1、热热 泵泵 技技 术术 简简 介介哈工大能源与环境工程中心哈工大能源与环境工程中心李炳熙李炳熙目录目录n前言前言n热泵技术发展史热泵技术发展史n热泵的种类热泵的种类n空气源热泵空气源热泵n水源热泵水源热泵n土壤源热泵土壤源热泵n结束语结束语前言前言n 热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热，经过电力做功，输出能用的高品位热的设备。品位热，经过电力做功，输出能用的高品位热的设备。它是一种节能清洁的采暖空调一体化设备，按照取热来它是一种节能清洁的采暖空调一体化设备，按照取热来源不同一般分为空气源、水源和土壤源热泵三种。源不同一般分为空气源、水
2、源和土壤源热泵三种。作为自然现象，正如水由高处流向低处那样，热量作为自然现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。但人们可以创造机器，如同把也总是从高温流向低温。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区抽吸到高温区。所以热泵实质上是一种热热量从低温区抽吸到高温区。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
3、相同，都是按照逆卡诺循环工作的。同时原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的。同时热泵不是把电能转变成热能，少量电能只是用于提升热热泵不是把电能转变成热能，少量电能只是用于提升热的品位，所以热泵不是永动机。的品位，所以热泵不是永动机。前言前言n 热泵在工作时，它本身消耗一部分能量，把环境介热泵在工作时，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，通过制冷剂循环系统提高温质中贮存的能量加以挖掘，通过制冷剂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度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中一小部分，因此，采用热泵技术可以节约大量高品位能一小部分，因此，采用热泵
4、技术可以节约大量高品位能源。源。热泵技术发展史热泵技术发展史n 热泵的理论起源于十九世纪早期卡诺的著作，他热泵的理论起源于十九世纪早期卡诺的著作，他在在18241824年发表关于卡诺循环的论文，这个理论经过年发表关于卡诺循环的论文，这个理论经过3030年后，在年后，在18501850年初开尔文（年初开尔文（L.Kelvin）提出：冷冻装）提出：冷冻装置可以用于加热，之后许多科学家和工程师对热泵进置可以用于加热，之后许多科学家和工程师对热泵进行了大量研究，这种研究持续了行了大量研究，这种研究持续了8080年之久。年之久。19121912年瑞年瑞士的苏黎世已成功安装一套以河水作为低位热源的热士的苏
5、黎世已成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，并以此申报专利，这就是早期的水泵设备用于供暖，并以此申报专利，这就是早期的水源热泵系统，也是世界上第一套热泵系统。源热泵系统，也是世界上第一套热泵系统。上世纪上世纪3030年代，随着氟利昂制冷机的发展，热泵年代，随着氟利昂制冷机的发展，热泵有了较快的发展。特别是二战以后，工业经济的长足有了较快的发展。特别是二战以后，工业经济的长足发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供热及工业用热泵的发展。热泵工业在了大型供热及工业用热泵的发展。热泵工业在2020世纪世纪4040年代到年代到50
6、50年代早期得到迅速发展，到年代早期得到迅速发展，到19431943年大型热年大型热泵的数量已相当可观。泵的数量已相当可观。热泵技术发展史热泵技术发展史n 1948 1948年小型热泵的开发工作有了很大的进展，家用年小型热泵的开发工作有了很大的进展，家用热泵和工业建筑用的热泵大批投放市场。热泵和工业建筑用的热泵大批投放市场。由于热泵可由于热泵可以把制冷与采暖合用一套装置，而热泵若在电力充足而以把制冷与采暖合用一套装置，而热泵若在电力充足而电能价格又便宜的地区使用时，其运行费用甚低。因此，电能价格又便宜的地区使用时，其运行费用甚低。因此，用户对热泵产生兴趣，使热泵进入早期发展阶段。用户对热泵产生
