熱泵

熱泵(Heat Pump)是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的裝置，也是全世界倍受關注的新能源技術。它不同於人們所熟悉的可以提高位能的機械設備——“泵”；熱泵通常是先從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經過電力做功，然後再向人們提供可被利用的高品位熱能。 ^[2] 

水從高處流向低處，熱由高温物體傳遞到低温物體，這是自然規律。然而，在現實生活中，為了農業灌溉、生活用水等的需要，人們利用水泵將水從低處送到高處。同樣，在能源日益緊張的今天，為了回收通常排到大氣中的低温熱氣、排到河川中的低温熱水等中的熱量，熱泵被用來將低温物體中的熱能傳送高温物體中，然後高温物體來加熱水或採暖，使熱量得到充分利用。熱泵系統的工作原理與製冷系統的工作原理是一致的。要搞清楚熱泵的工作原理，首先要懂得製冷系統的工作原理。製冷系統（壓縮式製冷）一般由四部分組成：壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器。其工作過程為：低温低壓的液態製冷劑（例如氟利昂），首先在蒸發器（例如空調室內機）裏從高温熱源（例如常温空氣）吸熱並氣化成低壓蒸氣。然後製冷劑氣體在壓縮機內壓縮成高温高壓的蒸氣，該高温高壓氣體在冷凝器內被低温熱源（例如冷卻水）冷卻凝結成高壓液體。再經節流元件（毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等）節流成低温低壓液態製冷劑。如此就完成一個製冷循環。熱泵的性能一般用製冷係數（COP性能係數）來評價。製冷係數的定義為由低温物體傳 到高温物體的熱量與所需的動力之比。通常熱泵的製冷係數為3-4左右，也就是説，熱泵能夠將自身所需能量的3到4倍的熱能從低温物體傳送到高温物體。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置，工作時它本身消耗很少一部分電能，卻能從環境介質（水、空氣、土壤等）中提取4-7倍於電能的裝置，提升温度進行利用，這也是熱泵節能的原因。歐美日都在競相開發新型的熱泵。據報導新型的熱泵的製冷係數可6到8。如果這一數值能夠得到普及的話，這意味着能源將得到更有效的利用。熱泵的普及率也將得到驚人的提高。地源熱泵是熱泵的一種，是以大地或水為冷熱源對建築物進行冬暖夏涼的空調技術，地源熱泵只是在大地和室內之間“轉移”能量。利用極小的電力來維持室內所需要的温度。在冬天，1千瓦的電力，將土壤或水源中4-5千瓦的熱量送入室內。在夏天，過程相反，室內的熱量被熱泵轉移到土壤或水中，使室內得到涼爽的空氣。而地下獲得的能量將在冬季得到利用。如此週而復始，將建築空間和大自然聯成一體。以最小的代價獲取了最舒適的生活環境。 ^[2] 

由於熱泵裝置的工作原理與壓縮式製冷是一致的；所以在小型空調器中，為了充分發揮它的效能，在夏季空調降温或在冬季取暖，都是使用同一套設備來完成的。在冬季取暖時，將空調器中的蒸發器與冷凝器通過一個換向閥來調換工作，見左圖《熱泵系統原理圖》所示。由圖中可看出，在夏季空調降温時，按製冷工況運行，由壓縮機排出的高壓蒸汽，經換向閥（又稱四通閥）進入冷凝器，製冷劑蒸汽被冷凝成液體，經節流裝置進入蒸發器，並在蒸發器中吸熱，將室內空氣冷卻，蒸發後的製冷劑蒸汽，經換向閥後被壓縮機吸入，這樣週而復始，實現製冷循環。在冬季取暖時，先將換向閥轉向熱泵工作位置，於是由壓縮機排出的高壓制冷劑蒸汽，經換向閥後流入室內蒸發器（作冷凝器用），製冷劑蒸汽冷凝時放出的潛熱，將室內空氣加熱，達到室內取暖目的，冷凝後的液態製冷劑，從反向流過節流裝置進入冷凝器（作蒸發器用），吸收外界熱量而蒸發，蒸發後的蒸汽經過換向閥後被壓縮機吸入，完成制熱循環。這樣，將外界空氣（或循環水）中的熱量“泵”入温度較高的室內，故稱為“熱泵”。對於一台分體式熱泵空調來説，夏天製冷時就是以室外機為冷凝器、室內機為蒸發器，運行時就把室內的熱輸送到了室外。而冬季則以室內機為冷凝器、室外機為蒸發器，這樣就把室外的熱量輸送到了室內，通常這些是通過四通換向閥來實現的。熱泵空調裏面有一個四通換向閥。在製冷工況下，室內熱交換器就是蒸發器，室外熱交換器（夏天往外呼呼出熱風的那個東西）就是冷凝器。冬季供熱的時候，四通換向閥切換，改變冷媒的流向，此時，室內熱交換器就是冷凝器，室外熱交換器（冬天往外呼呼出冷風的那個東西）就是蒸發器。由於冬季往外出冷風，換熱器要結霜，所以等結霜到一定程度時，四通換向閥再切換，空調變成夏季製冷工況，室外熱交換器得到熱量，化霜，化霜完畢後，四通閥再切換到制熱狀態。除霜時，為了防止向室內吹冷風，故室內機的風機停止運轉。（當然這種逆向除霜對舒適性有一定影響，所以又有了熱氣旁通除霜、蓄熱除霜等不需要切換工況的方式） ^[2] 

