[科普中国]-热泵

热泵概念

热泵(Heat Pump)是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，也是全世界倍受关注的新能源技术。它不同于人们所熟悉的可以提高位能的机械设备——“泵”；热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。1

工作原理水从高处流向低处，热由高温物体传递到低温物体，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，然后高温物体来加热水或采暖，使热量得到充分利用。热泵系统的工作原理与制冷系统的工作原理是一致的。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（例如空调室内机）里从高温热源（例如常温空气）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低温热源（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）节流成低温低压液态制冷剂。如此就完成一个制冷循环。热泵的性能一般用制冷系数（COP性能系数）来评价。制冷系数的定义为由低温物体传 到高温物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。所以热泵实质上是一种热量提升装置，工作时它本身消耗很少一部分电能，却能从环境介质（水、空气、土壤等）中提取4-7倍于电能的装置，提升温度进行利用，这也是热泵节能的原因。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。地源热泵是热泵的一种，是以大地或水为冷热源对建筑物进行冬暖夏凉的空调技术，地源热泵只是在大地和室内之间“转移”能量。利用极小的电力来维持室内所需要的温度。在冬天，1千瓦的电力，将土壤或水源中4-5千瓦的热量送入室内。在夏天，过程相反，室内的热量被热泵转移到土壤或水中，使室内得到凉爽的空气。而地下获得的能量将在冬季得到利用。如此周而复始，将建筑空间和大自然联成一体。以最小的代价获取了最舒适的生活环境。1

热泵系统冬夏工况由于热泵装置的工作原理与压缩式制冷是一致的；所以在小型空调器中，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，将空调器中的蒸发器与冷凝器通过一个换向阀来调换工作，见左图。由图中可看出，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”。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。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）1

能量分析

在上图的热泵循环中，从低温热源（室外空气或循环水，其温度均高于蒸发温度t0）中取得Q0 kcal/h的热量，消耗了机械功ALkcal/h，而向高温热源（室内取暖系统）供应了Q1 kcal/h的热量，这些热量之间的关系是符合热力学第一定律的，即Q1=Q0+AL kcal/h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ALkcal/h，而用热泵装置后，高温热源（取暖系统）多获得了热量：Q1-AL=Q0 kcal/h。这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。故用热泵装置既可节省燃料，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。热泵具有两个相同的热源温度，则它们之间的关系为：φ=Q1╱AL=（Q0+AL）╱AL=ε+1，ε 是制冷机的制冷系数。由此可看出，热量转换系数的最小值是φ=1，在此极限情况下ε=0，Q0=0，即没有从低温热源吸取热量。1

热泵的能量转换作为自然界的现象，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。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，后再被蒸发，如此循环往复。1

热泵工作介质热泵工作工质以前一般为氟利昂，但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，除了提高热泵的制冷系数，有效利用能源以外，各国科学还致力于新型工质的开发，已有替代氟利昂的工质得到应用。但是，今天中国大部分厂家所采用的工质还是R22，采用环保工质R417A、134A的时代还未到来。而日本等一些国家已率先采用CO2作为工质，从而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。）此外，以上所述的R22、R417A、134A、CO2皆对人体不造成伤害的，即使有漏出，整套设备仍然都是安全的。1

发展历史十九世纪早期法国科学家萨迪.卡诺（Sadi karnot）在 1824年首次以论文提出“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（L.Kelvin）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，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。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。1

分类按热源种类不同分为：空气源热泵，水源热泵，地源热泵，双源热泵（水源热泵和空气源热泵结合）等。

空气源热泵原理

空气源热泵在运行中，蒸发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，高温蒸气通过黏结在贮水箱外表面的特制环形管时，冷凝器冷凝成液体，将热量传递给空气源热泵贮水箱中的水。1

热泵工质

空气源热泵传热工质是一种特殊物质，常压下其沸点为零下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。1

水源热泵原理

地球表面浅层水源（一般在1000 米以内），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。1

优势

与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将90%～98%的电能或70%～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50%～60%。因此，近十几年来，水源热泵空调系统在北美及中、北欧等国家取得了较快的发展，中国的水源热泵市场也日趋活跃，使该项技术得到了相当广泛的应用，成为一种有效的供热和供冷空调技术。1

地源热泵地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kWh的能量，用户可以得到4kWh以上的热量或冷量。1

高温空气能热泵高温空气能热泵从字面来理解是指制热出水温度高于60℃（即：高温热水）或出风温度能够达到 80 ℃以上的热泵（即：高温烘干热泵）。相对今天市场上热销的常规热泵而言，常规热水温度一般是55℃以下，而新一代高温空气能热泵可制取高达85℃左右的高温热水，能够运用于电镀，巴氏消毒，屠宰，玻璃清洗，印染等行业。1

工作原理

高温空气能热泵工作原理是：利用逆卡诺循环原理，通过自然能(空气蓄热)获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取(供)暖、干燥或供应热水。1

优点

高温空气能热泵的四大优点：第一，节能，有利于能源的综合利用，高温空气能热泵是把空气中的低温热能吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能，其节能效果相当显著；第二，有利于环境保护；第三，冷热结合，设备应用率高，节省出投资，第四，因为它是电驱动，调控比较方便。相比电锅炉，可以节约50%以上的电力消耗，而且减少了经常更换电热管的麻烦；相比传统煤锅炉和燃油锅炉，无污染，无排放，安全，省去了每年例行的安检，省去了专业的锅炉工，全自动控温，运行费用也大幅降低50%以上。高温热泵能够完成某种特殊领域供热供冷需求的热泵。一般来讲，高温空气能热泵采用专门的热泵压缩机，特殊的制冷剂及系统。1

热泵热水器种类市场上热泵热水器种类很多，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。1

空气源热泵热水器空气源热泵热水器主要由压缩机、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。1

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）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。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。1

热泵市场销售模式我国热泵市场的销售渠道主要是企业自营模式、代理模式和二者的混合模式三大类。直营模式是企业在各地开设分公司或派出业务人员直接经营，这种模式主要以商用机为主，家用机此种模式较少。直营模式受企业实力和能力的限制，难以做强做大。经销制模式是厂家在各地建立派出机构，拓展渠道，前期派出业务人员进行辅导性工作,后期由经销商独立完成市场操作，这种模式存在的问题是企业和经销商利益博弈的后果常常是二者分家，渠道不稳定。第三种是混合模式。智研咨询数据显示，由一些企业在周边市场采用直销模式，而在外埠市场采取经销制。从行业内看，经销商模式占据很大比例。总体上看，热泵行业的销售渠道建设还处在初级阶段，非常适合的渠道模式以及渠道管理方式仍然不很确定。1