热泵系统从入门到精通

我们都知道，在自然状态下，我们不能将外部寒冷环境中的热量带到更加温暖的室内环境中。 

同时我们也知道，科技的发展则是通过理论及相关设备将自然状态下不可能发生的事情实现。

而这项将热量从冷环境传送到热环境的技术已存有150多年了。

这项技术至今广泛运用于制冷设备的生产：即把热量通过制冷剂散发到外部更高温度的环境中去的设备。

同样，这项技术也可运用于制热：即将外部环境中的热量传送到室内进行制热而无需燃烧燃料来产生热量。

下面我们将对制冷和制热的方式通过两个图示进行说明。

图例分为以下三个部分：

步骤 1 — 获取热空气

我们假设将 35℃的热空气封闭到一个带可运动活塞的圆柱体内。

步骤 2 — 膨胀

我们设法将此空气膨胀，比如膨胀为原体积的 1.2 倍。这样则会造成空气温度的降低，因为：

－ 空气膨胀后，初始状态时存在的热量散发给更大容积的空气。

－ 用于膨胀的能量从圆柱体内空气中提取（流体学理论）。在此假设的膨胀容积下 ， 空气温度从 35℃下降到了13.3℃。

步骤 3 — 制冷

我们把这个空气温度为13.3℃的圆柱体转移到温度为 26℃的室内。圆柱体内的空气则可以进行室内制冷。此图例说明了可以将更高温度的空气膨胀并转移，然后进行室内环境的制冷。

