热泵技术热泵技术

1、热泵技术发展史 随着工业革命的发展， 19 世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质 “ 泵 ” 送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家 J.P.Joule 提出了“ 通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化 ” 的原理。 1854 年， W.Thomson 教授（即大家熟知的 Lord Kelvin 勋爵）发表论文，提出了热量倍增器（ Heat Multiplier ）的概念，首次描述了热泵的设想。 当时，热泵供暖的对象主要是民用，供暖需求总量小，特别是对由于采暖方式及其对环境的影响尚没有足够的意识。人们采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，热泵的发展长期明显滞后于空调

2、的发展。 上世纪 30 年代，随着氟利昂制冷机的发展，热泵有了较快的发展。特别是二战以后，工业经济的长足发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供热及工业用热泵的发展。 1973 年的全球性能源危机，进一步促进了热泵在全世界范围内的发展。但热泵在世界范围内的大规模商业应用是最近 20 年的事，如美国，截止 1985 年全国共有 14,000 台地源热泵，而 1997 年就安装了 45 ， 000 台，到目前为止已安装了 400 ， 000 台，而且每年以 10 的速度稳步增长。我国的热泵事业近几年已开始起步，而且发展势头看好。目前，我国利用较多的是水源热泵，而用空气源热泵制取生活用

3、热水在国内近两年刚刚起步。在国际上，由奥地利、荷兰、加拿大、挪威、法国、西班牙、德国、瑞典、意大利、瑞士、日本、墨西哥、英国、美国等国发起成立的国际能源记过（ IEA ）下设热泵中心（ HPC ），专门推广热泵技术的转化利用，提高能源利用率。 2002 年 5 月 19-22 日， IEA 热泵会议在北京召开。这时候 IEA 热泵会议第一次在发展中国家举行，也是第一次在非成员国国家举行。这充分表明在中国推广热泵产品的巨大潜力和光明前景。北京市地方政府已将热泵技术作为实现其能源和环境目标的四大支撑技术之一，中国已声明加入 IEA 组织，这意味着我国热泵技术的应用和发展开始进入纵深发展。 热 泵

4、种 类 一、空气能（热泵）以空气作为“源体”，空气能热泵，通过冷媒作用，进行能量转移。目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热水机组。热泵空调器已占到家用空调器销量的4050%，年产量为400余万台。热泵冷热水机组自90年代初开始，在夏热冬冷地区得到了广泛应用，据不完全统计，该地区部分城市中央空调冷热源采用热泵冷热水机组的已占到2030%，而且应用范围继续扩大并有向此移动的趋势。二、水源热泵以地下水作为冷热源体，在冬季利用热泵吸收其热量向建筑物供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放、实现对建筑物供冷。虽然目前空气能热泵机组在我国有着相当广泛的应用，但它存在着热泵供热量随

5、着室外气温的降低而减少和结霜问题，而水源热泵克服了以上不足，而且运行可靠性又高，近年来国内应用有逐渐扩大的趋势。三、地源热泵地源热泵是以大地为热源对建筑进行空调的技术，冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。由于其节能、环保、热稳定等特点，引起了世界各国的重视。欧美等发达国家地源热泵的利用已有几十年的历史，特别是供热方面已积累了大量设计、施工和运行方面的资料和数据四、复合热泵为了弥补单一热源热泵存在的局限性和充分利用低位能量，运用了各种复合热泵。如空气-空气热泵机组、空气-水热泵机组、水

6、-水热泵机组、水-空气热泵机组、太阳-空气源热泵系统、空气回热热泵、太阳-水源热泵系统、热电水三联复合热泵、土壤-水源热泵系统等。1、太阳-空气热源热泵系统太阳-空气热源热泵系统是在传统的空气热源热泵系统的基础上，利用太阳能热源而新开发的系统。它可以制冷、供热、供生活热水，是一种利用自然能源、无污染、适用性广、效率高的新型冷热源系统。2、土壤-水热泵系统土壤-水热泵（下称土壤热泵）可利用低品位的土壤热能提供热水或向建筑物供暖。美国、德国及瑞典等北欧国家，已有上万台此类热泵装置在运行，土壤热泵技术已趋成熟，并迅速地加以推广使用。目前正在制订土壤热泵用于供暖的技术规范。3、太阳能-水源热泵空调系统

