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热泵百科

1、热泵概念
热泵(Heat Pump)是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置,也是是全世界倍受关注的新能源技术。它不同于人们所熟悉的可以提高位能的机械设备——“泵”;热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能,经过电力做功,然后再向人们提供可被利用的高品位热能。
2、工作原理
水从高处流向低处,热由高温物全传递到低温物体,这是自然规律。然而,在现实生活中,为了农业灌溉、生活用水等的需要,人们利用水泵将水从低处送到高处。同样,在能源日益紧张的今天,为了回收通常排到大气中的低温热气、排到河川中的低温热水等中的热量,热泵被用来将低温物体中的热能传送高温物体中,然后高温物体来加热水或采暖,使热量得到充分利用。
热泵系统的工作原理与制冷系统的工作原理是一致的。要搞清楚热泵的工作原理,首先要懂得制冷系统的工作原理。制冷系统(压缩式制冷)一般由四部分组成:压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。其工作过程为:低温低压的液态制冷剂(例如氟利昂),首先在蒸发器(例如空调室内机)里从低温热源(例如常温空气)吸热并气化成低压蒸气。然后制冷剂气体在压缩机内压缩成高温高压的蒸气,该高温高压气体在冷凝器内被低温热源(例如冷却水)冷却凝结成高压液体。再经节流元件(毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等)节流成低温低压液态制冷剂。如此就完成一个制冷循环。
热泵的性能一般用制冷系数(COP性能系数)来评价。制冷系数的定义为由低温物体传 到高温物体的热量与所需的动力之比。通常热泵的制冷系数为3-4左右,也就是说,热泵能够将自身所需能量的3到4倍的热能从低温物体传送到高温物体。所以热泵实质上是一种热量提升装置,工作时它本身消耗很少一部分电能,却能从环境介质(水、空气、土壤等)中提取4-7倍于电能的装置,提升温度进行利用,这也是热泵节能的原因。欧美日都在竞相开发新型的热泵。据报导新型的热泵的制冷系数可6到8。如果这一数值能够得到普及的话,这意味着能源将得到更有效的利用。热泵的普及率也将得到惊人的提高。
地源热泵是热泵的一种,是以大地或水为冷热源对建筑物进行冬暖夏凉的空调技术,地源热泵只是在大地和室内之间“转移”能量。利用极小的电力来维持室内所需要的温度。在冬天,1千瓦的电力,将土壤或水源中4-5千瓦的热量送入室内。在夏天,过程相反,室内的热量被热泵转移到土壤或水中,使室内得到凉爽的空气。而地下获得的能量将在冬季得到利用。如此周而复始,将建筑空间和大自然联成一体。以最小的代价获取了最舒适的生活环境。
热泵系统冬夏工况
热泵工作原理图[1]
由于热泵装置的工作原理与压缩式制冷是一致的;所以在小型空调器中,为了充分发挥它的效能,在夏季空调降温或在冬季取暖,都是使用同一套设备来完成的。在冬季取暖时,将空调器中的蒸发器与冷凝器通过一个换向阀来调换工作,见左图。
由图中可看出,在夏季空调降温时,按制冷工况运行,由压缩机排出的高压蒸汽,经换向阀(又称四通阀)进入冷凝器,制冷剂蒸汽被冷凝成液体,经节流装置进入蒸发器,并在蒸发器中吸热,将室内空气冷却,蒸发后的制冷剂蒸汽,经换向阀后被压缩机吸入,这样周而复始,实现制冷循环。
在冬季取暖时,先将换向阀转向热泵工作位置,于是由压缩机排出的高压制冷剂蒸汽,经换向阀后流入室内蒸发器(作冷凝器用),制冷剂蒸汽冷凝时放出的潜热,将室内空气加热,达到室内取暖目的,冷凝后的液态制冷剂,从反向流过节流装置进入冷凝器(作蒸发器用),吸收外界热量而蒸发,蒸发后的蒸汽经过换向阀后被压缩机吸入,完成制热循环。这样,将外界空气(或循环水)中的热量“泵”入温度较高的室内,故称为“热泵”。
