熱泵(熱學 pumps)是一種能源利用設備，可以從低溫物體抽取熱量給高溫物體。
熱泵一詞借鑒于“水泵”，自然界的水從高處流向低處，水泵則可以將水從低處送到高處。根據熱力學第二定律，熱量總是自發(fā)地從高溫物體流向低溫物體，把具有將熱量送到更高溫度物體這一功能的設備，形象地稱為熱泵。
熱泵的誕生可以追溯到19世紀20年代，卡諾循環(huán)的發(fā)現為熱泵研究奠定了理論基礎。第一個熱泵系統(tǒng)在1852年由湯姆遜提出(Thomoson)，經過曲折的發(fā)展后，最終在1930年由霍爾丹(Haldane)研制出實用可行的熱泵設備。這一裝置也被視為現代蒸汽壓縮式熱泵的原型，它主要由壓縮機、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器四大件以及輔助部件構成。隨著后面的發(fā)展，熱泵的結構也不斷得到豐富和改進，出現了以溶液回路和噴射器等結構來代替壓縮機的吸收式熱泵和蒸汽噴射式熱泵。熱泵的應用范圍也由早期的采暖供熱隨之覆蓋到工農業(yè)產品的干燥，海水淡化，化工蒸發(fā)蒸餾等。
歷史發(fā)展
19世紀中葉——熱泵理論的奠定
1824年卡諾循環(huán)的發(fā)現，為熱泵的誕生奠定了理論基礎。1852年湯姆遜(Thomoson)最早提出一種熱泵系統(tǒng)的設想，那時稱為“熱量倍增器”。
20世紀20-30年代——熱泵的正式誕生
熱泵的理論雖然在19世紀中葉就被人們提出，但受到能源和技術地限制，熱泵的發(fā)展并不順利，直到20世紀20年代之后，熱泵才真正地誕生并投入使用。
直到20世紀20年代初期，克勞斯(Krauss)和摩爾利(Morey)對湯姆遜提出設想重新進行論述，并加以完善相關理論。
1927年，霍爾丹(Haldane)在蘇格蘭利用氨作為工質，安裝使用了首臺熱泵裝置——一臺可用于室內供暖和給水加熱的熱泵，這一裝置也被視為現代蒸汽壓縮式熱泵的原型。加上20世紀30年代世界范圍的經濟困難，給歐洲熱泵的發(fā)展帶來了必要的刺激。
20世紀40-60年代——熱泵技術快速發(fā)展時期
1941年前后，歐洲地區(qū)的學校、醫(yī)院、牧場等場合大量應用各種熱泵裝置，標志著熱泵技術進入快速發(fā)展時期。此后的20多年，出現了諸如土地熱源熱泵，燃氣供熱源熱泵，制熱制冷兩用的熱泵機組等等，熱泵也進一步投入大型商業(yè)建筑的熱回收系統(tǒng)中。
20世紀70年代以后——熱泵技術的成熟期
1971年，美國的熱泵年產能已經超過8萬臺，隨后的發(fā)展中，日本，德國，瑞典，芬蘭等在熱泵產能、運行數量等方面都得到飛躍式進步，標志著熱泵技術進入成熟期。1992-1994年，國際能源機構對25個國家的調查分析顯示，全世界安裝運行的熱泵數量超過5500萬臺。而隨著能源與環(huán)境危機，熱泵技術的使用對于緩解能源壓力和環(huán)境問題都不斷發(fā)揮著積極作用。
基本結構和功能
熱泵一般由壓縮機、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器以及輔助部件構成。
壓縮機
功能：吸入來自蒸發(fā)器的高溫低壓工質，將其壓縮成高溫高壓工質。
類型：按工作原理分為容積式和離心式；按密封型式分為全封閉式，半封閉式，開啟式壓縮機。
特點：壓縮機只有在壓縮式熱泵系統(tǒng)中才要求存在，在吸收式熱泵和蒸汽噴射式熱泵中，可以分別用溶液回路或者噴射器來代替。