7、太阳能水源热泵系统由三部分组成，即太阳能集热系统、水源热泵系统和热水供应系统。其系统是将建筑物的消防水池作为蓄水供应系统。以解决太阳能的间歇性和不稳定性。当环路水温高于35时，水源热泵空调系统同消防水池断开，冷却塔投入运行，当环路水温在1535之间时，太阳能作为冷却塔停止运行，生活热水供应的热源收集的太阳能用来加热生活用水；当环路水温低于15时，环路与消防水池连通，太阳能水源热泵空调系统吸收太阳能。若仍有多余的太阳能时，可继续加热生活用水。热泵除上述四类以外，还有喷射式热泵、吸收式热泵、工质变浓度容量调节式热泵及以CO2为工质的热泵系统。空气源热泵技术概况 热泵热水器是一种新型热水和供暖热泵产

8、品，是一种可替代锅炉的供暖设备和热水装置。与传统太阳能相比，热泵热水器不仅可吸收空气中的热量，还可吸收太阳能。热泵热水器通过制冷剂温差吸热和压缩机压缩制热后，与水换热，大大提高热效率，充分利用了新能源，是将电热水器和太阳能热水器的各自优点完美的结合于一体的新型热水器。目前，热泵热水器有空气源热泵热水器、水源热泵和太阳能型三种系列，是开拓和利用新能源最好的设备之一。空气源（太阳能）热泵是当今世界上最先进的产品之一，该产品以制冷剂为媒介，制冷剂在风机盘管（或太阳能板）中吸收空气中（或阳光）中的能量，再经压缩机压缩制热后，通过换热装置将热量传递给水，来制取热水，热水通过水循环系统送入用户散热器进行采

9、暖或直接用于热水供应。 地源热泵的技术原理及特点 技术原理： 地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（电能），即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于采暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到土壤中去，并且常年能保证地下温度的均衡。 技术特点： 环保：使用电力，没有燃烧过程，对周围环境无污染排放；不需使用冷却塔，没有外挂机，不向周围环境排热，没有热岛效应，没有噪音；不抽取地下水，不破坏地下水资源。 一机三用： 冬季供暖、夏季制冷以及全年提供生活热水。 使用寿命长：使用寿

10、命 20 年以上，是分体式或窗式空调器的 2-4 倍。 全电脑控制，性能稳定，可以电话遥控，可以进行温湿度控制和新风配送。 水源热泵技术 水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。地球表面浅层水源如深度在 1000 米以内的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取能量，由热泵原理

11、通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。水源热泵机组可利用的水体温度冬季为 12-22 度，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为 18-35 度，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，能效比也提高。 水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。 水源热泵作为一种新型的制冷供暖方式，从技术的角度，尤其是热泵机组的角度上看应当是相

12、当成熟、没有问题的。但考虑到水源热泵技术对环境的影响、回灌水的水质和温差等一系列因素会不会对环境造成重大影响，到目前为至，仍没有一个明确的答复。 HYPERLINK /ljj5-2.htm 热泵常识太阳能热泵热水器 太阳能热泵热水器的定义目前，我国热水器市场上的主流产品包括燃气、电热和太阳热水器三类。燃气热水器具有价格低、加热快、出水量大、温度稳定等优点，社会拥有量达到3000多万台，约占市场份额的43%。但是，燃气热水器在使用中存在安全隐患，必须分室安装且须专业人员安装，不易调温，需定期除垢。电热水器具有卫生、可靠、水温易调节、不受水压限制、安装维修方便等优点，安全性也较燃气热水器高，但电热

13、水器也可能因质量问题而引发触电危险，且它以消耗大量优质能源为代价来生产低温热水，造成能源的严重浪费。太阳热水器因其节能环保的优势近年来在我国得到了迅猛地发展。2001年全国太阳热水器的保有量为3300万m2，年产量为780万m2，均居世界首位。但是，常规的太阳热水器存在初投资较高、水资源浪费严重、冬季冻管和管路腐蚀等诸多问题，而且安装位置还受到建筑结构和建筑外观的限制。此外，一些新的热水器产品也开始在市场上崭露头角，例如，电磁热水器具有更高的热效率和更可靠的安全性，是目前采用的电热水器的技术换代型产品，而空气源热泵热水器具有风冷热泵空调器的基本技术特点，只是将冷凝热用于加热水而非空气，具有节能

14、省电、供水量大、安全可靠等优点，但仍存在风机的噪声和震动问题，以及在寒冷潮湿环境中室外机的结霜问题。太阳能热泵热水器通过直接利用周围环境中的低品位热源(太阳辐射能为主，空气热源为辅)，使得制冷剂的蒸发过程与太阳能的集热过程在同一装置中进行，并以消耗少量的电能为代价，将低品位热源提高温位后用于生活热水的生产，具高效节能、全天候、安全可靠、安装方便等诸多优点，既适用于户式集中热水供应，又适用于住宅小区的集中热水供应，是一种新型的、节能环保型热水器。太阳能热泵热水器的工作原理太阳能热泵热水器采用蒸汽压缩式制冷热泵循环原理进行工作，只是将太阳集热器与热泵蒸发器结合成一体，使得制冷剂在太阳能集热蒸发器中

