热泵分类、原理、和比较

第2章热泵的分类及工作原理

2.1热泵的概念

“热泵”（heat pumps）这一术语是借鉴“水泵”一词得来的。在自然界中，水从高处自发流向低处，水泵可将水从低处送到高处利用。同样，热量可自发从高温热源传向低温热源，而热泵可将低温热源的热量“泵送”（交换传递）到高温热源加以利用，所以热泵实质上是一种热量提升装置。我国《暖通空调术语标准》（GB50155-92）对热泵的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”，《新国际制冷词典》（New International Dictionary of Refrigeration ）对热泵的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。

2.2 热泵的分类【3】

由于热泵系统构成、设备特性、热源的种类以及用途的多样性，热泵的分类也多种多样，常见的分类方法有按驱动能源种类分类、按工作原理分类、按热源的种类分类、按主要用途分类、按供热温度分类、按热源和供冷供热介质的组合方式分类、按热泵机组安装方式分类、安热泵的功能方式分类、按能俩热泵的功能方式分类、按能量提升级数分类等。主要内容如下。

2.2.1 按驱动能源种类分类

（1）电动机驱动

（2）热驱动热驱动又可分为热能驱动（如吸收式热泵、蒸汽喷射式热泵）及发动机驱动（如内燃机驱动、汽轮机驱动等）。

2.2.2 按工作原理分类

（1）蒸汽压缩式这是热泵中最为普遍而广泛应用的一种形式。这类热泵中，热泵工质通常在由压缩机、冷凝器、节流装置及蒸发器等部件组成的系统中进行循环，并通过工质的状态变化及相变来实现将低品味热能泵送至高品位温度区的目的。

（2）气体压缩式与蒸汽压缩式热泵的区别在于这类热泵中工质始终以气态进行循环而不发生相变、如飞行器中空调系统多采用空气压缩式。

（3）吸收式消耗较高品位的热能来实现将低品位的热能向高品位温度区传送的目的。吸收式热泵通常由蒸发器、冷凝器、吸收器、发生器及节流阀等组

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成。吸收式热泵工质中最常见的有水-溴化锂（工质为水，吸收剂为溴化锂）、氨-水（工质为氨，吸收剂为水）及其他。吸收式热泵又可按其供热温度的高低分为第一类吸收式热泵（增热型）、第二类吸收式热泵（升温型）。前者供热的温度低于驱动热源，而后者供热的温度高于驱动热源；前者以增大制热量为主要目的，而后者以升高温度品味为只要目的。

（4）蒸汽喷射式实际上这类热泵是以蒸汽喷射泵代替机械压缩机，其余的工作原理均与蒸汽压缩式相同。作为驱动力的蒸汽可来自锅炉，也可利用工艺过程中的水蒸气或其他蒸汽。

（5）热电势利用帕尔帖（Peltier）效应，即当直流电通过由两种不同导体组成的回路时会在回路的两个连结端产生温差的现象。

（6）化学热泵利用化学吸收、吸附、等现象或化学反应等原理制成的热泵。

2.2.3 按热源种类分类

热泵的热源往往是低品位的，可分为空气、地表水（又可分为江河水、湖泊水、海水等）、地下水、城市自来水、土壤、太阳能、废热（水、气）等。

2.2.4 按主要用途分类

（1）住宅用制热量一般为1-70KW。

（2）商业及农业用制热量为2-120KW。

（3）工业用制热量为0.1-10MW。

2.2.5 按供热温度分类

（1）低温热泵供热温度<100摄氏度。

（2）高温热泵供热温度>100摄氏度。

2.2.6 按热源与供热介质的组合方式分类

（1）空气-空气热泵以一侧的空气为吸热对象、以另一侧的空气为供热对象的热泵。

（2）水-空气热泵以水（如河水、地下水、废热水等）为吸热对象、以空气（或气体）为供热对象的热泵。

（3）空气-水热泵以空气（或气体）为吸热对象。

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（4）水-水热泵以水（如河水、地下水、热污水、工业冷却水等）为吸热对象、以水为供热对象的热泵。

（5）土壤-水热泵（大地耦合式热泵）以土壤为吸热对象、以水为放热对象的热泵。

（6）土壤-空气热泵（大地耦合式热泵）以土壤为吸热对象、以空气为放热对象的热泵。

2.2.7 按压缩机类型分类

主要有往复活塞式、涡旋式、滚动转子式、螺杆式、离心式等。

2.2.8 按热泵供能方式分类

分为单纯制热、交替制冷与制热、同时制冷与制热。

2.2.9 按热量提升级数分类

（1）初级热泵利用天然能源如室外空气、地表水、地下水或土壤等为热源。

（2）次级热泵以排出的废水、废气、废热等为热源。

（3）第三季热泵与初级或次级热泵联合使用，将前一级热泵制取的热量再升温。如寒冷地区可用多囧热泵的组合提供供暖用热。

2.3 热泵的经济性指标

热泵通常被作为一种节能装置，其性能系数用COP来表示，它指其收益（制热量）与代价（所耗机械功或热能）的比值。

1、压缩式热泵：用εh表示,为制热量Qh与输入功率W的比值

εh= Qh/ W=(Q0+W)/W=1+ε>1

2、吸收式热泵：用ζ表示，为制热量Qh与输入热能Qg的比值

ζ= Qh/ Qg

COP-Coefficient of Performance也称能效比【4】。在冬季供热时，制热量与输入功率的比率定义为热泵的循环性能系数COP。

在夏季制冷时，制冷量与输入功率的比率定义为热泵的能效比EER （Energy Efficiency Ration）。

为不引起歧义，我们将冬季热泵循环性能系数和夏季热泵的能效比表达

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形式均采用COP（能效比）表示。

2.4 各类热泵的原理及优缺点

2.4.1水源热泵【5】以地能（地下水、地表水）为主要能源，电能为辅助能源，利用制冷剂作载体，将源源不断的低位热源开发利用，实现低品位热能向高品位转移。其优点为：1、属可再生能源利用技术；2、高效节能；3、运行稳定可靠；4、环境效益显著一机多用，应用范围广；6、自动运行。其不足为：1、可利用的水源条件限制；2、水层的地理结构限制；3、随缘的经济性不稳定。2.4.2 地源热泵是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。地源热泵系统【6】的优越性表现为：1、低维护—地源热泵系统的运动部件要比常规系统少，因而减少了维护，并且更加可靠；2、安全—地源热泵系统在运行中没有燃烧，因此不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气集结在家中或商业建筑内；3、运行费低—地源热泵系统的效率比燃烧矿物燃料、燃油、天然气和丙烷的设备都高；4、舒适—由于地源热泵系统的供冷、供热更为平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值；5、可靠—如果安装适当，系统将可使用25年以上；6、易于改建--建筑物中现有的供热、供冷风管通常可直接连接到地源热泵系统上；7、改善环境--比较典型的，是将地源热泵系统安装在车库或其他室内场所，使设备不暴露在恶劣的气候中，并使其运行安静，甚至使用户感觉不出设备正在运行。土壤热源的优点是温度稳定，不用风机或水泵采热，无噪声、无需除霜，其缺点为土壤传热性能欠佳，需要较多铁传热面积，导致占地面积较大。（地源热泵系统：根据地热能系统交换形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地表水地源热泵系统、地下水地源热泵系统。只要以岩土体、地下水、或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统，统称为地源热泵系统）

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