热泵技术(一)
热 泵 技 术
我们都知道，在自然状态下，我们不能将外部寒冷环境中的热量带到更加温暖的室内环境中。同时我们也知道，科技的发展则是通过理论及相关设备将自然状态下不可能发生的事情实现。而这项将热量从冷环境传送到热环境的技术已存有150多年了。这项技术至今广泛运用于制冷设备的生产：即把热量通过制冷剂散发到外部更高温度的环境中去的设备。同样，这项技术也可运用于制热：即将外部环境中的热量传送到室内进行制热而无需燃烧燃料来产生热量。
图例分为以下三个部分
步骤1 — 获取热空气 我们假设将35℃的热空气封闭到一个带可运动活塞的圆柱体内。
步骤2 — 膨胀 我们设法将此空气膨胀，比如膨胀为原体积的1.2 倍。这样则会造成空气温度的降低，因为：
－ 空气膨胀后，初始状态时存在的热量散发给更大容积的空气。
－ 用于膨胀的能量从圆柱体内空气中提取（流体学理论）。
在此假设的膨胀容积下 ， 空气温度从35℃下降到了13.3℃。
步骤3 — 制冷
我们把这个空气温度为13.3℃的圆柱体转移到温度为26℃的室内。圆柱体内的空气则可以进行室内制冷。此图例说明了可以将更高温度的空气膨胀并转移，然后进行室内环境的制冷。
热空气制冷原理图
3、如何使用冷空气进行室内制热
图例分为以下三个部分
步骤1 — 获取冷空气 我们假设将10℃的冷空气封闭到一个带有可运动活塞的圆柱体内。
步骤2 — 压缩 我们将此空气压缩，使其容积减少20%，这样则会造成其温度升高，因为：
— 空气压缩后，初始状态时存在的热量加热更小容积的空气。
— 用于压缩空气的能量传送到圆柱体内的空气中（流体学理论）。
在此假设的压缩体积下，空气温度由10℃上升到了36.4℃
步骤3 — 制热 我们把这个空气温度为36.4℃的圆柱体转移到温度为20℃的室内，圆柱体内的空气则可进行室内的制热。
此图例说明了可以将更低温度的空气进行压缩并转移然后用于室内的环境制热。
热泵热水
冷空气制热原理
4、将热量从低温传送到高温的设备
能够将热量从低温环境传送到高温环境的设备有很多种，每种之间的物理及化学过程不一。然而市场上最为普通的设备则是利用前面所讲述的两种现象。这些设备的核心原理是一个封闭循环的回路，其中的介质被称为冷媒或制冷剂，它在此循环回路中被连续地压缩和膨胀。在每次被压缩和膨胀时（即每一轮工作状态），制冷剂将热量从低温环境中‘抽取’并传送到高温环境中。空气并未作为冷媒使用，尽管它不会造成污染且无成本。因为其每轮工作状态的热效率相当低。实际使用的冷媒是能够在吸收热量时蒸发，散发热量时冷凝的液体。液体形态的改变过程能够在每一轮工作循环中极大地提高热效率。将循环方式调转，这类设备即可用于供热也可用于制冷。
制冷剂：最早的制冷机器采用氨作为制冷剂，由于其毒性和腐蚀性强，已不再作为制冷剂使用。很多年以来，氟里昂一直作为制冷剂使用，但由于它会破坏臭氧层从而危害地球的生态环境已被禁止使用。目前使用最多的制冷剂为HCFC（含氢氯氟烷烃）。对于新型制冷剂的研究一直在进行中。目的是尽量减少对环境的污染同时提高其热效率。
5、热泵的主要构成组件
（1）热泵的瞬时特性：只与压缩机有关的效率系数，它指热泵输出热量与压缩机所消耗电量之间的关系。
实际上，它指压缩机消耗1kW 电量所能获得的热量。比如说ε＝4，那么则指1kW 的耗电量下可获取4kW 的热量。ε值主要取决于冷源与供热温度之间的温差：温差越小，ε值越大，即热泵效率越高。很明显，将热量从10℃的环境中传送到30℃的供热介质中远比传送到50℃的供热介质更加容易。
（2）与压缩机及相关设备关联的效率系统COP 此效率系数（由EN 255标准定义）指热泵的输出热量与热泵的压缩机及其它元件所消耗电量之间的关系。