在熱泵循環中，從低温熱源（室外空氣或循環水，其温度均高於蒸發温度t₀）中取得Q₀ kcal/h的熱量，消耗了機械功ALkcal/h，而向高温熱源（室內取暖系統）供應了Q₁ kcal/h的熱量，這些熱量之間的關係是符合熱力學第一定律的，即Q₁=Q₀+AL kcal/h如果不用熱泵裝置，而用機械功所轉變成的熱量（或用電能直接加熱高温熱源，則所得的熱量為ALkcal/h，而用熱泵裝置後，高温熱源（取暖系統）多獲得了熱量：Q₁-AL=Q₀ kcal/h。這一熱量是從低温熱源取得的，如果不用熱泵裝置，就無法取得這一熱量。故用熱泵裝置既可節省燃料，又可利用餘熱。熱泵的工作循環與熱機的工作循環正好相反，熱機是利用高温熱源的能量來產生機械功的，而熱泵是靠消耗機械功將低温熱源的熱量轉移到高温物體中去。熱泵具有兩個相同的熱源温度，則它們之間的關係為：φ=Q₁╱AL=（Q₀+AL）╱AL=ε+1，ε 是製冷機的製冷係數。由此可看出，熱量轉換系數的最小值是φ=1，在此極限情況下ε=0，Q₀=0，即沒有從低温熱源吸取熱量。 ^[2] 

作為自然界的現象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高温區流向低温區。但人們可以創造機器，如同把水從低處提升到高處而採用水泵那樣，採用熱泵可以把熱量從低温抽吸到高温。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環境中吸取熱量，並把它傳遞給被加熱的對象（温度較高的物體），其工作原理與製冷機相同，都是按照逆卡諾循環工作的，所不同的只是工作温度範圍不一樣。熱泵在工作時，它本身消耗一部分能量，把環境介質中貯存的能量

加以挖掘，通過傳熱工質循環系統提高温度進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為輸出功中的一小部分，因此，採用熱泵技術可以節約大量高品位能源。在運行中，蒸發器從周圍環境中吸取熱量以蒸發傳熱工質，工質蒸汽經壓縮機壓縮後温度和壓力上升，高温蒸氣通過冷凝器冷凝成液體時，釋放出的熱量傳遞給了儲水箱中的水。冷凝後的傳熱工質通過膨脹閥返回到蒸發器，後再被蒸發，如此循環往復。 ^[2] 

熱泵工作工質以前一般為氟利昂，但由於氟利昂對地球大氣臭氧有破壞作用，為了保護地球的生態環境，除了提高熱泵的製冷係數，有效利用能源以外，各國科學還致力於新型工質的開發，已有替代氟利昂的工質得到應用。但是，今天中國大部分廠家所採用的工質還是R22，採用環保工質R417A、134A的時代還未到來。而日本等一些國家已率先採用CO₂作為工質，從而不對臭氧層造成破壞。（所以在安裝時，銅管務必要連接緊密，防止R22漏出。）此外，以上所述的R22、R417A、134A、CO2皆對人體不造成傷害的，即使有漏出，整套設備仍然都是安全的。 ^[2] 

