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热泵

热泵（英语：heat pump）是将热量从较低温下的物质或空间传递到更高温度下的另一种物质或空间的装置，也就是使热能沿自发热传递的相反方向移动，使得热的地方更热、冷的地方更冷。热泵为完成将能量从热源传递到散热器这一非自发过程，须要来自外部的能量。[1]常见的应用是暖气、冷气和冷冻机。但术语“热泵”更为笼统，适用于用于空间加热或空间冷却的许多暖通空调设备。

住宅空气源热泵的室外组件

热泵最常见的设计包括四个主要部件–冷凝器，膨胀阀（英语：Thermal expansion valve），蒸发器和压缩机。循环通过这些组件的传热介质称为制冷剂。[2]

热泵利用低沸点液体经过节流阀减压之后蒸发时，从较低温处吸热，然后经压缩机将蒸汽压缩，使温度升高，在经过冷凝器时放出吸收的热量而液化后，再回到节流阀处。如此循环工作能不断地把热量从温度较低的地方转移给温度较高（需要热量）的地方。

热泵比简单的电阻加热器具有更高的能源效率。但是，随著热源和散热器温度差的增加，效率开始下降。[3]典型的安装成本也高于电阻加热器。

概要

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热能自然地从较温暖的地方转移到较冷的空间。 但是，热泵可以通过从寒冷的空间吸收热量并将其释放给较热的空间来逆转这一过程。 此过程需要一定量的外部能量，例如电。在暖通空调中，术语“热泵”通常是指为在热能传递的两个方向上都实现高效率而优化的蒸汽压缩制冷设备。 即，热泵能够根据需要向内部空间提供加热或冷却。

历史

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大事记:

  • 1748: 威廉·库伦（William Cullen）演示了人工制冷。
  • 1834: 雅各布·珀金斯（Jacob Perkins）用乙醚建造了一台实用的冰箱。
  • 1852: 开尔文勋爵（Lord Kelvin）描述了热泵的基本理论。
  • 1855–1857: 彼得·冯·里丁格（Peter von Rittinger）开发并建造了第一台热泵[4]。
  • 1928: Aurel Stodola建造了一个闭环热泵（来自日内瓦湖的水源），至今为止一直为日内瓦市政厅提供暖气。
  • 1945: 诺里奇市电气工程师约翰·萨姆纳（John Sumner）安装了一个实验水源热泵供暖中央供暖系统，该系统使用附近的河流为市政厅的新行政大楼供热。 季节性效率比为3.42。 平均热输出为147 kW，峰值输出为234 kW[5]。
  • 1948: 罗伯特·韦伯（Robert C. Webber）被誉为开发和制造了第一台地热泵[6]。
  • 1951: 首次大规模安装-伦敦的皇家节日大厅开业，该镇设有由泰晤士河供暖的城镇燃气可逆水源热泵，用于冬季供暖和夏季制冷需求[5]。
  • 2019: 基加利修正案生效, 逐步淘汰有害制冷剂. [7]


效能

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热泵循环示意图 1：冷凝器（放热）, 2：节流阀（减压）, 3：低温处（吸热）, 4：压缩机（加压）

在比较热泵的工作性能时，一般不使用“效率”这个词，由于效率在热力学上是有特别的定义的，因此使用性能系数（COP, coefficient of performance）这个词描述了有效热量移动与工作需要的能量的比率。COP数值越大，表示仅需要少量的能量就能移动大量的热量。大多数压缩机热泵使用电动机带动，而一些车载装置则采用传动轴和引擎马达相连驱动。 在温和的天气给建筑物取暖，空气源热泵可能可以提供到COP指标3到4的能效，而一个电加热器则只能提供COP为1的能效。也就是说，电阻发热的取暖器耗费1焦耳的能量最多只能提供1焦耳的热量，而热泵则可以使用1焦耳的能量从更热或更冷地方移动大于1焦耳的能量。不过需要注意到环境温度差别很大，譬如在非常寒冷的冬天要给屋子取暖，热泵为了取得更多的热量而需要花费更多的能量。因为卡诺效率（Carnot Efficiency）的限制，随着室内与室外的温差的增加，热泵的COP最终有可能会接近1。对于空气源热泵，这种情况一般会发生在室外环境温度靠近-18 ℃（0 ℉）时。

 
工业用热泵

同时，当热泵从室外低温的空气中获取热量时，空气中的水分会凝结并冻结在室外交换器上。系统就必须阶段性地除去这些冰霜。换言之，当外面空气极端寒冷时，空气源热泵取暖有可能不如更直接用电阻加热的取暖器。