冷凝器
功能：通常處于供熱端，是熱泵向用戶傳輸熱量的直接裝置。它接收來自壓縮機的高溫高壓工質，利用載熱介質釋放熱量給供熱端，并使工質冷凝成液體。
類型：按結構可以分為管殼式冷凝器，套管式冷凝器，板式冷凝器，螺旋板式冷凝器；
特點：冷凝器本質是一個換熱器，其載熱介質既可以是液體，也可以是氣體。液體作為載熱介質的冷凝器結構緊湊，但容易結垢；液體作為載熱介質的冷凝器安裝使用方便，但體積大，占空間，不適合大規(guī)模熱泵系統(tǒng)。
節(jié)流部件
功能：節(jié)流部件在熱泵系統(tǒng)中一方面是作為阻力元件，對從冷凝器出來的低溫高壓工質進行降壓；另一方面是充當流量調節(jié)元件，使得壓縮機吸氣量、冷凝器排熱量、蒸發(fā)器負荷三者相匹配。
特點：毛細管結構簡單，價格便宜，但調節(jié)能力弱，容易堵塞；熱力膨脹閥調節(jié)范圍大，價格較低，但缺乏對流量的補償能力；電子膨脹閥最大的優(yōu)點是優(yōu)異的調節(jié)能力，但價格昂貴。
蒸發(fā)器
功能：從低溫熱源吸收熱量，使經過節(jié)流部件的低溫低壓工質蒸發(fā)；
類型：按結構可以分為管殼式，套管式，板式，螺旋板式蒸發(fā)器；
特點：本質也是一個冷卻器。因此與冷凝器特點相近，但由于處在低溫端，所以需要一定的防凍措施。
輔助部件
四通換向閥：在壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器的管道之間切換，使熱泵同時具備空調制冷的功能。
干燥過濾器：由除去熱泵中水分的干燥器和除去雜質的過濾器組合在一起。
氣液分離器：從蒸發(fā)器出來的工質不一定是“干氣”，可能混有液滴，對壓縮機會有較大影響。通常設置在蒸發(fā)器和壓縮機之間。
油分離器：壓縮機的潤滑油可能混入工質蒸汽中。通常安裝在壓縮機后面或者冷凝器前面。
儲液器：通常設置在冷凝器之后，儲存冷凝器出來的液體工質，用以適應工況變化。
電磁閥：設置在節(jié)流部件前面，防止停機時，大量液態(tài)工質進入蒸發(fā)器，導致壓氣機啟動時吸入液體產生液擊。
高低壓控制器：串聯(lián)在壓縮機控制電路中，防止壓縮機工況壓力過低或者過高產生安全隱患。
理論原理
熱泵裝置和制冷裝置的工作原理沒有本質的區(qū)別，實質都是逆向工作的熱機，遵從基本的熱力學定律。根據熱力學第二定律，向熱泵輸入一定的驅動能量W，熱泵就可以通過熱力循環(huán)從低溫物體抽取一部分熱量，傳給高溫物體更高的熱量。這三者又滿足能量守恒定律，即。熱泵的熱力熱力學循環(huán)常用逆向卡諾循環(huán)和亨德里克·洛倫茲循環(huán)表示。
性能評價指標
性能系數COP
熱泵的性能系數(coefficient of performance，COP)是評價熱泵節(jié)能性能最重要的指標之一。
定義：在評價熱泵效能的時候，采用高溫處得到的有用熱量同它所消耗的外W的比值( )來評價，一般把這一比值稱為熱泵的性能系數，術語常用符號COP表示。用如下公式表示：。
特點：無論得大小，COP都是大于0的，而COP越大，表示消耗的一定的功W，產生的有用熱量越多，熱泵的性能越好。
熱泵的制熱季節(jié)性能系數HSPF
熱泵的制熱季節(jié)性能系數（heating seasonal performance factor，HSPF）是用來評價熱泵用于某一地區(qū)在整個采暖季節(jié)運行時的熱力經濟性的參數。
