熱泵的分類、原理、及其比較

1、第 2 章 熱泵的分類及工作原理2.1 熱泵的概念“熱泵”（heat pumpS這一術(shù)語是借鑒“水泵” 一詞得來的。在自然界中， 水從高處自發(fā)流向低處， 水泵可將水從低處送到高處利用。 同樣， 熱量可自發(fā)從 高溫?zé)嵩磦飨虻蜏責(zé)嵩?，而熱泵可將低溫?zé)嵩吹臒崃俊氨盟汀?（交換傳遞）到高 溫?zé)嵩醇右岳茫?所以熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置。 我國暖通空調(diào)術(shù)語標(biāo) 準(zhǔn)（GB50155-92對熱泵的解釋是“能實現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)”, 新國際制冷詞典 （ New International Dictionary of Refrigeration）對熱泵的解釋是“以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統(tǒng)

2、” 。2.2 熱泵的分類【 3】由于熱泵系統(tǒng)構(gòu)成、 設(shè)備特性、 熱源的種類以及用途的多樣性， 熱泵的分類 也多種多樣， 常見的分類方法有按驅(qū)動能源種類分類、 按工作原理分類、 按熱源 的種類分類、按主要用途分類、 按供熱溫度分類、 按熱源和供冷供熱介質(zhì)的組合 方式分類、 按熱泵機(jī)組安裝方式分類、 安熱泵的功能方式分類、 按能倆熱泵的功 能方式分類、按能量提升級數(shù)分類等。主要內(nèi)容如下。2.2.1 按驅(qū)動能源種類分類（ 1 ）電動機(jī)驅(qū)動（2）熱驅(qū)動 熱驅(qū)動又可分為熱能驅(qū)動 （如吸收式熱泵、 蒸汽噴射式熱泵） 及發(fā)動機(jī)驅(qū)動（如內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動、汽輪機(jī)驅(qū)動等） 。2.2.2 按工作原理分類（ 1 ）蒸汽壓縮

3、式 這是熱泵中最為普遍而廣泛應(yīng)用的一種形式。這類熱泵 中，熱泵工質(zhì)通常在由壓縮機(jī)、 冷凝器、節(jié)流裝置及蒸發(fā)器等部件組成的系統(tǒng)中 進(jìn)行循環(huán)，并通過工質(zhì)的狀態(tài)變化及相變來實現(xiàn)將低品味熱能泵送至高品位溫度 區(qū)的目的。（ 2）氣體壓縮式 與蒸汽壓縮式熱泵的區(qū)別在于這類熱泵中工質(zhì)始終以氣 態(tài)進(jìn)行循環(huán)而不發(fā)生相變、如飛行器中空調(diào)系統(tǒng)多采用空氣壓縮式。（ 3）吸收式 消耗較高品位的熱能來實現(xiàn)將低品位的熱能向高品位溫度區(qū) 傳送的目的。吸收式熱泵通常由蒸發(fā)器、冷凝器、吸收器、發(fā)生器及節(jié)流閥等組 成。吸收式熱泵工質(zhì)中最常見的有水 - 溴化鋰（工質(zhì)為水，吸收劑為溴化鋰） 、氨 - 水（工質(zhì)為氨，吸收劑為水）及其他。

4、吸收式熱泵又可按其供熱溫度的高低分 為第一類吸收式熱泵（增熱型） 、第二類吸收式熱泵（升溫型） 。前者供熱的溫度 低于驅(qū)動熱源，而后者供熱的溫度高于驅(qū)動熱源； 前者以增大制熱量為主要目的， 而后者以升高溫度品味為只要目的。（4）蒸汽噴射式 實際上這類熱泵是以蒸汽噴射泵代替機(jī)械壓縮機(jī)，其余 的工作原理均與蒸汽壓縮式相同。 作為驅(qū)動力的蒸汽可來自鍋爐， 也可利用工藝 過程中的水蒸氣或其他蒸汽。（5）熱電勢 利用帕爾帖（ Peltier ）效應(yīng)，即當(dāng)直流電通過由兩種不同導(dǎo) 體組成的回路時會在回路的兩個連結(jié)端產(chǎn)生溫差的現(xiàn)象。（6）化學(xué)熱泵 利用化學(xué)吸收、吸附、等現(xiàn)象或化學(xué)反應(yīng)等原理制成的熱 泵。2.2

5、.3 按熱源種類分類 熱泵的熱源往往是低品位的，可分為空氣、地表水（又可分為江河水、湖泊 水、海水等）、地下水、城市自來水、土壤、太陽能、廢熱（水、氣）等。2.2.4 按主要用途分類（1）住宅用 制熱量一般為 1-70KW。（2）商業(yè)及農(nóng)業(yè)用 制熱量為 2-120KW。（3）工業(yè)用 制熱量為 0.1-10MW。2.2.5 按供熱溫度分類（1）低溫?zé)岜?供熱溫度 100 攝氏度。2.2.6 按熱源與供熱介質(zhì)的組合方式分類（1）空氣- 空氣熱泵 以一側(cè)的空氣為吸熱對象、 以另一側(cè)的空氣為供熱對 象的熱泵。（2）水- 空氣熱泵 以水（如河水、地下水、廢熱水等）為吸熱對象、以空 氣（或氣體）為供熱對象

