)流動的水為冷(熱)源，制取冷(熱)水的設(shè)備，包括一個(gè)使用側(cè)換熱設(shè)備、壓縮機(jī)、熱源側(cè)換熱設(shè)備，具有單制冷或制冷和制熱功能。

根據(jù)《水源熱泵機(jī)組》(GB/T 19409—2003)規(guī)定，按冷熱源類型的不同，水源熱泵可分為地下水式水源熱泵(地下水式地源熱泵系統(tǒng)和地表水式地源熱泵系統(tǒng))、地下環(huán)路式水源熱泵(地埋管地源熱泵系統(tǒng))、水環(huán)式水源熱泵(水環(huán)熱泵)。

雖然目前空氣源熱泵在我國有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，但它存在著熱泵供熱量隨著室外氣溫的降低而減少和結(jié)霜問題，而水源熱泵克服了以上不足，而且運(yùn)行可靠性又高，近年來國內(nèi)應(yīng)用有逐漸擴(kuò)大的趨勢。

三、熱泵技術(shù)的發(fā)展

1.國外熱泵技術(shù)的發(fā)展

熱泵技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了近兩個(gè)世紀(jì)。1824年卡諾首先提出卡諾循環(huán)理論之后，1852年開爾文提出了具體熱泵的設(shè)計(jì)，1917年德國卡賽伊索達(dá)制造廠首次制作成功了熱泵設(shè)備，應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)過程中。由于相對于傳統(tǒng)的采暖設(shè)備，早期熱泵設(shè)備的一次性投資高，且冬季運(yùn)行時(shí)需要輔助電加熱以除去蒸發(fā)器表面的霜，并且用于熱泵的電能當(dāng)時(shí)由于發(fā)電效率低而價(jià)格很高，加上傳統(tǒng)采暖設(shè)備所用的燃料價(jià)格相對便宜，因此應(yīng)用熱泵技術(shù)來采暖在經(jīng)濟(jì)上并不合算，這些原因無疑阻礙了早期熱泵技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國家的推廣和應(yīng)用。

20世紀(jì)50年代后，電能成本不斷降低，而燃料價(jià)格不斷上漲，相對于傳統(tǒng)的采暖設(shè)備，采用熱泵技術(shù)的成本不斷下降。于是，隨著大量的公共建筑和工業(yè)快速發(fā)展，在應(yīng)用空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行夏季溫濕度控制的基礎(chǔ)上，通過深入研究并應(yīng)用熱泵技術(shù)，可在增加少量成本的情況下，進(jìn)行冬季溫度控制。于是國外研究學(xué)者又開始積極研究并深入分析熱泵技術(shù)，并有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，這段時(shí)間研究最集中的是蒸汽壓縮式熱泵，目前已在國內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用，也已有系列化產(chǎn)品。

20世紀(jì)70年代的全球性能源危機(jī)，燃料價(jià)格大幅度上漲，使傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)價(jià)格也隨之上漲，進(jìn)一步促進(jìn)了熱泵的研究和應(yīng)用。歐洲各國和前蘇聯(lián)、日、美、澳等發(fā)達(dá)國家對熱泵研究工作十分重視，均投入了大量的資金致力于更經(jīng)濟(jì)、輸出溫度更高、更為先進(jìn)的新型熱泵的開發(fā)應(yīng)用。

隨著節(jié)能環(huán)保意識的增強(qiáng)，熱泵技術(shù)已經(jīng)獲得越來越多的利用。許多國家以推廣應(yīng)用熱泵技術(shù)作為減少CO₂排放、降低能源消耗的一種手段。迄今為止，世界上有近12%的地?zé)崮茉粗苯佑糜跓岜?，尤其是美國，直接用于熱泵的地?zé)崮苷济绹偀崮艿?9%，土壤源熱泵的應(yīng)用就從20世紀(jì)90年代的18%發(fā)展到了21世紀(jì)初的30%，這些都為地源熱泵的發(fā)展提供了很好的條件?？梢姡瑹岜眉夹g(shù)有著很好的發(fā)展態(tài)勢。

2.國內(nèi)熱泵技術(shù)的發(fā)展

我國熱泵的應(yīng)用與發(fā)展分為以下幾個(gè)階段:早期熱泵的應(yīng)用與發(fā)展期(1966年以前)、熱泵應(yīng)用與發(fā)展的斷裂期(1966—1977年)、熱泵應(yīng)用與發(fā)展的全面復(fù)蘇期(1978—1988年);熱泵應(yīng)用與發(fā)展的興旺期(1989—1999年)、熱泵應(yīng)用與發(fā)展的全盛期(2000年至今)。

早期熱泵的應(yīng)用與發(fā)展期，我國僅有部分研究學(xué)者對熱泵進(jìn)行理論研究工作，較少用于工程實(shí)踐。熱泵應(yīng)用與發(fā)展的斷裂期，由于歷史原因的影響，熱泵工作的研究處于停滯狀態(tài)。熱泵應(yīng)用與發(fā)展的全面復(fù)蘇期，中國的熱泵發(fā)展迎來了新時(shí)期，在了解世界各國熱泵應(yīng)用與發(fā)展的現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，追蹤國外熱泵研究動態(tài)，探討了我國熱泵技術(shù)的發(fā)展方向問題。研究工作主要集中于國外的熱泵空調(diào)技術(shù)在我國應(yīng)用的可行性研究。國外知名熱泵生產(chǎn)廠家也開始來中國投資建廠。這些工作初步形成了我國熱泵工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，為迎接新的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，積蓄了發(fā)展我國熱泵的力盤。熱泵應(yīng)用與發(fā)展的興旺期，我國暖通空調(diào)領(lǐng)域掀起一股“熱泵熱”。熱泵的應(yīng)用與發(fā)展緊跟時(shí)代，迎來了新的發(fā)展里程，在熱泵理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、產(chǎn)品開發(fā)、工程應(yīng)用諸方面取得可喜成果。窗式熱泵空調(diào)器、分體式熱泵空調(diào)器有突飛猛進(jìn)的發(fā)展，熱泵新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，20世紀(jì)90年代初開始大量生產(chǎn)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，90年代中期開發(fā)出井水源熱泵冷熱水機(jī)組，90年代末又開始出現(xiàn)污水源熱泵系統(tǒng)。熱泵應(yīng)用與發(fā)展的全盛期，熱泵在我國的應(yīng)用越來越廣泛，熱泵的發(fā)展十分迅速，熱泵技術(shù)的研究不斷創(chuàng)新，熱泵的應(yīng)用、研究空前活躍，碩果累累，除了地下水源熱泵、水環(huán)熱泵、大地耦合熱泵、空氣源熱泵、地表水源熱泵外，又有熱泵熱水器、冷熱兼用熱泵等新技術(shù)和新產(chǎn)品不斷問世和應(yīng)用。

熱泵技術(shù)是解決建筑領(lǐng)域能源與環(huán)境問題的有效措施之一，也是實(shí)現(xiàn)我國建筑事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一，但發(fā)展熱泵技術(shù)的道路還很艱巨，不僅要加強(qiáng)熱泵技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，加強(qiáng)系統(tǒng)集成技術(shù)研究，在關(guān)鍵的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面取得突破，以使我國的熱泵技術(shù)健康發(fā)展和科學(xué)推廣與應(yīng)用。