定義：HSPF定義為整個供熱季節(jié)熱泵供熱量與整個供熱季節(jié)總輸入能量之比。公式表示為。
特點：熱泵的制熱季節(jié)新能系數除了與不僅與熱泵本身的設計和制造情況有關，還與熱泵的熱源、供熱負荷系數、熱泵的運行特性等有關。
熱泵能源利用系數E
熱泵能源利用系數E是指熱泵對于能源的利用效率。
定義：能源利用系數E定義為供熱量與熱泵運行時消耗的一次能源的總量之比。公式表示為。
特點：能源利用系數E不僅與熱泵的種類和型號有關，而且不同的能源(電能，油氣等)驅動同一臺熱泵時，熱泵對能源的利用效率也有有所出入。使用能源利用系數E可以進一步對熱泵的節(jié)能效果來評估。
熱泵的?效率
熱泵進行的熱力過程時不可逆過程，將過程的不可逆損失稱為損失，引入?效率可以反應?損失的大小。
定義：熱泵的?效率定義為收益?和輸入熱泵消耗的能量?的比值。用公式表示為。
特點：?效率越大，說明系統(tǒng)的?損失越小，熱力過程的不可逆損失也越小。
熱泵種類
按熱泵驅動方式分類
壓縮式熱泵
構成：壓縮式熱泵一般由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四部分構成。
驅動方式：壓縮式熱泵的驅動方式主要為壓縮機，它利用壓縮機實現對蒸汽的加壓驅動。具體工作過程為：蒸發(fā)器吸收低溫端熱量產生高溫低壓蒸汽，被壓縮機壓縮形成高溫高壓蒸汽，進一步在冷凝器中釋放熱量給供熱端，產生的低溫高壓乏氣在通過節(jié)流部件后回到蒸發(fā)器，工質在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，實現連續(xù)工作。
特點：壓縮式熱泵依據工質又可以分為蒸汽壓縮式和空氣壓縮式，二者的區(qū)別在于有蒸汽壓縮式利用冷凝過程來交換熱量，可以實現更大的功率。
吸收式熱泵
構成：吸收式熱泵與壓縮式熱泵相近，它使用一個溶液回路代替壓縮機，溶液回路由吸收器，溶液泵、發(fā)生器及溶液節(jié)流閥等部件所組成。
驅動方式：它通過在溶液回路中消耗熱能來實現對蒸汽的壓縮，具體過程為：溶液回路的蒸發(fā)器吸收來自蒸發(fā)器的高溫蒸汽，由溶液泵送到發(fā)生器，發(fā)生器吸收外界熱量使工質蒸汽沸騰，形成高溫高壓蒸汽。余下的熱力過程和壓縮式熱泵一致。
特點：可以利用低溫熱源，如工廠的廢汽和廢熱作熱源，轉動部件少，耗電量少，無噪聲；但熱效率低。
蒸汽噴射式
構成：使用噴射器代替壓縮機來驅動系統(tǒng)工作，噴射泵由噴嘴、混合室、擴壓管組成。
驅動方式：熱泵工作時，來自鍋爐等蒸汽發(fā)生器的高壓蒸汽，經噴嘴降低壓力而獲得很高的速度，高速蒸汽抽吸蒸發(fā)器中的工質蒸汽使其高速流動，從而實現對工質的壓縮。其余過程也與壓縮式熱泵相同。
特點：靠消耗熱能來提取低位熱源中的熱量，結構簡單、幾乎沒有機械運動部件、價格低廉、操作方便、經久耐用，但熱泵性能系數低。
其他驅動方式
熱電式熱泵：它利用帕爾帖效應——即在兩種不同導體聯(lián)成的回路中通以直流電，則在一個結點處變冷，另一結點處變熱；用電流驅動熱能從低位熱源轉移到高位熱源。
化學熱泵：它利用一些化學效應能吸收和釋放熱量的原理，先將低位熱能轉化為化學能儲存，再將儲存的化學能轉移到高位熱能。
按熱源種類分類
空氣熱源熱泵：利用空氣作為低位熱源的熱泵
優(yōu)點：空氣，可以取之不盡，用之不竭，而且空氣熱源熱泵裝置的安裝和使用也都比較方便。
