高溫空氣能熱泵的工作原理是什么?

【專家解說(shuō)】：熱泵 Heat Pump 什么是熱泵？ 熱泵技術(shù)是近年來(lái)在全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)。人們所熟悉的“泵”是一種可以提高位能的機(jī)械設(shè)備，比如水泵主要是將水從低位抽到高位。而“熱泵”是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經(jīng)過(guò)電力做功，提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。 熱泵的工作原理 作為自然界的現(xiàn)象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫區(qū)流向低溫區(qū)。但人們可以創(chuàng)造機(jī)器，如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對(duì)象（溫度較高的物體），其工作原理與制冷機(jī)相同，都是按照逆卡諾循環(huán)工作的，所不同的只是工作溫度范圍不一樣。 熱泵在工作時(shí)，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，通過(guò)傳熱工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)提高溫度進(jìn)行利用，而整個(gè)熱泵裝置所消耗的功僅為輸出功中的一小部分，因此，采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量高品位能源。 在運(yùn)行中，蒸發(fā)器從周圍環(huán)境中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質(zhì)，工質(zhì)蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后溫度和壓力上升，高溫蒸氣通過(guò)冷凝器冷凝成液體時(shí)，釋放出的熱量傳遞給了儲(chǔ)水箱中的水。冷凝后的傳熱工質(zhì)通過(guò)膨脹閥返回到蒸發(fā)器，然后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)。 余熱利用的強(qiáng)力工具--熱泵 水從高處流向低處，熱由高溫物全傳遞到低溫物體，這是自然規(guī)律。然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，為了農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水等的需要，人們利用水泵將水從低處送到高處。同樣，在能源日益緊張的今天，為了回收通常排到大氣中的低溫?zé)釟?、排到河川中的低溫?zé)崴戎械臒崃?，熱泵被用?lái)將低溫物體中的熱能傳送高溫物體中，然后高溫物體來(lái)加熱水或采暖，使熱量得到充分利用。 熱泵的工作原理和家用空調(diào)、電冰箱等的工作原理基本相同，通過(guò)流動(dòng)媒體(以前一般為氟利昂，現(xiàn)天上由替代氟利昂所代替)在蒸發(fā)器、壓縮機(jī)，冷凝器和膨脹閥等部品中的氣相變化(沸騰和凝結(jié))的循環(huán)來(lái)將低溫物體的熱量傳遞到高溫物體中去。? 具體工作過(guò)程如下：①過(guò)熱液體媒體在蒸發(fā)器內(nèi)吸收低溫物體的熱量，蒸發(fā)成氣體媒體。②蒸發(fā)器出來(lái)的氣體媒體液壓縮機(jī)的壓縮，變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w媒體。③高溫高壓的氣體媒體在冷凝器中將熱能釋放給給高溫物體、同時(shí)自身變?yōu)楦邏阂后w媒體。④高壓液體媒體在膨脹閥中減壓，再變?yōu)檫^(guò)熱液體媒體，進(jìn)入蒸發(fā)器，循環(huán)最初的過(guò)程。 熱泵的性能一般用成績(jī)系數(shù)(COP)來(lái)評(píng)價(jià)。成績(jī)系數(shù)的定義為由低溫物體傳 到高溫牧體的熱量與所需的動(dòng)力之比。通常熱泵的成績(jī)系數(shù)為3-4左右，也就是說(shuō)，熱泵能夠?qū)⒆陨硭枘?量的3到4倍的熱能從低溫物體傳送到高溫物體?