热泵

热泵技术及其发展现状

摘要：本文从热泵的定义入手，介绍了它的原理，、节能和环境效益，比较它与制冷机的区别，给出了热泵的热力学循环原理图，并介绍了热泵的分类方法以及一些常用热泵的原理图。最后介绍了我国的热泵发展情况，提出了未来的计划和要达到的目标。

关键词：热泵；节能；环境；分类；现状

1热泵的节能与环境效益

1.1热泵定义

热泵是一种以消耗部分能量作为补偿条件使热量从低温物体转移到高温物体的能量利用装置。热泵能把空气、土壤、水中所含的不能直接利用的热能、太阳能、工业废热等转换为可以利用的热能。在暖通空调工程中可以用热泵作为空调系统的热源来提供100℃以下的低温用能。

根据热力学第二定律，热量是不会自动从低温区向高温区传递的，必须向热泵输入一部分驱动能量才能实现这种热量的传递。热泵虽然需要消耗一定量的驱动能，但根据热力学第一定律，所供给用户的热量却是消耗的驱动能与吸收的低位热能的总和。用户通过热泵获得的热量永远大于所消耗的驱动能，所以说热泵是一种节能装置。热泵的制热量与热泵的驱动能量之比称为热泵的制热系数，常用来分析热泵的经济性。

热泵与制冷机从热力学原理上说是相同的，都是按热机的逆循环工作的。两者所不同的是使用的目的不同。制冷机利用吸取热量而使对象变冷，达到制冷的目的；而热泵则是利用排放热量向对象供热，达到供热目的。另外，两者的工作温度温度范围也不同，如图1-1所示。

制冷机在环境温度和被冷却物温度之间工作，从作为低温热源的被冷却物质中吸热，向

作为高温热源的环境介质排热，以维持被冷却物温度低于环境温度。热泵在被加热物体温度和环境温度之间工作，从作为低温热源的环境介质中吸热，向作为高温热源的被加热物

体供热，以维持被加热物体温度高于环境温度。

1.2热泵的节能效益

被加热物体温度

环境温度

被冷却物体温度

随着中国人居环境的改善和人民生活质量的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求，，造成建筑能耗占全社会总能耗的比例很大且持续增长。据统计，2001年中国建筑能耗已达到3.76亿吨标准煤，占总能耗的27.65%，年增长比例是50%。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的30%。有国外资料统计，办公楼中仅空调系统能量就占总耗能量的35%左右，商住楼中仅空调系统能量就占总耗能量的25%左右。所以空调系统节能始终是建筑环境与设备领域中的重要研究课题之一。

根据热泵定义的阐述，热泵空调技术是一种有效的节能手段，可以大大降低一次能源的消耗。有研究表明，电动热泵的制热系数只要大于3，则从能源利用观点看热泵就会比热效率为80%的区域锅炉房用能节省。目前，家用热泵空调器随着热泵技术的进步，制热系数已经达到或超过3.各种大型热泵机组的制热能效比（EER）绝大部分大于3。VRV热泵机组的制热性能系数在4.2左右。由此可见，热泵作为空调系统的热源要优于目前传统的供热方式，是一种有效的节能手段。这就是为什么目前在大城市的重要建筑物广泛采用热泵技术的重要原因。从综合的经济效益和社会效益看，热泵在中国的发展具有广阔的空间。

1.3热泵的环境效益

当今全球面临环境恶化问题主要有：CO2、甲烷等产生的温室效应；二氧化硫、氮氧化合物等酸性物质引起的酸雨；氯氟烃类化合物所引起的臭氧层破坏等。而目前空调冷热源中采用的能源基本属于矿物能源。矿物燃料燃烧过程会产生大量CO2、NO x、SO x等有害气体和烟尘，造成环境污染和地球温度上升。我国的温室气体排放量仅次于美国而居世界第二位。在2001年世界银行发展报告中列举的污染最严重的20各城市中，中国占了16个。中国环境保护问题伴随着工业化、城市化、现代化过程的推进将变得十分突出。

热泵技术就是一种有效节省能源、减少CO2排放和大气污染的环保技术。把热泵作为空调系统的冷热源，可以把自然界中的低温废热转变为暖通空调系统可利用的再生热能，这就为人们提出了一条节约矿物燃料进而减少温室气体排放、提高能源利用率进而减轻环境污染的新途径。例如，在向暖通空调用户提供相同热量的情况下，电动热泵比燃油锅炉节省40%左右的一次能源，CO2排放量可减少68%，SO2排放量可减少93%，NO2排放量约可减少73%。所以，许多国家把热泵技术作为减少CO2、SO x、NO x等有害气体和烟尘排放量的有效方法。1996年一些国家的热泵供热量占总供热量的份额已经大幅增加，如日本占28%，美国占8.6%，瑞典占8.3%，西班牙占7.6%，挪威占4.5%。现在全世界约有1.3亿台热泵在运行，总供热量约为每年4.7×109GJ，每年减少CO2排放量约为1.3亿吨。随着热泵技术的近一步提高，采用热泵技术供热可以使全世界CO2排放量减少16%。热泵的广泛应用可以带来良好的环境效益。