缺點：不穩(wěn)定——受室外氣溫影響較大，而且室外溫度低的時候，熱泵產生的熱量越少；
制熱性能和可靠性差——當室外溫度過低的時候，冷卻器表面可能會結霜，從而影響熱泵的可靠性和制熱能力；裝置規(guī)模大，噪聲大——空氣的比熱小，需要較大規(guī)模的風機提供足量的空氣，因而裝置規(guī)模和噪聲較大。
水熱源熱泵：利用地表水、地下水、工業(yè)廢熱水等作為熱源的熱泵。
優(yōu)點：水的熱容量大，傳熱性能好，所以換熱設備較緊湊；水溫較穩(wěn)定，因而使熱泵的運行工況較穩(wěn)定。
缺點：熱泵裝置必須靠近水源，或設有一定的蓄水裝置；其次，對水質也有一定的要求，應進行水質分析后采用合適的冷卻器材質，以防止出現腐蝕問題。
土壤熱源熱泵：利用土壤作低溫熱源的熱泵
優(yōu)點：土壤的溫度變化不大，并有一定的蓄熱作用，換熱器基本上不用除霜，而且以土壤作熱源的熱泵裝置可不用風機，以減少噪聲。土壤熱源熱泵的工作狀況與土壤的性質有關，而土壤的性質隨著地區(qū)的不同以及季節(jié)的變化而變化。全年地溫波動較小，冬季土壤溫度比空氣溫度高，因此熱泵的制熱性能系數較高。
由于土壤的溫度波動較小，并且具有一定的儲熱功能，因此該熱泵具有很高的制熱性能系數。另外，在使用土壤作為熱源時，可以不使用風扇，幾乎不產生噪音。
缺點：①由于土壤傳熱系數小，所以需要消耗大量金屬，來增加換熱面積，來提高與土壤的傳熱。②泥土會侵蝕金屬換熱管，所以需要額外進行防銹處理。
太陽能熱泵：利用太陽能作為熱源的熱泵
優(yōu)點：太陽能具有取之不盡用之不竭、無污染、清潔的優(yōu)點；并且太陽能熱泵系統(tǒng)不需要除霜裝置，結構簡便，具有很高的收集率。
缺點：投資大。
其他分類方式
按設備的集中程度：集中式系統(tǒng)——由熱泵站集中向區(qū)域供熱的熱泵；分散式系統(tǒng)——為單獨的房間或者樓層專門供熱的熱泵，其機組通常安置在房間內。
按用途分類：熱泵可分為民用熱泵、工業(yè)用熱泵、農業(yè)用熱泵等。
按供熱溫度分類：熱泵可分為低溫熱泵與高溫熱泵。
按能源品位分類：熱泵可分為第一類熱泵、第二類熱泵。
按功能分類：熱泵可分為單純制熱的熱泵、交替制冷與制熱式熱泵、同時制冷與制熱熱泵。
按壓縮機分類：熱泵可分為活塞式、渦旋式、滾動轉子式、螺桿式、離心式熱泵。
應用范圍
采暖和供熱水
熱泵最常用的一項應用就是為居民、商業(yè)樓宇提供熱泵，并且為了提高熱泵的運行經濟性，通常是使用兼?zhèn)渲茻岷椭评涔δ艿臒岜孟到y(tǒng)。
農產干燥領域
農業(yè)生產中，往往有許多濕物料（如木材，紙張、谷物、茶葉、魚類）需要干燥，通常在生產過程中，采用加熱空氣和強制通風來加速干燥過程，而干燥工藝的耗能是巨大的。采用熱泵干燥系統(tǒng)可以節(jié)省大量能耗，并且還可以實行低溫干燥。
海水淡化
在缺少或者沒有天然淡水的地方，海水淡化技術顯得非常重要，海水淡化不僅需要消耗大量的熱量用于水的加熱蒸發(fā)，而且還需要凍結過程來分離鹽水和冰。使用開式熱泵循環(huán)，一方面可以維持冷凍室的負壓，用于形成鹽水和冰，另一方面還可以提供熱量熱化并形成水蒸氣。
化工蒸發(fā)蒸餾
制鹽、制糖、牛奶濃縮、化學母液蒸發(fā)等工藝，都是以加熱使水蒸發(fā)為基礎，所消耗的能量是非常巨大的。這些工藝過程可以非常好得與熱泵循環(huán)結合，發(fā)揮出非常高的性能和優(yōu)越的經濟性。
參考資料 >