，F(xiàn)在歐美日都 在競(jìng)相開(kāi)發(fā)新型的熱泵。據(jù)報(bào)導(dǎo)新型的熱泵的成績(jī)系數(shù)可6到8。如果這一數(shù)值能夠得到普及的話，這意味著能源將得到更有效的利用。熱泵的普及率也將得到驚人的提高。目前熱泵的最高出力溫度為110度左右。超過(guò)這個(gè)溫度將有可能出現(xiàn)使媒體分解的危險(xiǎn)。 由于氟利昂對(duì)地球大氣臭氧有破壞作用，為了保護(hù)地球的生態(tài)環(huán)境，除了提高熱泵的成現(xiàn)系數(shù)，有效利用能源以外，各國(guó)科學(xué)還致力于新型冷凍媒體的開(kāi)發(fā)。目前已有替代氟利昂的媒體得到應(yīng)用。 熱泵熱水系統(tǒng)包括熱泵主機(jī)和換熱儲(chǔ)水箱兩部分。熱泵主機(jī)部分包括風(fēng)冷式蒸發(fā)器、壓縮機(jī)及膨脹閥；換熱儲(chǔ)水箱為內(nèi)置冷凝盤管的儲(chǔ)熱水箱。冷媒(工質(zhì))在蒸發(fā)管內(nèi)吸收環(huán)境空氣中的熱量，通過(guò)熱泵循環(huán)由冷凝盤管在水箱內(nèi)釋放熱量，加熱水箱中的水。 要搞清楚熱泵的工作原理，首先要懂得制冷系統(tǒng)的工作原理。制冷系統(tǒng)（壓縮式制冷）一般由四部分組成：壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。其工作過(guò)程為：低溫低壓的液態(tài)制冷劑（例如氟利昂），首先在蒸發(fā)器里從低溫?zé)嵩矗ɡ缋鋬鏊┪鼰岵饣Ｈ缓髩嚎s機(jī)抽取蒸發(fā)器里氣化后的制冷劑氣體并壓縮到冷凝器內(nèi)，此時(shí)制冷劑氣體變成高溫高壓氣體。該高溫高壓氣體在冷凝器內(nèi)被高溫?zé)嵩矗ɡ缋鋮s水）冷卻凝結(jié)成液體，變成高溫高壓液體制冷劑。再經(jīng)節(jié)流閥截流成低溫低壓液態(tài)制冷劑。如此就完成一個(gè)制冷循環(huán)。 對(duì)于一臺(tái)分體式熱泵空調(diào)來(lái)說(shuō)，夏天制冷時(shí)就是把冷凝器放在室外，而把蒸發(fā)器放在室內(nèi)。運(yùn)行時(shí)就把室內(nèi)的熱量輸送到了室外。而冬季則把蒸發(fā)器放在室外，把冷凝器放在室內(nèi)，這樣就把室外的熱量輸送到了室內(nèi)。當(dāng)然我們不會(huì)換季時(shí)去拆裝設(shè)備了，而是通過(guò)體格轉(zhuǎn)換閥使蒸發(fā)器和冷凝器換位的。 熱泵空調(diào)里面有一個(gè)四通換向閥。在制冷工況下，室內(nèi)熱交換器就是蒸發(fā)器，室外熱交換器（夏天往外呼呼出熱風(fēng)的那個(gè)東西）就是冷凝器。冬季供熱的時(shí)候，四通換向閥切換，改變冷媒的流向，此時(shí)，室內(nèi)熱交換器就是冷凝器，室外熱交換器（冬天往外呼呼出冷風(fēng)的那個(gè)東西）就是蒸發(fā)器。由于冬季往外出冷風(fēng)，換熱器要結(jié)霜，所以等結(jié)霜到一定程度時(shí)，四通換向閥再切換，空調(diào)變成夏季制冷工況，室外熱交換器得到熱量，化霜，化霜完畢后，四通閥再切換到制熱狀態(tài)。除霜時(shí)，為了防止向室內(nèi)吹冷風(fēng)，故室內(nèi)機(jī)的風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 熱泵是以冷凝器放出的熱量來(lái)供熱的制冷系統(tǒng)，它被形象的稱為“熱量倍增器”。目前在市場(chǎng)上廣泛出現(xiàn)的家用冷暖空調(diào)器上，就已經(jīng)廣泛地應(yīng)用了熱泵制熱，其制熱系數(shù)已高達(dá)3以上。那么，利用熱泵的原理來(lái)制取熱水，消耗一度電所獲得的熱水，比普通電熱水器消耗三度電所獲得的熱水還要多，這是傳統(tǒng)熱水器所不能企及的。 目前市場(chǎng)上熱泵熱水器種類很多，主要有太陽(yáng)能助推型、水源和空氣源三種系列。太陽(yáng)能助推式熱泵是熱泵與太陽(yáng)能技術(shù)結(jié)合使用的一種熱泵技術(shù)；水源熱泵是利用一定溫度的水源(20℃以上)作為熱源以制冷劑為媒介，將水源中的熱量吸收后經(jīng)壓縮機(jī)壓縮制熱，通過(guò)熱交換器與冷水交換熱量以達(dá)到取暖和制取熱水的目的,水源熱泵必須有一定溫度和流量的水源；空氣源熱泵以水源熱泵類似方法從空氣獲得熱量來(lái)加熱水。