15、直接获取太阳能等低位热能而蒸发(也称为直膨式热泵系统)。它主要由太阳能集热蒸发器、压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、储热水箱等部件组成，如图1所示。该装置的具体工作过程如下：晴天，经热力膨胀阀节流后的低温低压制冷剂首先流入太阳能集热蒸发器中，通过吸收太阳辐射能而蒸发，蒸发后的制冷剂被压缩机吸入并压缩成高温高压的气体，然后被排入设置在储热水箱底部的冷凝器中，制冷剂蒸汽通过与水进行对流换热而得到冷凝，同时水得热而升温，冷凝后的制冷剂经热力膨胀阀又重新流入太阳能集热蒸发器中，由此完成一次循环。阴天或夜间，太阳能集热蒸发器也可以通过吸收大气中的显热和潜热来维持正常的热泵循环，从而可以全天候地生产热水。 太阳

16、能热泵热水器的技术特点 集热效率高、成本低由于太阳能集热蒸发器的工作温度很低，一般接近环境温度，加上集热管内具有较高的相变换热系数，因此太阳能集热蒸发器的集热效率非常高。研究表明，即使采用顶部无盖层、底部无保温的裸板集热器，集热效率也高达40%80%。集热成本非常低。当集热板的工作温度低于环境温度时，太阳能集热蒸发器不仅没有热损失，反而从环境中吸收部分热量，此时它相当于一个空气源热泵热水器。节能、环保实验研究和理论分析均表明，太阳能热利用技术与热泵技术的结合不仅可以极大地改善太阳集热器的集热效率，而且可以有效提高热泵机组的COP(例如，据文献报道，在新加坡的气候条件下，一种太阳能热泵热水器的集

17、热效率达到40%75%，热泵COP达到49,热水温度从30升到55）。因而，应用太阳能热泵热水器可以节约大量用于生产低温热水的优质能源(如电能)，实现能源的合理利用和可持续发展，同时缓解由于化石燃料的消耗而造成的环境污染问题。全天候工作太阳能热泵热水器在晴天可以利用太阳能生产热水，而在阴雨天或夜间又可利用大气中的显热和潜热作为热泵的低温热源，从而实现全天候运行。例如，澳大利亚的Morrison等人对一种太阳能热泵热水器进行了24小时运行测试，结果表明，热泵COP在2.43之间变化。安全可靠、使用寿命长太阳能热泵热水器一般采用小型全封闭式压缩机，使用安全的家用电源，无需大电流的电气连接，运行安全

18、可靠；由于采用常规制冷剂（如R134a，R22等）作为循环工质，不存在影响传统太阳热水器寿命的管路腐蚀和防冻问题，使用寿命可达十年以上。易于与建筑实现一体化由于太阳能集热蒸发器通常采用质轻体薄、价格便宜的裸板集热器，不仅安装极其方便，而且容易与建筑实现一体化集成。依靠良好的建筑设计，该种集热器既可丰富建筑外观又可增强维护结构的保温性能。可以方便制成承压结构只要适当增加水箱内胆壁厚，热水器就可方便制成承压结构，从而可以直接连接到自来水管网中。此外，由于水箱采用垂直布置方式，热水使用中水箱内冷热水搀混较少，因此增大了储热水箱中可有效利用的热水量。太阳能热泵热水器的研究现状1955年Sporn和Am

19、brose第一次提出了直膨式太阳能热泵的概念，并通过实验证明了其有效性。此后，以Chaturvedi为首的国内外科研工作者对该种太阳能热泵热水系统进行了大量的实验和理论研究，其中包括系统的热力性能、结构形式、循环工质、控制方案等，为其商业化发展奠定了一定的基础。经济性分析上海地区能源的单位热值和价格见表。假设每人每天需要消耗55生活热水50升，则四口之家每天需要生活热水200升。查阅上海地区以往的气象年鉴，一年间其平均气温为15，则我们将全年平均冷水进口温度设定为15。为了满足此家庭全年的生活热水需要，拟选择以下四种热水器，并加以经济性分析比较。在相同条件下各种热水器经济性能的比较结果见表。从