7、兴趣，使热泵进入早期发展阶段。20 20 世纪世纪7070年代初期，由于年代初期，由于“能源危机能源危机”的出现，热泵的出现，热泵又以其回收低温废热，节约能源的特点，在产品经改进又以其回收低温废热，节约能源的特点，在产品经改进后，重新登上历史舞台，受到了人们的青睐。例如美国，后，重新登上历史舞台，受到了人们的青睐。例如美国，热泵的产量从热泵的产量从 19711971年的年的8.28.2万套万套/年猛增至年猛增至19761976年的年的3030万套万套/年，年，19771977年再次跃升为年再次跃升为5050万套万套/年，而此时日本年，而此时日本后来居上，年产量已超过后来居上，年产量已超过505
8、0万套。但热泵在世界范围内万套。但热泵在世界范围内的大规模商业应用是最近的大规模商业应用是最近2020年的事，如美国，截止年的事，如美国，截止19851985年全国共有年全国共有14,00014,000台地源热泵，而台地源热泵，而19971997年就安装了年就安装了4545，000000台，到目前为止已安装了台，到目前为止已安装了400400，000000台，而且每年以台，而且每年以1010的速度稳步增长。的速度稳步增长。热泵技术发展史热泵技术发展史n 在欧美发达国家，如澳大利亚、英国、法国、德在欧美发达国家，如澳大利亚、英国、法国、德国、北欧和南欧的一些国家，热泵产品已经进入了国、北欧和南欧
9、的一些国家，热泵产品已经进入了大多数家庭。大多数家庭。我国的热泵事业近几年已开始起步，而且发展势我国的热泵事业近几年已开始起步，而且发展势头看好。目前，我国利用较多的是水源热泵，而用头看好。目前，我国利用较多的是水源热泵，而用空气源热泵制取生活用热水在国内近两年刚刚起步。空气源热泵制取生活用热水在国内近两年刚刚起步。从从20012001年春天开始，澳大利亚康特姆公司在中国已年春天开始，澳大利亚康特姆公司在中国已建成数十个地源和空气源热泵示范工程，收到了很建成数十个地源和空气源热泵示范工程，收到了很好的效果。好的效果。热泵的种类热泵的种类n 根据热源和冷源的不同，热泵大致可以分为三种，根据热源和
10、冷源的不同，热泵大致可以分为三种，分别为：空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵。分别为：空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵。三种热泵的根本区别在于，空气源热泵是以空气作三种热泵的根本区别在于，空气源热泵是以空气作为为“源体源体”，通过冷媒作用，进行能量转移；水源热泵以，通过冷媒作用，进行能量转移；水源热泵以地表或地下浅层水作为冷热地表或地下浅层水作为冷热“源体源体”，在冬季利用热泵吸，在冬季利用热泵吸收其热量向建筑物供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其收其热量向建筑物供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放、实现对建筑物供冷；土壤源热泵是以大地为热源对排放、实现对建筑物供冷；土壤源热泵是以大地为热源对建
11、筑进行供暖和制冷，冬季通过热泵将大地中的低位热能建筑进行供暖和制冷，冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。存热量，以备冬用。空气源热泵空气源热泵n概概 述述 空气源热泵空气源热泵是一种利用空气来进行热冷交换做为是一种利用空气来进行热冷交换做为热（冷）源的即可供热又可制冷的高效节能空调系统热（冷）源的即可供热又可制冷的高效节能空调系统。它量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层水中近它量大面
12、广、无处不在。这种储存于地表浅层水中近乎无限的能源，使得水中蕴含的能量成为清洁的，可乎无限的能源，使得水中蕴含的能量成为清洁的，可再生能源的一种形式。水源热泵通过输入少量的高品再生能源的一种形式。水源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，水分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，水源热泵把空气中的热量提取出来，供给即在冬季，水源热泵把空气中的热量提取出来，供给室内采暖；夏季，把室内的热量提取出来，释放到地室内采暖；夏季，把室内的热量提取出来，释放到地下。通
13、常空气源热泵消耗下。通常空气源热泵消耗1kW1kW的能量，用户可以得到的能量，用户可以得到3kW3kW以上的热量或冷量。以上的热量或冷量。空气源热泵空气源热泵空气源热泵机组工作原理图空气源热泵空气源热泵n空气源热泵机组的结构和工作原理空气源热泵机组的结构和工作原理 如上图所示，空气源热泵机组主要由以下几部分组如上图所示，空气源热泵机组主要由以下几部分组成：压缩机，冷凝器，储液罐，干燥过滤器，膨胀阀，成：压缩机，冷凝器，储液罐，干燥过滤器，膨胀阀，吸热装置。吸热装置。空气源热泵中央空调系统，是一种极为理想的供暖空气源热泵中央空调系统，是一种极为理想的供暖/制冷方式，在寒冷地区室外最低适用温度可达