6、的熱泵。（3）空氣 - 水熱泵 以空氣（或氣體）為吸熱對象。34）水- 水熱泵 以水（如河水、地下水、熱污水、工業(yè)冷卻水等）為吸熱對象、以水為供熱對象的熱泵。（5）土壤- 水熱泵（大地耦合式熱泵）以土壤為吸熱對象、以水為放熱對象的熱泵。（6）土壤- 空氣熱泵（大地耦合式熱泵）以土壤為吸熱對象、以空氣為放熱對象的熱泵。2.2.7 按壓縮機(jī)類型分類 主要有往復(fù)活塞式、渦旋式、滾動轉(zhuǎn)子式、螺桿式、離心式等。2.2.8 按熱泵供能方式分類 分為單純制熱、交替制冷與制熱、同時制冷與制熱。2.2.9 按熱量提升級數(shù)分類（1）初級熱泵 利用天然能源如室外空氣、地表水、地下水或土壤等為熱 源。（2）次級熱泵

7、以排出的廢水、廢氣、廢熱等為熱源。（3）第三季熱泵 與初級或次級熱泵聯(lián)合使用，將前一級熱泵制取的熱量 再升溫。如寒冷地區(qū)可用多囧熱泵的組合提供供暖用熱。2.3 熱泵的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)熱泵通常被作為一種節(jié)能裝置，其性能系數(shù)用COP來表示，它指其收益（制 熱量）與代價（所耗機(jī)械功或熱能）的比值。1、壓縮式熱泵：用& h表示,為制熱量Qh與輸入功率W的比值& h= Qh/ W=（Q0+W）/W=1丸 12、吸收式熱泵：用Z表示，為制熱量Qh與輸入熱能Qg的比值Z = Qh/ QgCOP-Coefficient of Performance 也稱能效比【 4】。在冬季供熱時，制 熱量與輸入功率的比率定義為熱

8、泵的循環(huán)性能系數(shù)COP。在夏季制冷時，制冷量與輸入功率的比率定義為熱泵的能效比EER（ Energy Efficiency Ration ）。為不引起歧義，我們將冬季熱泵循環(huán)性能系數(shù)和夏季熱泵的能效比表達(dá) 形式均米用COP（能效比）表示。2.4各類熱泵的原理及優(yōu)缺點2.4.1 水源熱泵【 5】 以地能（地下水、地表水）為主要能源，電能為輔助能 源，利用制冷劑作載體， 將源源不斷的低位熱源開發(fā)利用， 實現(xiàn)低品位熱能向高 品位轉(zhuǎn)移。其優(yōu)點為： 1、屬可再生能源利用技術(shù)； 2、高效節(jié)能； 3、運行穩(wěn)定 可靠； 4、環(huán)境效益顯著一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣； 6、自動運行。其不足為： 1、 可利用的水源條件限

9、制； 2、水層的地理結(jié)構(gòu)限制； 3、隨緣的經(jīng)濟(jì)性不穩(wěn)定。2.4.2 地源熱泵 是利用水源熱泵的一種形式， 它是利用水與地能 （地下水、 土壤或地表水）進(jìn)行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量 “取”出來，供給室內(nèi)米暖，此時地能為“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量取出來，釋 放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”。地源熱泵系統(tǒng)【6】的優(yōu)越性表現(xiàn)為： 1、低維護(hù)地源熱泵系統(tǒng)的運動部件要比常規(guī)系統(tǒng)少，因而減少 了維護(hù)，并且更加可靠； 2、安全地源熱泵系統(tǒng)在運行中沒有燃燒，因此不可 能產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳之類的廢氣集結(jié)在家中或商業(yè)建筑內(nèi)；3、運行費低地源熱泵系統(tǒng)的效率比燃燒礦物燃料、燃油、天然氣和丙烷的設(shè)備都高；4、舒適由于地源熱泵系統(tǒng)的供冷、 供熱更為平穩(wěn)， 降低了停、開機(jī)的頻率和空氣 過熱和過冷的峰值； 5、可靠如果安裝適當(dāng)，系統(tǒng)將可使用 25 年以上； 6、易 于改建 - 建筑物中現(xiàn)有的供熱、 供冷風(fēng)管通?？芍苯舆B接到地源熱泵系統(tǒng)上； 7、 改善環(huán)境 - 比較典型的，是將地源熱泵系統(tǒng)安裝在車庫或其他室內(nèi)場所， 使設(shè)備 不暴露在惡劣的氣候中，并使其運行安靜，甚至使用戶感覺不出設(shè)備正在運行。 土壤熱源的優(yōu)點是溫度穩(wěn)定，不用風(fēng)機(jī)或水泵米熱，無噪聲、無需除霜，其缺點 為土壤傳熱性能