热泵技术及应用

第8章热泵技术及应用

热泵是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统，是近三十年来迅猛发展的一种高效的节能装置。由于热泵花费少量的驱动能源，就可以从周围环境中提取低品位热量转化为有用的热量，被广泛应用于建筑空气调节、石油化工供能、农副产品加工、化工原料处理、中草药材干燥、轻工产品生产等领域中。热泵还可以采用各种新能源和可再生能源作为驱动能源，合理匹配利用能源，在节约能源的同时实现了社会的可持续发展。正是因为热泵同时兼顾节约能源、环境保护和持续发展而倍受人们关注。

8.1 热泵的基本知识

8.1.1 热泵的发展与现状

热泵的理论最早可追溯到1824年法国物理学家卡诺(S. Carnot)发表的逆卡诺循环。世界上第一个提出热泵装置的人是英国的著名科学家开尔文(L. Kelvin)，开尔文早在1852年就描述了他的热量倍增器的设想。如图8—1所示，该装置由两个气缸和一个储气筒组成，气缸活塞由蒸汽机驱动，储气筒起换热器的作用。室外环境的空气被吸入气缸，膨胀降温后排至室外的储气筒，在储气筒中吸收环境热量温度回升，然后进入排出气缸被压缩至大气压力排出。显然排出空气的温度高于环境温度，被送入需要供暖的建筑物。遗憾的是，限于当时的工业技术水平，开尔文没有制造出他的热泵装置。

图8-1 卡尔文的“热泵”设想简图

历史上，同样是制冷系统的制冷机的发展远远领先于热泵，主要的原因是人类获得冷的方式比较少，而获得热的方式有很多。如化石燃料直接取暖、锅炉采暖、电加热取暖等。

世界上第一台热泵装置是1927年在英国安装试验的一台家用热泵，它是用氨作为工质，外界空气作为热源，用来采暖和加热水。当时人们已经认识到在热泵装置中，通过简单的切换循环的方向来实现冬季供热、夏季供冷的可能性，以及合理匹配废热、驱动能源、供热和制冷等综合利用的问题。

随后，美国、瑞士、德国和日本等国家也开始研究和使用热泵装置。1931年，美国洛杉矶一间办公大楼将制冷设备用于供热，供热量达1050 kW，性能系数达2.5，这是世界上最早应用的大容量热泵。1937年，日本在大型办公大楼中安装了两台194 kW的压缩机驱动并带有蓄热箱的热泵系统，以井水作为低温热源，性能系数达4.4。1939年，瑞士苏黎世安装了一台热泵系统，向市政厅冬季供暖夏季制冷，以河水作为热源，R12作为工质，采用离心式压缩机，有蓄热系统和辅助电加热系统，供热量为175 kW，性能系数为2，输出水温为60℃。此后受第二次世界大战的影响，热泵的发展出现第一个停滞期。

战后热泵首先在美国蓬勃发展起来，房屋供暖、建筑空调和工业中大量应用热泵系统。通用电器公司开发了以空气为热源，制冷和供热可自动切换的空调机组，使得热泵作为一种全年运行的设备进入空调市场。到上个世纪60年代，在美国安装的热泵机组达8万台左右，但是由于设计水平和制造水平较低，大量热泵机组出现故障，最终导致热泵发展又一次进入停滞期。

1973年世界爆发第一次石油危机，迫使世界各国重新审视能源利用问题，提出节能的口号，各国政府相继出台各种政策鼓励节能产品的研制，热泵做为一种高效的节能设备再次得到迅猛发展。到1994年，全世界安装运行的热泵机组已经超过5500万台，其中有7000台热泵用于工业，近400套用于区域集中供热。北欧是世界上热泵供暖最多的的地区，瑞典的斯德哥尔摩市区供暖容量的50％以上由热泵提供。据统计，全世界供热需求量中2％由热泵提供。

目前世界上热泵最广泛的应用领域是建筑物采暖，据统计世界上很多国家建筑物采暖的耗能占所消耗能量中的40％左右，已经高于工业生产的耗能量。与传统锅炉房供暖相比，热泵供暖的能量利用率明显好于锅炉房供暖。

我国的热泵事业相对滞后于世界发达国家。上个世纪五十年代，天津大学在实验室制成我国第一台热泵系统。1965年，原上海冰箱厂研制成功一台制热量为3720 kW的CKT-3A热泵型窗式空调器，但运行的可靠性并不好。与世界上其他发达国家相似，由于受电价的影响，

在我国热泵的发展也是先从工业应用开始，再逐渐进入家庭。

上个世纪八十年代，我国科研机构和生产企业对各种场合的热泵应用展开了详细的研究开发，取得了许多研究成果。1980年，上海手工业局设计室与上海冷气机厂协作在上海工艺美术部安装了国内第一台自行设计的水—水热泵系统，采用R12为工质，压缩机功率为55 kW，配有48 kW的辅助电加热，供1200 m2面积空调用，制冷供暖采用手动阀门切换。1982年，广州能源研究所在东莞设计建造了一套用于加热室内游泳池的热泵，该系统由太阳房和水－水热泵组成，采用深井中的24℃的地下水作热源，性能系数达5～6。1984年，上海704所、开封通用机械厂和无锡第四织布厂联合试制了国内第一套双效型第一类吸收式热泵。1985年，上海空调厂和上海冷气机厂试制成功国内第一个热泵型柜式空调机组系列。1989年，青岛建筑工程学院建立了利用大地土壤作为热源的热泵实验室，成功运行至今。1990年，在上海成功研制出了350 kW第二类吸收式热泵。

上个世纪九十年代，我国经济高速发展，人民生活水平显著提高，住宅和办公条件明显改善，电力供应大幅增长，特别是城市商场、旅店、住宅等高层建筑的兴建，大大促进了热泵与空调事业的发展。以包括热泵在内的房间空调器增长为例，年产量从1991年的59.6万台，增至1996年的645.9万台，2000年的2000万台。若以热泵型空调器占房间空调器50％计算，2000年热泵型空调器年产量已达到1000万台。

可以看出，热泵的发展与国民经济的发展、能源消费结构、热泵技术以及政府的政策导向等因素都有着密切的关系。目前，全世界范围内热泵产品已基本定型，热泵作为一种高效的节能装置，在工农业、服务业等生产环节和家居办公舒适环境等生活环节中，将发挥越来越重要的作用。

8.1.2 热泵的分类与系统基本型式

1. 热泵的分类

热泵应用广泛，种类繁多，分类复杂，本书仅就常用的热泵型式进行分类。

按照工作原理，热泵可分为：

(1) 蒸气压缩式热泵蒸气压缩式是应用最普遍的一种热泵形式。它的工作原理为：热泵工质在由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器组成的系统中循环，通过工质的状态变化及相变将低温下的热能“泵”送到高温度区。家用空调器基本都是这种形式。

(2) 气体压缩式热泵气体压缩式热泵与蒸气压缩式热泵的主要区别是其内工质不发生相变，始终以气态进行循环。

(3) 蒸气喷射式热泵蒸气喷射式热泵是以蒸气喷射器代替蒸气压缩式热泵的机械式压缩机，其他工作原理大体相同。对有蒸气来源的场合可以考虑使用这种形式。

(4) 吸收式热泵吸收式热泵通常由发生器、冷凝器、吸收器、蒸发器和节流装置等组成，它消耗高温的热能将低温热能“泵”送到高