对于一台分体式热泵空调来说,夏天制冷时就是以室外机为冷凝器、室内机为蒸发器,运行时就把室内的热量输送到了室外。而冬季则以室内机为冷凝器、室外机为蒸发器,这样就把室外的热量输送到了室内,通常这些是通过四通换向阀来实现的。
热泵空调里面有一个四通换向阀。在制冷工况下,室内热交换器就是蒸发器,室外热交换器(夏天往外呼呼出热风的那个东西)就是冷凝器。冬季供热的时候,四通换向阀切换,改变冷媒的流向,此时,室内热交换器就是冷凝器,室外热交换器(冬天往外呼呼出冷风的那个东西)就是蒸发器。
由于冬季往外出冷风,换热器要结霜,所以等结霜到一定程度时,四通换向阀再切换,空调变成夏季制冷工况,室外热交换器得到热量,化霜,化霜完毕后,四通阀再切换到制热状态。除霜时,为了防止向室内吹冷风,故室内机的风机停止运转。(当然这种逆向除霜对舒适性有一定影响,所以又有了热气旁通除霜、蓄热除霜等不需要切换工况的方式)
能量分析
在上图的热泵循环中,从低温热源(室外空气或循环水,其温度均高于蒸发温度t0)中取得Q0 kcal/h的热量,消耗了机械功ALkcal/h,而向高温热源(室内取暖系统)供应了Q1 kcal/h的热量,这些热量之间的关系是符合热力学第一定律的,即Q1=Q0+AL kcal/h
如果不用热泵装置,而用机械功所转变成的热量(或用电能直接加热高温热源,则所得的热量为ALkcal/h,而用热泵装置后,高温热源(取暖系统)多获得了热量:Q1-AL=Q0 kcal/h。这一热量是从低温热源取得的,如果不用热泵装置,就无法取得这一热量。故用热泵装置既可节省燃料,又可利用余热。
热泵的工作循环与热机的工作循环正好相反,热机是利用高温热源的能量来产生机械功的,而热泵是靠消耗机械功将低温热源的热量转移到高温物体中去。
热泵具有两个相同的热源温度,则它们之间的关系为:φ=Q1╱AL=(Q0+AL)╱AL=ε+1,ε 是制冷机的制冷系数。由此可看出,热量转换系数的最小值是φ=1,在此极限情况下ε=0,Q0=0,即没有从低温热源吸取热量。
热泵的能量转换
作为自然界的现象,正如水由高处流向低处那样,热量也总是从高温区流向低温区。但人们可以创造机器,如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样,采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置,热泵的作用是从周围环境中吸取热量,并把它传递给被加热的对象(温度较高的物体),其工作原理与制冷机相同,都是按照逆卡诺循环工作的,所不同的只是工作温度范围不一样。
热泵在工作时,它本身消耗一部分能量,把环境介质中贮存的能量

加以挖掘,通过传热工质循环系统提高温度进行利用,而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分,因此,采用热泵技术可以节约大量高品位能源。
在运行中,蒸发器从周围环境中吸取热量以蒸发传热工质,工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力上升,高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时,释放出的热量传递给了储水箱中的水。冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器,后再被蒸发,如此循环往复。
热泵工作介质
热泵工作工质以前一般为氟利昂,但由于氟利昂对地球大气臭氧有破坏作用,为了保护地球的生态环境,除了提高热泵的制冷系数,有效利用能源以外,各国科学还致力于新型工质的开发,已有替代氟利昂的工质得到应用。
但是,今天中国大部分厂家所采用的工质还是R22,采用环保工质R417A、134A的时代还未到来。而日本等一些国家已率先采用CO2作为工质,从而不对臭氧层造成破坏。(所以在安装时,铜管务必要连接紧密,防止R22漏出。)此外,以上所述的R22、R417A、134A、CO2皆对人体不造成伤害的,即使有漏出,整套设备仍然都是安全的。


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