综上所述，热泵的发展不仅与国民经济总体发展及热泵本身技术发展有关，还与能源的结构与供应、环境保护与可持续发展密切相关。为此暖通空调工作者应加强有关热泵空调方面的研究工作，积极推广、使用热泵空调技术。

2热泵循环的热力学原理

2.1逆卡诺（Carnot）循环

理想的热泵循环是在恒温热源间工作的逆卡诺循环，图2-1所示是逆卡诺循环的温熵图。工质在理想热泵中做等温膨胀自状态4变化到状态1，同时在温度下从低温热源中吸取热量；接着工质被等熵压缩至状态2，其温度由升高至；随后工质被等温压缩至状态3，同时在温度下向高温热源放出热量；最后工质再经等熵膨胀回复到状态4，其温度也

由降至，从而完成整个循环。

由热力学也可以证明，按逆卡诺循环工作的热泵的制热系数为

（2-1）

而且，在同样热源条件下理想的热泵循环具有最大的制热系数，因此它是同样热源条件下的实际循环的比较标准。

2.2洛仑兹（Lorenz）循环

在实际情况中，随着热源与工质之间热交换过程的进行，热源的温度将会发生变化。对于工作在两个变温热源之间的理想热泵循环，可以用洛仑兹循环来描述。如图2-2所示，洛仑兹循环是由两个等熵过程和两个工质与热源之间无温差的传热过程所组成。1—2表示等

熵压缩过程；2—3

表示工质的可逆放热过程，其温度由降低到，而高温热源的温度则

由升高至；3—4表示等熵膨胀过程；4—1表示工质的可逆吸热过程，

其温度由升至。

在洛仑兹循环中为了使工质与热源之间实现无温差的热交换，必须采用理想的逆流式换热器。

图2-1 逆卡诺循环

图2-2 洛仑兹循环

由热力学可以证明，按洛仑兹循环工作的热泵的制热系数，与在平均吸热温度和平均温度间工作的逆卡诺循环制热系数相等，即

（2-2）

3热泵的分类

3.1热泵的分类方法

目前工程界对热泵系统的称呼尚未形成规范统一的术语，热泵的分类方法也各不相同。例如有的国外文献把热泵按低温热源所处的几何空间分为大气热源泵（Air Source Heat Pump，ASHP）和地源热泵（Ground Source Heat Pump，GSHP）两大类。地源热泵又进一步分为地表水热泵（Surface-Water Heat Pump，SWHP）、地下水热泵（Groundwater Heat Pump，GWHP）和地下耦合热泵（Ground-Coupled Heat Pump，GCHP）。国内文献则把地源热泵分为三类，分别为地表水地源热泵系统、地下水地源热泵系统、地埋管地源热泵系统。如果按工作原理对热泵分类可以分为机械压缩式热泵、吸收式热泵、热电式热泵和化学热泵。如果按驱动能源的种类对热泵分类又可以分为电动热泵、燃气热泵、蒸汽热泵。由此看来分类方法不相同对热泵的称呼会有差异。

在暖通空调专业范畴内，当对热泵机组分类时常按热泵机组换热器所接触的载热介质分类，当对热泵系统分类时长按低温热源分类。此外，按照热泵机组换热器所接触的载热介质分类，可分为空气/空气热泵、空气/水热泵、水/空气热泵、水/水热泵、土壤/水热泵、土壤/空气热泵等。

3.2按低温热源分类

1.空气源热泵系统

当把空气/空气热泵机组或者空气/水热泵机组应用于空调系统时，就形成了空气源热泵系统，习惯上常见的“空气源热泵”用词可以理解是对空气源热泵系统的简称。图3-1为空气源热泵系统的简图，工程中一般是把空气/水热泵机组置于建筑物楼顶。冬季工况热泵机

2水源热泵系统

图3-2为湖水或海水作热源的全年热泵空调系统。冬天制热运行时，阀门2、3、7、6关闭，阀门1、4、5、8开启。水泵将湖水或海水压送到蒸发器，被吸取热量的湖水或海水经阀8排回低温热源；从空调用户来的循环水在冷凝器中被加热到45~50℃，再经阀5送到空调用户中。夏季制冷运行时，阀门1、4、5、8关闭，阀门2、3、7、6开启。湖水或海水成为机组的排热源，空调用户来的循环水在蒸发器内被制取7℃左右的冷水供空调用户使用。

用一个循环水环路将多台小型水/空气热泵机组并联在一起的水源热泵系统，也称为水环热泵空调系统。水环热泵空调系统是一个以回收建筑物内部余热为主要特点的热泵供暖、供冷空调系统，常用于内区房间需要供冷而外区房间一、需要供热的大型建筑物中。在循环水环路中还配有一台空气/水热泵机组，以保持水环路中的循环水温在一定范围内。当水环路中水的温度由于水/空气热泵机组的放热（制冷运行时）较多使其温度超过一定值时，这台空气/水热泵机组制冷运行可将水环路中的热量排出；当环路水的温度由于水/空气热泵机组的吸热（制热运行时）较多而使其温度低于一定值时，这台空气/水热泵机组制热运行可对循环水进行加热。

