热泵技术及其发展与应用_刘恩海

热泵技术及其发展与应用

刘恩海①

（①平顶山工学院

何媛②

②中国轻工业西安设计工程有限责任公司）

摘要本文阐述了热泵技术，介绍了热泵的定义、原理、主要特点及其分类与型式；详细叙述了热泵技术在国内外的发展过程，并对其在我国的适用范围和应用前景进行了分析。

关键词热泵类型

节能

世界各国的能源消耗，以热能消耗量最大。在一次能源变成热能再转换成各种形式能量的过程中，约有５８．５％的能量是以排气、蒸汽、热水（低温）等排热形式损失的。而这些排热损失中，低于１００Ｃ的热能占很大比重。热泵技术的开发为利用低温热能提供了有力的手段，而且满足了节约能源和保护生态环境的要求［１［］７］。１

热泵的定义、原理及主要特点

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２热泵的分类与型式

１．１热泵的定义

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就像泵那样，可以把不能直接利用的低位热源（如空气，土壤，水中所含的热能，太阳能，工业废热等）转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤，燃气，油，电等）的目的。由此可见，热泵的定义涵盖以下几点：

（１）热泵虽然需要消耗一定量的高位能，但所供给用户的热量却是消耗的高位热能与吸取的低位热能的总和。因此，热泵是一种节能装置。

（２）热泵可由动力机和工作机组成热泵机组。利用高位能来推动动力机，然后再由动力机来驱动工作机运转，把低位的热能输送至高位，以向用户供热。

（３）热泵既遵循热力学第一定律，又遵循着热力学第二定律。在热泵定义中明确指出，热泵是靠高位能拖动，迫使热量由低温物体传递给高温物体。

１．２热泵的原理

热泵与制冷机的工作原理和过程完全相同。从热力学观点看都是热机工作过程的反循环。既是利用某种工质的状态变化，从较低温度的热源吸取一定的热量，通过一个消耗功的补偿过程，向较高温度的热源放出热量。热机与制冷机在名称上的差别只是反映了在应用目的上的不同。如果以得到高温为目的，则一般称之为热泵，反之则称之为制冷机。图１是制冷机、热泵和联合机的工作原理示意图。

［２］［３］［８］［９］

２．１热泵的分类

（１）按工作原理分：①蒸气压缩式；②气体压缩式；③蒸气喷射式；④吸收式；⑤热电式；⑥化学热泵等。

（２）按热源分：①空气；②地表水；③地下水；④城市自来水；⑤土壤；⑥太阳能；⑦废热（水、气等）等。

（３）按用途分：①住宅用，制热量为１￣７０ｋＷ；②商业及农业用，制热量为２￣１２０ｋＷ；③工业用，制热量为０．１￣１０ＭＷ等。

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（４）按供热温度分：①低温热泵，供热温度＜１００Ｃ；②高温热泵，供热温度＞１００Ｃ。

（５）按驱动方式分：①电动机驱动；②热驱动，热驱动又可分为热能驱动（如吸收式、蒸气喷射式热泵）及发动机（如内燃机、汽轮机驱动等）。

（６）按热源与供热介质的组合方式分：①空气－空气热泵；②空气－水热泵；③水－水热泵；④水－空气热泵；⑤土壤－空气热泵；⑥土壤－水热泵等。

（７）按热泵的功能分：①单纯制热；②交替制冷与制热；③同时制冷与制热。

（８）按压缩机类型分：①往复活塞式；②蜗旋式；③滚动转子式；④螺杆式；⑤离心式等。

（９）按热泵机组的安装形式分：①单元式热泵机组；②分体式热泵机组；③现场安装式热泵机组等。

（１０）按热量的提升分：①初级热泵（Ｐｒｉｍａｒｙｈｅａｔｐｕｍｐ），利用天然能源如室外空气、地表水、地下水或土壤等为热源；②次级热泵（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙｈｅａｔｐｕｍｐ）；以排出的废水、废气、废热等为热源；③第三级热泵（Ｔｅｒｔｉａｒｙｈｅａｔｐｕｍｐ）；与初级或次级热泵联合使用，将前一热泵制取的热量再升温。２．２热泵的型式