十九世紀早期法國科學家薩迪.卡諾（Sadi karnot）在 1824年首次以論文提出“卡諾循環”理論，這成為熱泵技術的起源。1852年英國科學家開爾文（L.Kelvin）提出，冷凍裝置可以用於加熱，將逆卡諾循環用於加熱的熱泵設想。他第一個提出了一個正式的熱泵系統，當時稱為“熱量倍增器”。之後許多科學家和工程師對熱泵進行了大量研究，研究持續80年之久。1912年瑞士的蘇黎世成功安裝一套以河水作為低位熱源的熱泵設備用於供暖，這是早期的水源熱泵系統，也是世界上第一套熱泵系統。熱泵工業在20世紀40年代到50年代早期得到迅速發展，家用熱泵和工業建築用的熱泵開始進入市場，熱泵進入了早期發展階段。20世紀70年代以來，熱泵工業進入了黃金時期，世界各國對熱泵的研究工作都十分重視，諸如國際能源機構和歐洲共同體，都制定了大型熱泵發展計劃，熱泵新技術層出不窮，熱泵的用途也在不斷的開拓，廣泛應用於空調和工業領域，在能源的節約和環境保護方面起着重大的作用。21 世紀，隨着“能源危機 ”出現，燃油價格忽升，經過改進發展成熟的熱泵以其高效回收低温環境熱能，節能環保的特點，重新登上歷史舞台，成為當前最有價值的新能源科技。前國際熱能署專門成立國際熱泵中心，設立熱泵推廣工程（Heat Pump Programme），向世界上各國推廣協調熱泵技術的應用和發展。美、加、瑞典、德、日、韓等國政府均發出專門官方指引，促進熱泵技術的社會應用。相對世界熱泵的發展，中國熱泵的研究工作起步約晚20-30年左右。新中國成立後，隨着工業建設新高潮的到來，熱泵技術才開始引入中國。進入21世紀後，由於中國沿海地區的快速城市化、人均GDP的增長、2008年北京奧運會和2010年上海世博會等因素拉動了中國空調市場的發展，促進了熱泵在中國的應用越來越廣泛，熱泵的發展十分迅速，熱泵技術的研究不斷創新。從2001年熱泵起步開始，經過5年的培育，中國熱泵行業開始從導入期轉入成長期。熱泵行業快速發展，一方面得益於能源緊張使得熱泵節能優勢越來越明顯，另一方面與多方力量的加入推動行業技術創新有很大關係。 ^[2] 

按熱源種類不同分為：空氣源熱泵，水源熱泵，地源熱泵，雙源熱泵（水源熱泵和空氣源熱泵結合）等。

空氣源熱泵在運行中，蒸發器從空氣中的環境熱能中吸取熱量以蒸發傳熱工質，工質蒸氣經壓縮機壓縮後壓力和温度上升，高温蒸氣通過黏結在貯水箱外表面的特製環形管時，冷凝器冷凝成液體，將熱量傳遞給空氣源熱泵貯水箱中的水。 ^[2] 

空氣源熱泵傳熱工質是一種特殊物質，常壓下其沸點為零下40℃，凝固點為零下100℃以下，該物質冷的時候是液體，但很容易被蒸發成氣體，反之亦然。在實際運行中，空氣源熱泵中傳熱工質的蒸發極限温度為零下20℃左右，因此5℃的環境温度對如此低的温度也是“熱”的，甚至下雪的温度，比如説0℃，相比之下也是熱的，因此，仍可交換一些熱能。 ^[2] 

地球表面淺層水源（一般在1000 米以內），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太陽進入地球的相當的輻射能量，並且水源的温度一般都十分穩定。水源熱泵技術的工作原理就是：通過輸入少量高品位能源（如電能），實現低温位熱能向高温位轉移。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在夏季將建築物中的熱量“取”出來，釋放到水體中去，由於水源温度低，所以可以高效地帶走熱量，以達到夏季給建築物室內製冷的目的；而冬季，則是通過水源熱泵機組，從水源中“提取”熱能，送到建築物中採暖。 ^[2] 

與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統相比，水源熱泵具明顯的優勢。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70%～90%的燃料內能轉化為熱量，供用户使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量；由於水源熱泵的熱源温度全年較為穩定，一般為10～25℃，其製冷、制熱係數可達3.5～4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50%～60%。因此，近十幾年來，水源熱泵空調系統在北美及中、北歐等國家取得了較快的發展，中國的水源熱泵市場也日趨活躍，使該項技術得到了相當廣泛的應用，成為一種有效的供熱和供冷空調技術。 ^[2] 

地源熱泵是一種利用淺層地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可製冷的高效節能空調設備。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現由低温位熱能向高温位熱能轉移。地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季製冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量取出來，提高温度後，供給室內採暖；夏季，把室內的熱量取出來，釋放到地能中去。通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用户可以得到4kWh以上的熱量或冷量。 ^[2] 

高温空氣能熱泵從字面來理解是指制熱出水温度高於60℃（即：高温熱水）或出風温度能夠達到 80 ℃以上的熱泵（即：高温烘乾熱泵）。相對今天市場上熱銷的常規熱泵而言，常規熱水温度一般是55℃以下，而新一代高温空氣能熱泵可製取高達85℃左右的高温熱水，能夠運用於電鍍，巴氏消毒，屠宰，玻璃清洗，印染等行業。 ^[2] 

