熱泵

熱泵（英語：heat pump）是將熱量從較低溫下的物質或空間傳遞到更高溫度下的另一種物質或空間的裝置，也就是使熱能沿自發熱傳遞的相反方向移動，使得熱的地方更熱、冷的地方更冷。熱泵為完成將能量從熱源傳遞到散熱器這一非自發過程，須要來自外部的能量。^[1]常見的應用是暖氣、冷氣和冷凍機。但術語「熱泵」更為籠統，適用於用於空間加熱或空間冷卻的許多暖通空調設備。

熱泵最常見的設計包括四個主要部件–冷凝器，膨脹閥（英語：Thermal expansion valve），蒸發器和壓縮機。循環通過這些組件的傳熱介質稱為製冷劑。^[2]

熱泵利用低沸點液體經過節流閥減壓之後蒸發時，從較低溫處吸熱，然後經壓縮機將蒸汽壓縮，使溫度升高，在經過冷凝器時放出吸收的熱量而液化後，再回到節流閥處。如此循環工作能不斷地把熱量從溫度較低的地方轉移給溫度較高（需要熱量）的地方。

熱泵比簡單的電阻加熱器具有更高的能源效率。但是，隨著熱源和散熱器溫度差的增加，效率開始下降。^[3]典型的安裝成本也高於電阻加熱器。

概要

熱能自然地從較溫暖的地方轉移到較冷的空間。但是，熱泵可以通過從寒冷的空間吸收熱量並將其釋放給較熱的空間來逆轉這一過程。此過程需要一定量的外部能量，例如電。在暖通空調中，術語「熱泵」通常是指為在熱能傳遞的兩個方向上都實現高效率而優化的蒸汽壓縮製冷設備。即，熱泵能夠根據需要向內部空間提供加熱或冷卻。

歷史

大事記:

1748: 威廉·庫倫（William Cullen）演示了人工製冷。
1834: 雅各布·珀金斯（Jacob Perkins）用乙醚建造了一台實用的冰箱。
1852: 開爾文勳爵（Lord Kelvin）描述了熱泵的基本理論。
1855–1857: 彼得·馮·里丁格（Peter von Rittinger）開發並建造了第一台熱泵^[4]。
1928: Aurel Stodola建造了一個閉環熱泵（來自日內瓦湖的水源），至今為止一直為日內瓦市政廳提供暖氣。
1945: 諾里奇市電氣工程師約翰·薩姆納（John Sumner）安裝了一個實驗水源熱泵供暖中央供暖系統，該系統使用附近的河流為市政廳的新行政大樓供熱。季節性效率比為3.42。平均熱輸出為147 kW，峰值輸出為234 kW^[5]。
1948: 羅伯特·韋伯（Robert C. Webber）被譽為開發和製造了第一台地熱泵^[6]。
1951: 首次大規模安裝-倫敦的皇家節日大廳開業，該鎮設有由泰晤士河供暖的城鎮燃氣可逆水源熱泵，用於冬季供暖和夏季製冷需求^[5]。
2019: 基加利修正案生效, 逐步淘汰有害製冷劑. ^[7]

效能

熱泵循環示意圖 1：冷凝器（放熱）, 2：節流閥（減壓）, 3：低溫處（吸熱）, 4：壓縮機（加壓）

在比較熱泵的工作性能時，一般不使用「效率」這個詞，由於效率在熱力學上是有特別的定義的，因此使用性能係數（COP, coefficient of performance）這個詞描述了有效熱量移動與工作需要的能量的比率。COP數值越大，表示僅需要少量的能量就能移動大量的熱量。大多數壓縮機熱泵使用電動機帶動，而一些車載裝置則採用傳動軸和引擎馬達相連驅動。在溫和的天氣給建築物取暖，空氣源熱泵可能可以提供到COP指標3到4的能效，而一個電加熱器則只能提供COP為1的能效。也就是說，電阻發熱的取暖器耗費1焦耳的能量最多只能提供1焦耳的熱量，而熱泵則可以使用1焦耳的能量從更熱或更冷地方移動大於1焦耳的能量。不過需要注意到環境溫度差別很大，譬如在非常寒冷的冬天要給屋子取暖，熱泵為了取得更多的熱量而需要花費更多的能量。因為卡諾效率（Carnot Efficiency）的限制，隨着室內與室外的溫差的增加，熱泵的COP最終有可能會接近1。對於空氣源熱泵，這種情況一般會發生在室外環境溫度靠近-18 ℃（0 ℉）時。

工業用熱泵

同時，當熱泵從室外低溫的空氣中獲取熱量時，空氣中的水分會凝結並凍結在室外交換器上。系統就必須階段性地除去這些冰霜。換言之，當外面空氣極端寒冷時，空氣源熱泵取暖有可能不如更直接用電阻加熱的取暖器。

瓦斯熱泵

地源熱泵利用地底特定深度永遠保持舒適溫度的特性，相比之下也許更加全年均衡。地源熱泵的COP一般可以常年保持在3.5到4之間。

製冷用的熱泵，其效能要用能效比（EER）或季節能效比（英語：Seasonal energy efficiency ratio）（EESR）表示，兩者都是用 ${\begin{smallmatrix}{BTU/(hW)}\end{smallmatrix}}$ 為單位（ ${\begin{smallmatrix}{1BTU/(hW)=0.293W/W}\end{smallmatrix}}$ ），越大的能效比值表示更好的性能。製造商的型錄應該分別用COP表示制熱模式的性能，用EER表示製冷模式的性能。然而實際性能還取決於更多不同的因素譬如安裝、溫差、海拔和維護。對於相同溫差的條件，熱泵工作於制熱模式比製冷模式效率要高。這是因為制熱模式下輸入壓縮機的工作能量也大量被轉化為熱量，並通過冷凝器直接增加到有效熱量中。而對於製冷模式，冷凝器通常處於室外，壓縮機耗能發出的熱量與工作目的正好相反。