图例分为以下三个部分：

步骤1 — 获取冷空气

我们假设将10℃的冷空气封闭到一个带有可运动活塞的圆柱体内。

步骤2 — 压缩

我们将此空气压缩，使其容积减少20%，这样则会造成其温度升高，因为：

— 空气压缩后，初始状态时存在的热量加热更小容积的空气。

— 用于压缩空气的能量传送到圆柱体内的空气中（流体  学理论）。

在此假设的压缩体积下，空气温度由10℃上升到了 36.4℃。

步骤3 — 制热

我们把这个空气温度为36.4℃的圆柱体转移到温度为 20℃的室内，圆柱体内的空气则可进行室内的制热。

此图例说明了可以将更低温度的空气进行压缩并转移然后用于室内的环境制热。

能够将热量从低温环境传送到高温环境的设备有很多种，每种之间的物理及化学过程不一。

然而市场上最为普通的设备则是利用前面所讲述的两种现象。

这些设备的核心原理是一个封闭循环的回路，其中的介质被称为冷媒或制冷剂，它在此循环回路中被连续地压缩和膨胀。

在每次被压缩和膨胀时（即每一轮工作状态），制冷剂将热量从低温环境中‘抽取’并传送到高温环境中。

空气并未作为冷媒使用，尽管它不会造成污染且无成本。因为其每轮工作状态的热效率相当低。

实际使用的冷媒是能够在吸收热量时蒸发，散发热量时冷凝的液体。液体形态的改变过程能够在每一轮工作循环中极大地提高热效率。

将循环方式调转，这类设备既可用于供热也可用于制冷。

第一种方式下它被称为热泵，第二种方式下被称为制冷机。这只是名称上的区别而已。

下图为热泵的主要构成组件，下面则分别介绍了每个组件的功能。

最早的制冷机器采用氨作为制冷剂，由于其毒性和腐蚀性强，已不再作为制冷剂使用。

很多年以来，氟里昂一直作为制冷剂使用，但由于它会破坏臭氧层从而危害地球的生态环境已被禁止使用。

目前使用最多的制冷剂为HCFC（含氢氯氟烷烃）。对于新型制冷剂的研究一直在进行中。目的是尽量减少对环境的污染同时提高其热效率。

压缩机

压缩冷媒，提高其温度。

冷凝器

使冷媒从气态转变为液态时散发热量。

膨胀阀

使冷媒膨胀温度降低。

蒸发器

使冷媒从液态转变为气态时吸收热量。

人类从一开始就学会了生火取暖。然而制冷技术却迟迟源于十八世纪末，制冷的发明极大地改善了人们的生活水平。

今天，在我们的社会文明中，制冷工业有着其不可取代的与日常生活息息相关的巨大作用。

以下是制冷工业在历史上的几大事件：

1834年：雅各布?帕金斯（Jacob Perkins）在伦敦制造了第一台蒸汽压缩式制冷机。

1859年：F?卡列（CARRE）发明了氨水吸收式制冷机，开始工业冰的生产。

1895年：冷冻船将肉食从阿根廷运输到欧洲。

1911年：W?开利（CARRIER）发明了第一台空调。

热泵的历史始于1973年的石油危机，其后果是燃油价格的迅猛上涨。

燃料的危机让人们意识到，在某些场合，可以从冷源中抽取热量而不需直接燃烧产生热量。也就是说，可以使用热泵取代锅炉。

热泵的真正普及是在2000年之后，除了之前所提及的燃料价格问题外，更多的是出于对环境的考虑，因为燃料燃烧产生的大气污染，使人们更加关注于环境，更多使用清洁能源。

热泵的性能至关重要，以下我们将介绍与供热相关的性能特征。制冷的特性数据与供热大致相等。

这些特性指根据明确的实验条件下得出的系数。

它指热泵输出热量与压缩机所消耗电量之间的关系：

实际上，它指压缩机消耗 1kW 电量所能获得的热量。比如说ε＝4，那么则指 1kW 的耗电量下可获取 4kW 的热量。

ε值主要取决于冷源与供热温度之间的温差：温差越小， ε值越大，即热泵效率越高。很明显，将热量从 10℃的环境中传送到 30℃的供热介质中远比传送到 50℃的供热介质更加容易。

此效率系数（由EN 255标准定义）指热泵的输出热量与热泵的压缩机及其它元件所消耗电量之间的关系。

这类系数被命名为COPA，即COP的年平均值。它指一年之内的有效供热量与系统运行总共耗电量之间的关系。

此系数不仅与热泵本身的性能相关，还与热量的分配及调节性能密不可分。

这个系数对于计算系统的运行费用相当重要。 

当然，要确定这个年均性能系数并不容易，它受很多因素的影响，比如：

— 冷源温度的变化。

— 系统的分布及末端的种类。 

— 系统的调节方式。

— 热泵的调节方式。

同时，热泵压缩机的起停次数也非常关键。在热泵开启阶段，电机需要预热，所以这时的COP 值就会低于实验室理想的工作状态下得出的数据。目前市场上已有专业的确定COPA值的计算公式和软件，因为其复杂性我们在此不做介绍。可以预测的是，很快会有官方的计算方式出台，以避免厂家提供的模棱两可的引发争议的数据，这样才可 以对使用了热泵系统的建筑颁发官方的节能认证。

热泵的冷媒吸热端可使用多种不同的冷热源。如何选择合适的冷热源主要参考以下各因素：

— 外部环境特征。

— 相关法规的约束情况。

— 所需工作特性。

— 系统造价。 

— 投资款最快回收期限。 

以下我们对常用的几种冷热源及其特性进行介绍：

空气源既可是室外空气也可是室内交换空气。

室外空气：特点是随时随地可取，无需特殊的获取设备，无需专业机构的批准。但是当室外空气温度低于 5-6℃时，热泵效率明显降低，这时需要辅助加热系统。

室内交换空气（通常在20℃左右）；没有上述室外空气的缺点，但空气量较小。

表层水源包含：海水，湖泊，运河，水塘，这些都可作为冷热源使用。值得考虑的是，在非常寒冷的季节，某些冷热源温度很低且会结冰。

同空气源一样，它们在温度过低的情况下也同样需要辅助加热系统。

地面下有大量储存的热量，它们来源于太阳能和地热能，太阳能的能源大多储存在地下浅层，而地热能则储存在更深层。

地下的热源可通过以下几种方式利用：

• 潜水含水层。

• 横式盘管：使用塑料盘管吸取地下浅层热量。

• 竖式盘管：使用塑料盘管深入地下100-200米吸取热量。

• 桩埋管：将U型管换热器埋于建筑物混凝土桩基中。

我们之前讨论过，冷源与供水温度的差值越小，热泵的效率则更高。因此热泵更适合于低温采暖方式。根据这个特点，常见的采暖方式有以下的优缺点：

比如说，一个在 80℃时能输出 1,000 kcal/h 热量的散热器，在 45℃时只能输出 320 kcal/h 的热量。这样则会造 成散热器设计片数增加。

另外一个局限性则是无法使用散热器制冷。

地热指地表层下储存的热能。

它主要源于岩石中放射性物质衰变产生的能量。

地球内部的温度为大约平均每下降1000米上升30℃，在地球的核心温度高达6500℃。

随着深度而变化的地下温度并非一致，根据地下结构层的变化而不一。比如温泉、火山等发源地的地下结构层就与其它的差异很大， 因此温度变化也并非完全按此深度的规律。

地热的使用方式通常分为以下几类：

高温地热

指超过180℃的高温水或蒸汽， 用于直接发电。 第一台使用地热发电的设备 1906年在PISA建成。

中温地热

指100～180℃之间的高温水或蒸汽，可通过辅助的介质进行发电。 

中低温地热

指30～100℃之间的热水。用于热电联产，温泉设备等。

低温地热

指30℃以下的地热，主要用于热泵使用。