 
瓦斯热泵

地源热泵利用地底特定深度永远保持舒适温度的特性，相比之下也许更加全年均衡。地源热泵的COP一般可以常年保持在3.5到4之间。

制冷用的热泵，其效能要用能效比（EER）或季节能效比（英语：Seasonal energy efficiency ratio）（EESR）表示，两者都是用 为单位（ ），越大的能效比值表示更好的性能。制造商的型录应该分别用COP表示制热模式的性能，用EER表示制冷模式的性能。然而实际性能还取决于更多不同的因素譬如安装、温差、海拔和维护。 对于相同温差的条件，热泵工作于制热模式比制冷模式效率要高。这是因为制热模式下输入压缩机的工作能量也大量被转化为热量，并通过冷凝器直接增加到有效热量中。而对于制冷模式，冷凝器通常处于室外，压缩机耗能发出的热量与工作目的正好相反。

法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的卡诺效应（Carnot efficiency）可以运用在热泵上。依照能量守恒定律，流入热泵的能量（ ）等于流出热泵的能量（ ）。

热泵的效率（从低温热源吸热量/外界输入的功）为性能系数（coefficient of performance），缩写为C.O.P.。

 

由于Carnot同时还证明了：

 

其中温度单位皆为凯氏温标。

因此可以得到：

 [8]

这个公式是以热泵用于供暖为前提的，所以当环境温度比较温和的时候，热泵的效率比较高。

当热泵用于制冷的时候，C.O.P.的公式变为：

 


这个效率计算方法只对理想热泵适用。对于实际中的热泵来说，C.O.P.通常在2到6之间。

分类

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热泵的两种主要类型是压缩和吸收。 压缩热泵以机械能（通常由电力驱动）运行，而吸收式热泵也可以以热能作为能源（来自电力或可燃燃料）运行[9]。

按工作原理，热泵有蒸气压缩式热泵、吸收式热泵、化学热泵等，其中应用最广泛的是电驱动式蒸气压缩式热泵。

应用

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热泵被广泛的应用在空调，电冰箱等以制冷为目的的家用电器上。它也可以在冬天使用地热来加热房屋，也可以在夏天来冷却房屋。（因为在地下处于恒温，而在特定深度的温度正好是舒适的温度）。

区域供热

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热泵可以集成在区域供热系统中，尤其是在低温下运行时。

热泵也可以用作区域供热的供热器。 用于此类应用的可能的热源为污水，环境水（如海水，湖水和河水），工业废热，地热能，烟道气，区域冷却产生的废热和太阳能储热产生的热。

优点/缺点

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热泵原理利用电为房屋取暖和住宅用水加热，比使用电阻发热的电热器更加高效。安装起来也比使用天然气等方法简单便宜。缺点是在极度寒冷的情况下，它供热能力有所下降。所以当环境温度低于-5 °C（23 °F）时，取暖和热水供应比较困难。

相关条目

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参考文献

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  1. ^ Bundschuh, Jochen; Chen, Guangnan. Sustainable Energy Solutions in Agriculture. CRC Press. 2014-03-07: 111. ISBN 9781315778716 （英语）. 
  2. ^ https://heatpumpingtechnologies.org/market-technology/heat-pump-work/ （页面存档备份，存于互联网档案馆） Article on IEA HPT TCP How does a heat pump work?
  3. ^ Moran, Michael J. Fundamentals of engineering thermodynamics. Shapiro, Howard N.,, Boettner, Daisie D.,, Bailey, Margaret B. (Margaret Beth) 8/e. Hoboken, NJ. 5 May 2014. ISBN 978-1-118-41293-0. OCLC 879865441. 
  4. ^ Banks, David L. An Introduction to Thermogeology: Ground Source Heating and Cooling (PDF). Wiley-Blackwell. 2008-05-06 [2020-06-10]. ISBN 978-1-4051-7061-1. （原始内容存档 (PDF)于2016-12-20）. 
  5. ^ 5.0 5.1 Electricity supply in the United Kingdom : a chronology - from the beginnings of the industry to 31 December 1985. Electricity Council. The Council. 1987. ISBN 978-0851881058. OCLC 17343802. 
  6. ^ Banks, David. An Introduction to Thermogeology: Ground Source Heating and Cooling. John Wiley & Sons. August 2012: 123. 
  7. ^ The Kigali Amendment to the Montreal Protocol: HFC Phase-down (PDF). [2024-04-29]. （原始内容存档 (PDF)于2024-04-29）. 
  8. ^ Robert A. Ristinen/ Jack J. Kranshaar Energy and the Environment:2nd Edition. (John Wiley & Sons, Inc; 2006
  9. ^ Heat pumps sources including groundwater, soil, outside and inside air) (PDF). [2010-06-02]. （原始内容 (PDF)存档于2009-10-07）. 
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