空调用可供制热和制冷的最为普通的闭式蒸气压缩循环有以下几种热泵型式。

（１）空气－空气热泵。这是最普通的热泵型式，特别适用于由工厂制造的单元式热泵。它被广泛地用于住宅和商业中。在该类热泵中。热源和用作供热介质的均为空气。可通过电动机和手动操作的换向阀来进行内部切换，以使被调房间获得冷量和热量。在该系统中，一个换热盘管作为蒸发器而另一个作为冷凝器。在制热循环时，被调的空气流过冷凝器而室外空气流过蒸发器。工质换向后则成了制冷循环，被调的空气流过蒸发器而室外空气流过冷凝器。

（２）空气－水热泵。这是热泵型冷水机组的常见型式。与空气－空气热泵的区别为室内采用热泵工质－水为换热器。冬季按制热循环运行，供热水作为空调采暖。夏季按制冷循环运行，供冷水作为空调用。制热和制冷循环的切换通过换向阀改变热泵工质的流向来实现。

（３）水－空气热泵。这类热泵热源为水（制冷运作时为冷源），用作供热（冷）的介质为空气，参阅文献。

（４）水－水热泵。无论是制热或制冷运行时均以水作为冷源和冷却介质。供热（冷）的介质亦为水。可用切换工质回路来实现制热和制冷运行。然而更方便的是由水回路中的三通阀来完成。

（５）大地耦合式热泵。利用大地的土壤作为热源和冷却物。与大地的换热可通过热泵工质－水换热器，也可以采用热泵工质在埋于地下的盘管中直接膨胀的形式，供热的介质为空气。水或防冻溶液被泵送至埋入大地中的水平、垂直或盘型管中循环。大地盘管可采用热泵工质直接膨胀，满液式或再循环的蒸发回路。大地耦合式热泵热

［３］

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１．３热泵的主要特点

以人的舒适为目的的一般建筑物空调系统应满足冬季供暖与夏季供冷两种要求，传统的空调系统通常要设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。冷源在冬季以热泵模式运行，则可省去锅炉和锅炉房，不但节省大量的初投资，而且消除了锅炉供暖中烟气对生态环境的污染。用电热设备（如电锅炉、电暖气）也可把电能转变为热能，但消耗一个单位分额的电能，最大只能获得一个单位分额的热量。依据热泵的工作原理，在外界输入一个单位分额电能的情况下，机组可以从低温热源吸取两个单位分额的热量，并将这三个单位分额的热量一起转移到高温热源（如室内空气）。这就是热泵机组的供热性能系数，或称“能效比”，即在供热工况下，消耗一个单位分额电能所能提供的热量。可见，节能环保、节省初投资是热泵空调系统的主要优点。

交换的效果与砂土类型、含湿量、成分、密度和是否均匀地紧贴换热面有关。管子材料和当地砂土及地下水的腐蚀作用会影响换热和使用寿命。３

热泵技术在国内外的发展历程

满足人们的节能要求。

（３）热泵具有利用以前不能利用的自然能源和排热能源这一优点。

表２示出了制备相同热量时，热泵与其他几种能耗、能量利用系数和环境污染情况的比较。可以看出，利用热泵供暖有较高的能源利用系数和较好的环境效益，是一种比较合理的供暖方式。特别是对于冬季有供暖要求，而夏季又有供冷要求的建筑物，或对于有全年空调要求，且冬季热负荷不大的建筑物，使用热泵优点更为明显。

３．１热泵技术在国外的发展

热泵技术的发展经历了一个多世纪。１８２４年卡诺首先提出热力学循环理论，１８５２年开尔文具体提出了热泵的设计思想，直到１９１７年德国卡赛伊索达制造厂首次把热泵应用于工业生产上。２０世纪３０年代，从热泵本身来说由于设备的一次投资比采暖系统的一次投资要高，以及因冬季温度低而使蒸发器表面容易结霜，需用电阻丝加热除霜，这无疑阻碍了热泵在西欧国家的应用。到了２０世纪５０年代，科学技术进步很快，电能成本降低，而燃料价格不断上涨，又由于精密工业和公共建筑大量要求进行空气调节。于是国外又积极开展热泵研究工作，并有了较大的发展，这段时间主要发展的是蒸气压缩式热泵，目前已在空调方面得到广泛应用，产品已成系列化。２０世纪７０年代以来，欧洲各国和苏（前苏联）、日、美、澳等国对热泵研究工作十分重视，各工业国均投入了大量的资金致力于更经济、输出温度更高、工业更为先进的新型热泵开发。