三種熱泵中，空氣源熱泵受到的條件限制最小，發(fā)展空間最大，因此本文著重對(duì)空氣源熱泵熱水器進(jìn)行分析討論。 熱泵熱水器的基本原理：它主要是由壓縮機(jī)、熱交換器、軸流風(fēng)扇、保溫水箱、水泵、儲(chǔ)液罐、過(guò)濾器、電子膨脹閥和電子自動(dòng)控制器等組成。接通電源后，軸流風(fēng)扇開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，室外空氣通過(guò)蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，溫度降低后的空氣被風(fēng)扇排出系統(tǒng)，同時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)部的工質(zhì)吸熱汽化被吸入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)將這種低壓工質(zhì)氣體壓縮成高溫、高壓氣體送入冷凝器，被水泵強(qiáng)制循環(huán)的水也通過(guò)冷凝器，被工質(zhì)加熱后送去供用戶使用，而工質(zhì)被冷卻成液體，該液體經(jīng)膨脹閥節(jié)流降溫后再次流入蒸發(fā)器，如此反復(fù)循環(huán)工作，空氣中的熱能被不斷“泵”送到水中，使保溫水箱里的水溫逐漸升高，最后達(dá)到55℃左右，正好適合人們洗浴，這就是空氣源熱泵熱水器的基本工作原理。 空氣源熱泵是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的能源利用產(chǎn)品之一。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與人們生活品位的提高，生活用熱水已成為人們的生活必需品，然而傳統(tǒng)的熱水器（電熱水器，燃油、氣熱水器）具有能耗大、費(fèi)用高、污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)；而節(jié)能環(huán)保型太陽(yáng)能熱水器的運(yùn)行又受到氣象條件的制約。空氣源熱泵的供熱原理與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水器截然不同，空氣源熱泵以空氣、水、太陽(yáng)能等為低溫?zé)嵩?，空氣源熱泵以電能為?dòng)力從低溫側(cè)吸取熱量來(lái)加熱生活用水，熱水通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)直接送入用戶作為熱水供應(yīng)或利用風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行小面積采暖?？諝庠礋岜檬悄壳皩W(xué)校宿舍、酒店、洗浴中心等場(chǎng)所的大、中、小熱水集中供應(yīng)系統(tǒng)的最佳解決方案. 熱泵工業(yè)發(fā)展歷史 20世紀(jì)70年代以來(lái)，熱泵工業(yè)進(jìn)入了黃金時(shí)期，世界各國(guó)對(duì)熱泵的研究工作都十分重視，諸如國(guó)際能源機(jī)構(gòu)和歐洲共同體，都制定了大型熱泵發(fā)展計(jì)劃，熱泵新技術(shù)層出不窮，熱泵的用途也在不斷的開(kāi)拓，廣泛應(yīng)用于空調(diào)和工業(yè)領(lǐng)域，在能源的節(jié)約和環(huán)境保護(hù)方面起著重大的作用。 相對(duì)世界熱泵的發(fā)展，中國(guó)熱泵的研究工作起步約晚20-30年左右。新中國(guó)成立后，隨著工業(yè)建設(shè)新高潮的到來(lái)，熱泵技術(shù)才開(kāi)始引入中國(guó)。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于中國(guó)沿海地區(qū)的快速城市化、人均GDP的增長(zhǎng)、2008年北京奧運(yùn)會(huì)和2010年上海世博會(huì)等因素拉動(dòng)了中國(guó)空調(diào)市場(chǎng)的發(fā)展，促進(jìn)了熱泵在中國(guó)的應(yīng)用越來(lái)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。 