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3.土壤源热泵系统

土壤源热泵系统主要由三部分组成：室外地热能交换器、水/空气热泵机组或水/水热泵机组、建筑物内空调末端设备。一般情况下室外地热能交换器采用土壤—水地埋管换热器，所以土壤源热泵系统也称地耦合地源热泵系统。图3-3所示采用水/空气热泵机组的土壤源热泵系统简图。在冬季，水/空气热泵机组制热运行。水或防冻水溶液通过地埋管换热器1从土壤中吸收热量后，在循环水泵2的作用下流经水/空气热泵机组的蒸发器（冷热源侧换热器3），并将热量传递给热泵机组的工质。在冷凝器（负荷侧换热器7）中，从土壤源吸收的热量连同压缩机4消耗的功所转化的热量一起供给室内空气。在夏季，换向阀5换向，水/空气热泵机组制冷运行，水源热泵机组中的工质在蒸发器（负荷侧换热器7）中，吸收来自空调房间的热量。在冷凝器（冷热源侧换热器3）中，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机4消耗的功所转化的热量一起排给地埋管换热器中的水或防冻水溶液。水或防冻水溶液再通过地埋管换热器1向土壤排放热量。部件6是节流阀。

4.太阳能热泵系统

根据太阳能集热器与热泵的组合形式，太阳能热泵系统可分为直膨式（Di-rect-expansion solar assisted heat pump ，DX-SAHP ）与非直膨式（Indirect-expansion solar assisted heat pump ，IX-SAHP ）两种形式。在直膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器合二为一，即制冷工质直接在集热器中吸收太阳辐射能而得到蒸发，如图3-4所示。 8 7

非直膨式太阳能热泵系统的太阳集热器与热泵机组的蒸发器分立，通过集热介质（一般采用水、防冻溶液等）在集热器中吸收太阳辐射能，并在蒸发器中将热量传递给水/水热泵机组。

图3-4直膨式太阳能热泵系统

4热泵技术在我国的发展现状

据了解，热泵近年来，逐渐被人们重视起来。其实热泵在我国已经发展一段时间了，由于推广的缺乏导致人们的认知也不多。“十二五”期间明确提出，应该加强新能源的利用。这一建议的提出无疑给热泵行业带来了无限生机。近年来各大空调企业也注重在热泵技术上面的研究和广告推广。那么我国现在的热泵发展现状如何?

据空调制冷大市场相关资料显示，热泵冷暖是一种高节能新技术和新产品，尤其是大型地源热泵系统和水源热泵系统，是近几年来迅速发展和创新而成熟起来的新技术、新产品、新产业、新市场，许多先进的技术和产品都是在近几年相继研制开发而出现，并且得到快速推广和应用，尤其是大型地源热泵和水源热泵及高温热泵新产品，大多数高节能新产品都是在国内开发和生产制造。

据悉，中国式热泵技术发展已备受国际关注，得到国家的大力支持和高度重视。以大型热泵机组开发应用为主导的产业发展模式已在国内蓬勃兴起，大型地源热泵、水源热泵和高温热泵及多功能热泵已成为象征中国式热泵技术和引领热泵行业发展的新亮点。大型双温地源热泵、水源热泵和高温热泵及多功能热泵的关键核心技术已经全部由中国热泵专家解决，并具有完全自知识产权，核心技术(外置式双温转换获得了世界首个专利，这是160多年制冷空调技术发展历史以来，首次由中国为人工冷暖技术行业和热泵空调市场贡献的新技术和新产品。

随着中国式热泵技术的迅猛发展，在国际上也相继掀起了热泵技术进步和发展应用的新高潮，由中国研发制造的热泵产品已得到了世界各国广大不同冷暖用户的青睐，近几年来许多中国企业制造的热泵机组和产品已出口到国外，这一高新技术产品地源热泵，由全部依赖从国外引进变为由中国创造而对国外出口。

制冷技术和空调设备的发明及应用至今已有160多年的历史，长期以来，各种不同的制冷机组尤其是大型制冷空调机组，几乎全部是以国外屈指可数的几个主要品牌占据国内(外)市场，包括国内的制冷设备和空调机组基本也是国外的四大品牌为主。但是，热泵产品与制

冷设备不同，自国外专家发明至今虽然已具有近百年的历史，但是热泵技术至今始终没有得到更新的突破创新和发展，尤其是大型热泵冷暖技术和产品，也从未得到像现在中国这样如此大规模、大批量、大声势的开发生产和推广应用。而且，以前的热泵空调产品基本都是根据西方国家的建筑物特点而设计、开发的以小型和户式为主，并且是以风冷式产品为主流。

小型地源热泵(所谓的土气源热泵或水环热泵)近30年来在国外得到了较快发展，自21世纪初，小型和模块式热泵产品开始在国内被引进和开发应用，如初期的试用工程仅1万平米左右就采用了几十台模块机组，但多数未能达到理想效果。因为国外建筑的特点与中国的差异较大，因此直接从国外引进的热泵技术和产品无法完全适合于国内用户。

参考文献

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