法國工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾於1824年提出的卡諾效應（Carnot efficiency）可以運用在熱泵上。依照能量守恆定律，流入熱泵的能量（ $Q_{cold}+W$ ）等於流出熱泵的能量（ $Q_{hot}$ ）。

熱泵的效率（從低溫熱源吸熱量/外界輸入的功）為性能係數（coefficient of performance），縮寫為C.O.P.。

COP={\frac {Q_{h}}{W}}={\frac {Q_{h}}{Q_{h}-Q_{c}}}={\frac {1}{1-{\frac {Q_{c}}{Q_{h}}}}}

由於Carnot同時還證明了：

{\frac {Q_{hot}}{Q_{cold}}}={\frac {T_{hot}}{T_{cold}}}

其中溫度單位皆為凱氏溫標。

因此可以得到：

COP_{heating}={\frac {1}{1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}}}={\frac {T_{h}}{T_{h}-T_{c}}}

^[8]

這個公式是以熱泵用於供暖為前提的，所以當環境溫度比較溫和的時候，熱泵的效率比較高。

當熱泵用於製冷的時候，C.O.P.的公式變為：

COP_{cooling}={\frac {T_{c}}{T_{h}-T_{c}}}

這個效率計算方法只對理想熱泵適用。對於實際中的熱泵來說，C.O.P.通常在2到6之間。

分類

熱泵的兩種主要類型是壓縮和吸收。壓縮熱泵以機械能（通常由電力驅動）運行，而吸收式熱泵也可以以熱能作為能源（來自電力或可燃燃料）運行^[9]。

按工作原理，熱泵有蒸氣壓縮式熱泵、吸收式熱泵、化學熱泵等，其中應用最廣泛的是電驅動式蒸氣壓縮式熱泵。

應用

熱泵被廣泛的應用在空調，電冰箱等以製冷為目的的家用電器上。它也可以在冬天使用地熱來加熱房屋，也可以在夏天來冷卻房屋。（因為在地下處於恆溫，而在特定深度的溫度正好是舒適的溫度）。

區域供熱

熱泵可以集成在區域供熱系統中，尤其是在低溫下運行時。

熱泵也可以用作區域供熱的供熱器。用於此類應用的可能的熱源為污水，環境水（如海水，湖水和河水），工業廢熱，地熱能，煙道氣，區域冷卻產生的廢熱和太陽能儲熱產生的熱。

優點/缺點

熱泵原理利用電為房屋取暖和住宅用水加熱，比使用電阻發熱的電熱器更加高效。安裝起來也比使用天然氣等方法簡單便宜。缺點是在極度寒冷的情況下，它供熱能力有所下降。所以當環境溫度低於-5 °C（23 °F）時，取暖和熱水供應比較困難。

參考文獻

^ Bundschuh, Jochen; Chen, Guangnan. Sustainable Energy Solutions in Agriculture. CRC Press. 2014-03-07: 111. ISBN 9781315778716 （英語）.
^ https://heatpumpingtechnologies.org/market-technology/heat-pump-work/ （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Article on IEA HPT TCP How does a heat pump work?
^ 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.
^ 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. （原始內容存檔 (PDF)於2016-12-20）.
^ ^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.
^ Banks, David. An Introduction to Thermogeology: Ground Source Heating and Cooling. John Wiley & Sons. August 2012: 123.
^ The Kigali Amendment to the Montreal Protocol: HFC Phase-down (PDF). [2024-04-29]. （原始內容存檔 (PDF)於2024-04-29）.
^ Robert A. Ristinen/ Jack J. Kranshaar Energy and the Environment:2nd Edition. (John Wiley & Sons, Inc; 2006
^ Heat pumps sources including groundwater, soil, outside and inside air) (PDF). [2010-06-02]. （原始內容 (PDF)存檔於2009-10-07）.

（日語）Heat pumps Long Awaited Way out of the Global Warming （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - 財団法人熱泵・蓄熱中心
（日語）図解熱泵: 著者：田中俊六監修　矢田部隆志編, ISBN 4-274-50039-X
（日語）熱泵入門 - 地球溫暖化対策切札^{[永久失效連結]}: 著者：熱泵研究會　編　矢田部隆志　著, ISBN 978-4-274-20385-5
（日語）熱泵・蓄熱白書: 著者：財団法人熱泵・蓄熱中心　編, ISBN 978-4-274-20423-4

[1] Bundschuh, Jochen; Chen, Guangnan. Sustainable Energy Solutions in Agriculture. CRC Press. 2014-03-07: 111. ISBN 9781315778716 （英語）.

[2] ttps://heatpumpingtechnologies.org/market-technology/heat-pump-work/ （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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. （原始內容存檔 (PDF)於2016-12-20）.

[auto-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]. （原始內容存檔 (PDF)於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]. （原始內容 (PDF)存檔於2009-10-07）.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

熱泵

目次

概要

歷史

效能

分類

應用

區域供熱

優點/缺點

相關條目

參考文獻