從2001年熱泵起步開(kāi)始，經(jīng)過(guò)5年的培育，中國(guó)熱泵行業(yè)開(kāi)始從導(dǎo)入期轉(zhuǎn)入成長(zhǎng)期。熱泵行業(yè)快速發(fā)展，一方面得益于能源緊張使得熱泵節(jié)能優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，另一方面與多方力量的加入推動(dòng)行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新有很大關(guān)系。 空氣源熱泵 空氣源熱泵在運(yùn)行中，蒸發(fā)器從空氣中的環(huán)境熱能中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質(zhì)，工質(zhì)蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過(guò)永久黏結(jié)在貯水箱外表面的特制環(huán)形管冷凝器冷凝成液體時(shí)，釋放出的熱量傳遞給了空氣源熱泵貯水箱中的水。冷凝后的傳熱工質(zhì)通過(guò)膨脹閥返回到蒸發(fā)器，然后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)。 空氣源熱泵傳熱工質(zhì)是一種特殊物質(zhì)，常壓下其沸點(diǎn)為零下40℃,凝固點(diǎn)為零下100℃以下，該物質(zhì)冷的時(shí)候是液體，但很容易被蒸發(fā)成氣體，反之亦然。在實(shí)際運(yùn)行中，空氣源熱泵中傳熱工質(zhì)的蒸發(fā)極限溫度為零下20℃左右，因此5℃的環(huán)境溫度對(duì)如此低的溫度也是“熱”的，甚至下雪的溫度，比如說(shuō)0℃，相比之下也是熱的，因此，仍可交換一些熱能。 第五代加熱系統(tǒng)與環(huán)境熱泵技術(shù) 1824年法國(guó)科學(xué)家卡諾(Sadi karnot)發(fā)表卡諾循環(huán)理論,成為熱泵技術(shù)的起源 1850年 英國(guó)科學(xué)家開(kāi)爾文（L.Kelvin)提出將逆卡諾循環(huán)用于加熱的熱泵設(shè)想 熱泵的理論起源于十九世紀(jì)早期法國(guó)科學(xué)家薩迪.卡諾(Sadi karnot)，卡諾在 1824年首次以論文提出“卡諾循環(huán)”理論，30年后，英國(guó)科學(xué)家開(kāi)爾文（L.Kelvin)于1850年初提出:冷凍裝置可以用于加熱，之后許多科學(xué)家和工程師對(duì)熱泵進(jìn)行了大量研究，研究持續(xù)80年之久。 1912年瑞士的蘇黎世成功安裝一套以河水作為低位熱源的熱泵設(shè)備用于供暖，這是早期的水源熱泵系統(tǒng)，也是世界上第一套熱泵系統(tǒng)。熱泵工業(yè)在20世紀(jì)40年代到50年代早期得到迅速發(fā)展，家用熱泵和工業(yè)建筑用的熱泵開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，熱泵進(jìn)入了早期發(fā)展階段。 21 世紀(jì)，隨著“ 能源危機(jī) ”出現(xiàn)，燃油價(jià)格忽升，經(jīng)過(guò)改進(jìn)發(fā)展成熟的熱泵以其高效回收低溫環(huán)境熱能，節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，重新登上歷史舞臺(tái)，成為當(dāng)前最有價(jià)值的新能源科技。 前國(guó)際熱能署專門成立國(guó)際熱泵中心，設(shè)立熱泵推廣工程（Heat Pump Programme），向世界上各國(guó)推廣協(xié)調(diào)熱泵技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。 美、 加、瑞典、德、日、韓等國(guó)政府均發(fā)出專門官方指引，促進(jìn)熱泵技術(shù)的社會(huì)應(yīng)用。 熱泵技術(shù)的先進(jìn)性 節(jié)能: 熱效率460%, 運(yùn)行費(fèi)用是燃?xì)?、燃油鍋爐的1/3， 是電熱水器的1/4，比太陽(yáng)能低40%。 安全: 水電分離，無(wú)漏電危險(xiǎn) 適用: -15~50℃環(huán)境 環(huán)保: 無(wú)廢熱、廢水、廢氣