20、表可以看出，尽管太阳能热泵热水器的设备初投资高于其他三极管种热水器产品，但是其全年实际能源消耗量和年运行费用最少。与燃气热水器比较，太阳能热泵热水器可节约一次能源约24（热力发电厂的发电效率按35%估算）；与电热水器和常规的全天候（辅助电加热）太阳热水器相比，太阳能热泵热水器全年节电分别达70和36。由于太阳能热泵热水器具有较长的使用寿命，因此若考虑各种热水器不同的使用寿命，则太阳能热泵热水器的经济性能还将进一步提高。在所选择的四种热水装置中，采用太阳能热泵热水器提供生活热水在10年间所需的总投资和人均日平均洗浴费用最省。据此分析，太阳能热泵热水器在我国热水器市场上必将具有良好的竞争力。 热泵

21、技术三大优势热泵技术优势一：它能长期大规模地利用江河湖海、城市污水、工业污水、土壤或空气中的低温热能。可以把我们生产和生活中弃之不用的低温热能利用起来。热泵技术优势二：它是目前世界上最节省一次能源（即煤、石油、天然气等）的供热系统。它能用少量不可再生的能源将大量的低温热量升为高温热量。例如，电热采暖消耗 1 千瓦时的电，只能提供 1 千瓦时的热；而一般设计施工好的热泵系统，消耗 1 千瓦时的电，就可提供 4 千瓦时的热。有专家计算过：同样提供 10 千瓦时的热，采用电阻式采暖，就需消耗34千瓦时的一次能源（其中包括 24 千瓦时的发电与输配电损失）；采用高效率的燃油、燃气锅炉采暖，如不计算管道

22、的热损耗，还需消耗 29.1 千瓦时的一次能源；而采用电热泵采暖只需消耗 2.7 千瓦时电能，再加上发电与输配电损失 3.3 千瓦时，总计只消耗 6 千瓦时的一次能源。可见热泵技术所消耗的一次能源仅是前两种供热方式的15或近16。热泵技术优势三：它在一定条件下可以逆向使用，既可供热，也可用以制冷，而不必搞两套设备的投资。空气源热泵优势 空气源热泵是以空气作为高温 ( 低温 ) 热源来进行供热 ( 供冷 ) 的装置。热泵热水器在我国的发展，业内一般认为第一代热水器是燃气热水器，第二代热水器是电热水器，第三代是太阳能热水器。而空气源热泵热水器普遍被认为是第四代热水器，主要是认为它间接利用了太阳能，

23、运行效果不受时空限制，出水温度全年恒定，比太阳能热水器更先进。在热水器行业内享有“传统太阳能热水器的升级版”美誉的空气源热泵，作为第四代热水器，它一改传统太阳能产品只依赖太阳直射或辐射来收取能源的方式，利用设备内的冷媒从自然环境空气中采集热能并通过热交换器使冷水升温，同时排放冷气。空气源热泵热水器是热泵技术在生产热水方面的一个应用，真正实现了水电分离，它具备其它热水器不可比拟的优势。 其优点如下： 高效节能：其输出能量与输入电能之比即能效比( COP)一般在 2 6 之间，平均可达到 3 以上。 安全有保障：加热方式完全不同于普通电加热，从根本上杜绝了普通电加热漏电、干烧等安全隐患； 电路只有

24、控制线路而无强电线路连接， 实现了完全的水电分离。 安装方便、环保：可以安装在室外空地、地面、楼顶、阳台、大型停车库、设备层等处，不需专门的设备房。无废水、废渣、废热、废气排放，不会对大气和环境产生任何污染。 模块化控制功能：由多台主机构成的热水供水系统，实现模块化控制，保证每台主机总运行时间一致。主机由微电脑控制自动运行，自动启停，不需专人值守。 宽气候带：适用于 -22 43 的气候环境条件。 自动化霜：主机具有防结霜和自动霜功能，确保机组在低温环境条件下性能稳定可靠。 自动定时开机功能：用户可以自己设定机组自动开机时间，从而实现峰谷用电，运行使用费更省。 自动能量调节功能：确保机组夏天高

25、温条件下不会出现超负荷，冬天低温环境条件下机组稳定运行保持较高的能较比。 适用范围广：特别适用于宾馆、桑拿洗浴中心、招待所、学校、工矿职工洗浴、室内泳池水加温等场所。 地源热泵优缺点地源热泵优点 1、属可再生能源利用技术 地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于 400米深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能(Earth Energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种

26、储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。 2、属经济有效的节能技术 地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高 40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。 据美国环保署 EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户3040的供热制冷空调的运行费用。 3、环境效益显著 地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少 40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其它节能措施节能效果会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量；属自