14、制冷方式，在寒冷地区室外最低适用温度可达-15-15，可提供可提供40-4540-45的热水；在炎热地区室外最高适用温的热水；在炎热地区室外最高适用温度可达度可达4343，制冷室温可达，制冷室温可达2424。该系统以空气作为热。该系统以空气作为热源，在冬季，以低温热水为热媒，通过埋设在房间中央源，在冬季，以低温热水为热媒，通过埋设在房间中央的拼装地的拼装地板和（或）风机盘管等散热器，均匀地向室内板和（或）风机盘管等散热器，均匀地向室内以平面方式、对流方式散热，可迅速提高室温，提供舒以平面方式、对流方式散热，可迅速提高室温，提供舒适的生活环境，克服了常规热源供暖方式对大气的污染，适的生活环境，克
15、服了常规热源供暖方式对大气的污染，减少了安全隐患。同时也避免了由常规燃气炉产生减少了安全隐患。同时也避免了由常规燃气炉产生空气源热泵空气源热泵 的高温水供暖致使居室装修的木地板因烘烤而翘曲变形的高温水供暖致使居室装修的木地板因烘烤而翘曲变形的问题，且经济性好；夏季，该装置通过换向阀，低压的问题，且经济性好；夏季，该装置通过换向阀，低压侧的热交换器吸收房间空气中的热量，使房间降温，解侧的热交换器吸收房间空气中的热量，使房间降温，解决了传统工质的空调机组在气温较高的情况下难以适应决了传统工质的空调机组在气温较高的情况下难以适应的缺陷。的缺陷。同时集空调、抽湿及供热水于一体，起到了目同时集空调、抽湿
16、及供热水于一体，起到了目前普通空调机组实现不了的作用。具有热感舒适、室温前普通空调机组实现不了的作用。具有热感舒适、室温稳定、节能、安全、方便管理等特点，是一种节能、环稳定、节能、安全、方便管理等特点，是一种节能、环保和安全的冷热功能合一的装置，也成为高档住宅的身保和安全的冷热功能合一的装置，也成为高档住宅的身份象征。份象征。空气源热泵空气源热泵空气源热泵空调系统空气源热泵空气源热泵空气源热泵中央空调系统工作原理图 水源热泵水源热泵n概概 述述 水源热泵是一种利用水来进行热冷交换做为热（冷）水源热泵是一种利用水来进行热冷交换做为热（冷）源的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。它量大面广源的既可
17、供热又可制冷的高效节能空调系统。它量大面广、无处不在。这种储存于水中近乎无限的能源，使得水能、无处不在。这种储存于水中近乎无限的能源，使得水能成为清洁的，可再生能源的一种形式。水源热泵通过输入成为清洁的，可再生能源的一种形式。水源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷转移。水分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，水源热泵把水中的热量提取出来，供给室源，即在冬季，水源热泵把水中的热量提取出来，供给室内采暖；夏季，把室内的热量提取出来，释放到地下。通内采暖；
18、夏季，把室内的热量提取出来，释放到地下。通常水源热泵消耗常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到的能量，用户可以得到36kW以上以上的热量或冷量。的热量或冷量。水源热泵水源热泵水源热泵机水源热泵机组原理图组原理图 水源热泵水源热泵n水源热泵机组的结构和工作原理水源热泵机组的结构和工作原理 如上图所示，空气源热泵机组主要由以下几部分组如上图所示，空气源热泵机组主要由以下几部分组成：成：1.1.压缩机，压缩机，2.2.膨胀阀，膨胀阀，3.3.冷凝器，冷凝器，4.4.蒸发器，蒸发器，5 56.6.循环水泵循环水泵。在制冷在制冷/制热工况下，制冷剂经膨胀阀时节流，其压制热工况下，制冷剂经膨胀阀时节流，
19、其压力降低，进入蒸发器；低压的制冷剂吸收了蒸发器热量力降低，进入蒸发器；低压的制冷剂吸收了蒸发器热量而汽化。制冷剂汽体被压缩机吸入，经压缩后排到冷凝而汽化。制冷剂汽体被压缩机吸入，经压缩后排到冷凝器，这时制冷剂的压力和温度都升高了。压力和温度较器，这时制冷剂的压力和温度都升高了。压力和温度较高的制冷剂蒸汽，在冷凝器中进行热交换，汽化的制冷高的制冷剂蒸汽，在冷凝器中进行热交换，汽化的制冷剂被冷凝为液态。这样，制冷剂便在系统内作了一个由剂被冷凝为液态。这样，制冷剂便在系统内作了一个由液体变汽体，又由汽体变液体的循环。蒸发器处周围介液体变汽体，又由汽体变液体的循环。蒸发器处周围介质的热量不断被吸走，
