什么是熱泵？

圖 1. 什么是熱泵？

熱泵是一種將空氣或液體中的熱量從低溫區(qū)域轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)域的技術(shù)。如今，它們被用于空調(diào)、冰箱、EcoCute 和其他日常生活必需品。

消耗電力來(lái)傳遞熱量，但由于產(chǎn)生的熱能多于消耗的量，因此預(yù)計(jì)具有顯著的節(jié)能效果。此外，該技術(shù)作為一種環(huán)保技術(shù)而受到關(guān)注，因?yàn)榕c燃燒天然氣或石油的方法相比，它可以顯著減少二氧化碳排放量。

熱泵的用途

熱泵曾經(jīng)主要用于冰箱和空調(diào)，用于冷卻物品。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用范圍從低溫?cái)U(kuò)展到高溫，并應(yīng)用于空間供暖和熱水供應(yīng)等多種領(lǐng)域。

在家里，它們被用于冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)/烘干機(jī)等日常生活必需的家用電器，也被用于高節(jié)能的EcoCute和地暖系統(tǒng)等設(shè)備。它還用于辦公室和醫(yī)院等用戶數(shù)量較多的設(shè)施中的商用空調(diào)和熱水器，預(yù)計(jì)將顯著降低公用事業(yè)成本。

熱泵原理

圖2 熱泵原理

當(dāng)氣體被壓縮時(shí)，其溫度升高；當(dāng)氣體膨脹時(shí)，其溫度降低。熱泵利用這一特性來(lái)傳遞熱量。碳氟化合物等具有傳熱作用的制冷劑，在接近室溫的溫度下通過(guò)壓縮、膨脹反復(fù)液化、汽化，可以有效地傳熱。

熱泵的結(jié)構(gòu)由壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器、被稱為冷凝器的兩個(gè)熱交換器以及連接它們的配管構(gòu)成，低沸點(diǎn)制冷劑在配管內(nèi)循環(huán)。

制冷劑是傳遞熱能的介質(zhì)。主要使用氟利昂氣體，根據(jù)壓力和溫度的不同，反復(fù)蒸發(fā)和冷凝，變成氣體或液體。

膨脹閥是一種使高溫高壓氟里昂氣體迅速膨脹，使其達(dá)到低溫低壓狀態(tài)，重新變成液體的裝置。

壓縮機(jī)是將碳氟化合物氣體壓縮至高溫高壓的設(shè)備。有離心式壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)。

熱交換器根據(jù)其作用可分為蒸發(fā)器和冷凝器。蒸發(fā)器的作用是吸收外界的熱量，將碳氟化合物氣體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，冷凝器的作用是將氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，并將熱量釋放到外界。

制冷劑在蒸發(fā)器中吸收熱量，變成氣體，并被壓縮機(jī)吸收。壓縮至高溫高壓的氣體被送往冷凝器，在冷凝器中變成液體，經(jīng)膨脹閥降至低溫低壓，然后返回蒸發(fā)器。熱泵通過(guò)重復(fù)這些循環(huán)將空氣中的熱量從低溫區(qū)域轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)域。

熱泵的類型

熱泵根據(jù)傳熱原理分類如下。

1.利用制冷劑的發(fā)熱和吸收的熱泵

蒸汽壓縮式熱泵、吸收式熱泵和吸附式熱泵利用制冷劑蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的汽化和冷凝熱。利用氨汽化熱的熱泵主要用于冰箱和冰柜。

2. 利用空氣熱以外的熱量的熱泵

這是一種利用地?zé)帷⑺礋岷吞?yáng)能熱的熱泵。無(wú)論哪種情況，熱源都必須在附近，但熱量的傳播效率比空氣熱更有效。

3.利用晶格振動(dòng)的熱泵

使用半導(dǎo)體的熱泵。通過(guò)使電流通過(guò)熱電元件，元件中產(chǎn)生晶格運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這種晶格運(yùn)動(dòng)傳遞熱量，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)的溫度控制。因此主要應(yīng)用于需要精確控溫的醫(yī)療儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。然而，性能越高，熱泵的成本就越高。

4.其他熱泵

最近，開始出現(xiàn)同時(shí)利用熱傳導(dǎo)和汽化熱的熱泵。正如您所看到的，每年都在開發(fā)新的熱泵技術(shù)，使得更有效地捕獲和儲(chǔ)存熱量成為可能。

有關(guān)熱泵的其他信息

1、熱泵性能指標(biāo)　

熱泵的性能用它能產(chǎn)生的制冷或制熱能力（kW）與消耗的功率（kW）之比來(lái)表示，這稱為能耗效率COP（性能系數(shù)）。該值越高，越能期待節(jié)能效果，特別是在空調(diào)中，以制冷COP和制熱COP作為表示空調(diào)節(jié)能能力的指標(biāo)。

然而，COP表示恒溫環(huán)境下的能耗效率，實(shí)際使用空調(diào)時(shí)，性能會(huì)根據(jù)室內(nèi)和室外溫度而變化。因此，全年能耗效率APF（Annual Performance Factor）是目前主流的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。APF是2006年9月修訂的節(jié)能法中取代COP的節(jié)能指標(biāo)而設(shè)立的，與COP不同，它表示運(yùn)行一年內(nèi)的運(yùn)行效率。因此，可以說(shuō)APF表現(xiàn)出更接近實(shí)際駕駛的運(yùn)行效率。

2、熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)

我們將介紹熱泵的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這是一種有效地從外部收集熱量并將其用作大型熱源的技術(shù)。

優(yōu)點(diǎn)

• 通過(guò)從外部收集節(jié)能
  熱量，無(wú)需產(chǎn)生新的熱量，因此配備熱泵的電子設(shè)備的電費(fèi)相對(duì)較低。

• 安全性高
  發(fā)熱時(shí)不發(fā)生燃燒，安全性高。

• 預(yù)計(jì)減少二氧化碳排放
  由于沒有燃燒過(guò)程，二氧化碳排放量相對(duì)較低。

過(guò)失

• 容易受外部環(huán)境影響
  熱泵從外部收集熱量，因此當(dāng)外部溫度較低時(shí)，其效率實(shí)際上會(huì)降低。

3.如何有效利用熱泵

圖 3. 熱泵溫差

熱泵在節(jié)省能源和成本方面表現(xiàn)出色，因?yàn)樗鼈兛梢援a(chǎn)生超過(guò)功耗的制冷和制熱能力，但其缺點(diǎn)是容易受到外部環(huán)境的影響。然而，熱泵可以從微小的溫差中提取大量的能量。通過(guò)更有效地利用它，預(yù)計(jì)可以進(jìn)一步節(jié)省能源。

熱泵利用熱傳遞來(lái)加熱一側(cè)并冷卻另一側(cè)。通常情況下，會(huì)使用其中一種，但如果您構(gòu)建一個(gè)可以同時(shí)使用加熱和冷卻的系統(tǒng)，則可能會(huì)產(chǎn)生更大的節(jié)能效果。

使用熱泵的另一種有效方法是使用地下熱量作為熱源。與外界空氣相比，地下熱量的溫度全年變化較小，因此地下和地下水的溫度夏季寒冷，冬季溫暖。通過(guò)這樣做，可以有效地利用地下未使用的熱量，并可以大大減少二氧化碳的排放。

此外，熱泵的最大特點(diǎn)是可以最大限度地利用工廠廢氣熱能、溫泉水排放等難以直接利用的熱能。