高温空氣能熱泵工作原理是：利用逆卡諾循環原理，通過自然能(空氣蓄熱)獲取低温熱源，經系統高效集熱整合後成為高温熱源，用來取(供)暖、乾燥或供應熱水。 ^[2] 

高温空氣能熱泵的四大優點：第一，節能，有利於能源的綜合利用，高温空氣能熱泵是把空氣中的低温熱能吸收進來，經過壓縮機壓縮後轉化為高温熱能，其節能效果相當顯著；第二，有利於環境保護；第三，冷熱結合，設備應用率高，節省出投資，第四，因為它是電驅動，調控比較方便。相比電鍋爐，可以節約50%以上的電力消耗，而且減少了經常更換電熱管的麻煩；相比傳統煤鍋爐和燃油鍋爐，無污染，無排放，安全，省去了每年例行的安檢，省去了專業的鍋爐工，全自動控温，運行費用也大幅降低50%以上。高温熱泵能夠完成某種特殊領域供熱供冷需求的熱泵。一般來講，高温空氣能熱泵採用專門的熱泵壓縮機，特殊的製冷劑及系統。 ^[2] 

市場上熱泵熱水器種類很多，主要有太陽能助推型、水源和空氣源三種系列。太陽能助推式熱泵是熱泵與太陽能技術結合使用的一種熱泵技術；水源熱泵是利用一定温度的水源（20℃以上）作為熱源以製冷劑為媒介，將水源中的熱量吸收後經壓縮機壓縮制熱，通過熱交換器與冷水交換熱量以達到取暖和製取熱水的目的，水源熱泵必須有一定温度和流量的水源；空氣源熱泵以水源熱泵類似方法從空氣獲得熱量來加熱水。三種熱泵中，空氣源熱泵受到的條件限制最小，發展空間最大。 ^[2] 

空氣源熱泵熱水器主要由壓縮機、熱交換器、軸流風扇、保温水箱、水泵、儲液罐、過濾器、電子膨脹閥和電子自動控制器等組成。接通電源後，軸流風扇開始運轉，室外空氣通過蒸發器進行熱交換，温度降低後的空氣被風扇排出系統，同時，蒸發器內部的工質吸熱汽化被吸入壓縮機，壓縮機將這種低壓工質氣體壓縮成高温、高壓氣體送入冷凝器，被水泵強制循環的水也通過冷凝器，被工質加熱後送去供用户使用，而工質被冷卻成液體，該液體經膨脹閥節流降温後再次流入蒸發器，如此反覆循環工作，空氣中的熱能被不斷“泵”送到水中，使保温水箱裏的水温逐漸升高，最後達到55℃左右，正好適合人們洗浴。 ^[2] 

空氣源熱泵是當今世界上最先進的能源利用產品之一。隨着經濟的快速發展與人們生活品位的提高，生活用熱水已成為人們的生活必需品，然而傳統的熱水器（電熱水器，燃油、氣熱水器）具有能耗大、費用高、污染嚴重等缺點；而節能環保型太陽能熱水器的運行又受到氣象條件的制約。空氣源熱泵的供熱原理與傳統的太陽能熱水器截然不同，空氣源熱泵以空氣、水、太陽能等為低温熱源，空氣源熱泵以電能為動力從低温側吸取熱量來加熱生活用水，熱水通過循環系統直接送入用户作為熱水供應或利用風機盤管進行小面積採暖。空氣源熱泵是學校宿舍、酒店、洗浴中心等場所的大、中、小熱水集中供應系統的最佳解決方案。 ^[2] 

我國熱泵市場的銷售渠道主要是企業自營模式、代理模式和二者的混合模式三大類。直營模式是企業在各地開設分公司或派出業務人員直接經營，這種模式主要以商用機為主，家用機此種模式較少。直營模式受企業實力和能力的限制，難以做強做大。經銷制模式是廠家在各地建立派出機構，拓展渠道，前期派出業務人員進行輔導性工作,後期由經銷商獨立完成市場操作，這種模式存在的問題是企業和經銷商利益博弈的後果常常是二者分家，渠道不穩定。第三種是混合模式。智研諮詢數據顯示，由一些企業在周邊市場採用直銷模式，而在外埠市場採取經銷制。從行業內看，經銷商模式佔據很大比例。總體上看，熱泵行業的銷售渠道建設還處在初級階段，非常適合的渠道模式以及渠道管理方式仍然不很確定。 ^[2]