20、温度逐渐下降，这就是利用制冷质的热量不断被吸走，温度逐渐下降，这就是利用制冷剂的物态变化实现制冷剂的物态变化实现制冷/制热的基本原理。蒸发器与制冷制热的基本原理。蒸发器与制冷目标区进行热交换为制冷方式；反之，冷凝器与制热目目标区进行热交换为制冷方式；反之，冷凝器与制热目标区进行热交换为供热方式。标区进行热交换为供热方式。水源热泵水源热泵水源热泵水源热泵地表闭式水地表闭式水源热泵系统源热泵系统 土壤源热泵土壤源热泵n概概 述述n 地能是清洁可再生的自然能源，它具有常年温度地能是清洁可再生的自然能源，它具有常年温度稳定的特点，是热泵理想的热源形式。土壤源热泵具稳定的特点，是热泵理想的热源形式。土壤
21、源热泵具有许多优点，它对节能和减少环境污染等方面都有积有许多优点，它对节能和减少环境污染等方面都有积极的意义。土壤源热泵用全年温度相对稳定的地表浅极的意义。土壤源热泵用全年温度相对稳定的地表浅层土壤做热源和冷源。我国幅原辽阔，各地地表浅层层土壤做热源和冷源。我国幅原辽阔，各地地表浅层土壤温度有所不同。据资料介绍，土壤温度有所不同。据资料介绍，5m5m以下的土壤平均以下的土壤平均温度基本上不随季节变化而改变，且约等于该地区的温度基本上不随季节变化而改变，且约等于该地区的年空气平均温度。因而，需制热的冬季，地表浅层土年空气平均温度。因而，需制热的冬季，地表浅层土壤的温度比室外空气温度高；需制冷的夏
22、季，其温度壤的温度比室外空气温度高；需制冷的夏季，其温度则比室外空气温度低。这样，热泵工质与土壤的温差则比室外空气温度低。这样，热泵工质与土壤的温差在冬、夏两季都保持在较高的水平上，可提高制冷系在冬、夏两季都保持在较高的水平上，可提高制冷系数或制热系数，也使得土壤源热泵在夏季可获得较低数或制热系数，也使得土壤源热泵在夏季可获得较低的冷凝温度，在冬季可获得较高的蒸发温度，全年在的冷凝温度，在冬季可获得较高的蒸发温度，全年在较高的较高的COPCOP下运行。下运行。土壤源热泵土壤源热泵供冷、热网86534217土壤源热泵土壤源热泵机组原理图机组原理图 土壤源热泵土壤源热泵n土壤源热泵机组的结构和工作
23、原理土壤源热泵机组的结构和工作原理 如上图所示，空气源热泵机组主要由以下几部分如上图所示，空气源热泵机组主要由以下几部分组成：组成：1.1.压缩机，压缩机，2.2.蒸发器，蒸发器，3.3.节流装置，节流装置，4.4.冷凝器，冷凝器，5 56.6.循环泵，循环泵，7.7.风机盘管，风机盘管，8 8埋地换热器埋地换热器 冬季供热工况时，机组埋地换热器与蒸发器相接，冬季供热工况时，机组埋地换热器与蒸发器相接，室内供暖水管与冷凝器相接，通过制冷剂循环，从地室内供暖水管与冷凝器相接，通过制冷剂循环，从地下土壤中吸取热量为室内供热；下土壤中吸取热量为室内供热；夏季制冷工况时，地源热泵切换到逆向循环，蒸夏季
24、制冷工况时，地源热泵切换到逆向循环，蒸发器转变为冷凝器，冷凝器转变为蒸发器，从而埋地发器转变为冷凝器，冷凝器转变为蒸发器，从而埋地换热器与热泵机组冷凝器相接，室内冷冻水管与蒸发换热器与热泵机组冷凝器相接，室内冷冻水管与蒸发器相接，通过制冷剂循环，不断的将室内热量释放到器相接，通过制冷剂循环，不断的将室内热量释放到地下土壤中。地下土壤中。土壤源热泵土壤源热泵土壤源热泵土壤源热泵空调系统空调系统土壤源热泵土壤源热泵平铺管土壤平铺管土壤源热泵系统源热泵系统 土壤源热泵土壤源热泵U型管土壤型管土壤源热泵系统源热泵系统 土壤源热泵土壤源热泵采用土壤源采用土壤源热泵系统供热泵系统供暖的别墅建暖的别墅建筑筑
25、 结束语结束语n 节能始终是空调领域中的重要研究课题之一。热节能始终是空调领域中的重要研究课题之一。热泵技术能提高能源利用率，是合理用能的典范。正因泵技术能提高能源利用率，是合理用能的典范。正因为热泵的节能效益，才使热泵在为热泵的节能效益，才使热泵在2020世纪世纪7070年代后，在年代后，在空调领域中获得广泛地应用与发展。有关文献将这一空调领域中获得广泛地应用与发展。有关文献将这一时期称为热泵发展的第一兴旺期。并预言，由于全球时期称为热泵发展的第一兴旺期。并预言，由于全球温暖化问题成为世人瞩目的焦点，人们要求减少温室温暖化问题成为世人瞩目的焦点，人们要求减少温室效应。也就是说，空调能源效率再次变得最重要，这效应。也就是说，空调能源效率再次变得最重要，这不是由于经济问题，而是出于环境原因，我们暧通空不是由于经济问题，而是出于环境原因，我们暧通空调工作者将会经历热泵发展的第二次兴旺期。为此，调工作者将会经历热泵发展的第二次兴旺期。为此，暖通空调工作者应做好思想准备，加强有关热泵空调暖通空调工作者应做好思想准备，加强有关热泵空调方面的研究工作，积极推广应用热泵空调。方面的研究工作，积极推广应用热泵空调。