COP与ε系数注解：ε值与COP值均由热泵厂家提供，某些厂家只提供其中一项，并且对于有效热能和所需能耗的关系较为含糊。下图为一个水/水换热型热泵的COP数据关系，
为防止厂家之间数据误导不正常的竞争，很多欧洲厂家均采用第三方独立实验室进行数据的检验。
7、热泵系统的年均性能系数
这类系数被命名为COPA，即COP的年平均值。它指一年之内的有效供热量与系统运行总共耗电量之间的关系。
此系数不仅与热泵本身的性能相关，还与热量的分配及调节性能密不可分。这个系数对于计算系统的运行费用相当重要。
当然，要确定这个年均性能系数并不容易，它受很多因素的影响，比如
— 冷源温度的变化。
— 系统的分布及末端的种类。
— 系统的调节方式。
— 热泵的调节方式。
8、可利用的冷热源
热泵的冷媒吸热端可使用多种不同的冷热源。如何选择合适的冷热源主要参考以下各因素：
— 外部环境特征。
— 相关法规的约束情况。
— 所需工作特性。
— 系统造价。 — 投资款最快回收期限。
以下我们对常用的几种冷热源及其特性进行介绍
（1）空气源 空气源既可是室外空气也可是室内交换空气。室外空气：特点是随时随地可取，无需特殊的获取设备，无需专业机构的批准。但是当室外空气温度低于5-6℃时，热泵效率明显降低，这时需要辅助加热系统。室内交换空气（通常在20℃左右）；没有上述室外空气的缺点，但空气量较小。
（2）表层水源 表层水源包含：海水，湖泊，运河，水塘，这些都可作为冷热源使用。值得考虑的是，在非常寒冷的季节，某些冷热源温度很低且会结冰。同空气源一样，它们在温度过低的情况下也同样需要辅助加热系统。
（3）地 源 地面下有大量储存的热量，它们来源于太阳能和地热能，太阳能的能源大多储存在地下浅层，而地热能则储存在更深层。地下的热源可通过以下几种方式利用：
潜水含水层。
横式盘管：使用塑料盘管吸取地板下浅层热量。
竖式盘管：使用塑料盘管深入地下100-200米吸取热量。
桩埋管：将U型管换热器埋于建筑物混凝土桩基中。
9、可使用热泵的供热系统
冷源与供水温度的差值越小，热泵的效率则更高。因此热泵更适合于低温采暖方式。根据这个特点，
常见的采暖方式有以下的优缺点：
(1)辐射地板采暖系统 辐射地板采暖系统因为其低温供暖的方式，非常适合使用热泵为热
源。当然，将供水温度尽量降低会更加适合，这可以通过使用较小的布管间距（比如10-15mm）来实现。
(2)散热器采暖系统 当无法使用地板采暖系统时，比如已建房屋或特殊的历史性建筑，可使用散热器采暖系统。散热器采暖系统最大的局限性在于由于使用低温供水，散热器尽寸会比通常尺寸大很多。比如说，一个在80℃时能输出1,000 kcal/h 热量的散热器，在45℃时只能输出320 kcal/h 的热量。这样则会造成散热器设计片数增加。另外一个局限性则是无法使用散热器制冷
(3) 风机盘管系统 风机盘管系统主要适合于公共建筑如饭店、办公楼、医院等场所。使用热泵为热源的风机盘管系统需要选择在低温供水（40-45℃）下能正常工作的风机盘管。另外，如果是安装在卧室内则需要使用噪音很小的风机。
(4) 风道系统 可以使用空气/空气或水/空气型热泵作为热源。使用空气/空气热泵的系统由热泵直接供给风道热量。使用水/空气热泵的系统由热泵将热量提供给空气处理单元。
10. 使用热泵供热及制冷
热泵不仅可用于供热，同时也可用于制冷。制冷方式可使用可转换型热泵或直供系统：即直接使用冷源供应的系统。
（1）可转换型热泵：这类热泵可以转换冷媒介质的循环方向，也就是热量的换热方向。它因此既可用于制热也可用于制冷。循环的方向通过以下元件进行转换：
— 压缩机前端的四通切换阀。
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