３．２热泵技术在国内的发展

由于我国能源价格的特殊性，以及一些其他因素的影响，热泵空调在我国的应用与发展较为缓慢。２０世纪５０年代，我国对热泵的研究尚处于起步阶段，２０世纪６０年代开始在我国暖通空调中应用热泵，直到７０年代末期，热泵空调的应用得以发展。到了２０世纪８０年代初，随着经济发展和人们生活水平的提高，能源问题变得突出。特别是在１９８９年中国科学院广州能源研究所举行的“热泵在我国的应用发展专家研讨会”，肯定了热泵在我国应用发展的可能性和重要性，但研究的种类多限于压缩式热泵，而且只有有限的几种应用形式——干燥去湿热泵、蒸发蒸馏热泵、热水型热泵。近年来，以热源为动力的吸收式热泵、化学热泵、吸附式热泵才有了一定的发展。４

热泵的应用及展望

表２几种供暖形式的能耗、能量利用系数及环境污染情况比较

从上面的讨论可以看出，所有这些因素决定了今后热泵技术发展总趋势是发展高效率的供热、供冷热泵和超级热泵系统。热泵系统只有在工农业生产中获得广泛应用，才能真正发挥热泵的优势。工业生产中，常需要高温热水或高温蒸汽，所以今后发展高温热泵也是一大趋势。

长远的观点来说，热泵的热源应采用可再生能源。太阳能是取之不尽的，用它作为人类所需能源供给可以部分解决能源危机。因而将来太阳能热泵的发展应该进一步寻求热泵系统与太阳能系统的更好结合，而且应该大力发展面向农村的小型热水型热泵。当然，随着城市化进程的推进，为充分回收工业生产和城市居民生活中的低温余热资源，可以学习一些工业发达国家，考虑把热管技术等纳入总体的供能系统工程中，从而形成“热电站热泵站热管网”的综合系统，整个系统通过计算机控制。该系统不但能发电、集中供热、集中空调，而且可利用各种余热，经转换后向工业、农业、商业、居民等提供不同温度的热源，有可能替代或部分替代大量使用的热水锅炉、低压蒸汽锅炉以及其它低温供热装置，也可降低城市大气污染程度。

参考文献

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［１４］赵海谦，王中华，刘立君．地源热泵结合地板辐射供暖系统在东北地区的应用前景．节能技术，２００４，２２（６）：５４－５５

［１６］李树林，南晓红，冀兆良．制冷技术．机械工业出版社，２００３，（８）

［１７］张祉祐．制冷原理与设备．机械工业出版社，１９８７作者简介刘恩海（１９７４－），硕士

，平顶山工学院讲师。

（收稿日期：２００８・１０・２０）

４．１热泵的应用范围

从热泵应用的范围看，目前国内外生产的热泵主要用于住宅和商业建筑的空调。这是因为建筑采暖占据着能源消耗大户的地位。１９７５年联邦德国的一次能源统计表明：在所消耗的能量中，４０％用于建筑采暖，３８％用于工业生产，其余用于照明、交通等。建筑采暖中能量分配如图２所示。可以看到在所消耗的全部能量中，８５％用于房间采暖。

在产业上主要用于低温干燥，如木材、食品等行业，具体应用范围见表１。

表１热泵技术的具体应用范围和目的

４．２我国热泵利用的展望

面向未来，热泵及其应用系统会被越来越广泛地采用，究其原因有以下几点：

（１）由于燃烧常规能源（石油、煤、天燃气等）而产生的烟灰、氧化物等有害物质对环境的污染已成为严重的问题。

（２）能源价格的上涨与常规能源数量的减少，要求人们必须节能。热泵所具有的用能效率高，运行的自动化和安全性，将会更多地