熱 泵 系 統

將熱量從低溫環境傳送到高溫環境

我們都知道，在自然狀態下，我們不能將外部寒冷環境中的熱量帶到更加溫暖的室內環境中。 

同時我們也知道，科技的發展則是通過理論及相關設備將自然狀態下不可能發生的事情實現。

而這項將熱量從冷環境傳送到熱環境的技術已存有150多年了。

這項技術至今廣泛運用于制冷設備的生產：即把熱量通過制冷劑散發到外部更高溫度的環境中去的設備。

同樣，這項技術也可運用于制熱：即將外部環境中的熱量傳送到室內進行制熱而無需燃燒燃料來產生熱量。

下面我們將對制冷和制熱的方式通過兩個圖示進行說明。

如何使用熱空氣進行室內制冷

圖例分為以下三個部分：

步驟 1 — 獲取熱空氣

我們假設將 35℃的熱空氣封閉到一個帶可運動活塞的圓柱體內。

步驟 2 — 膨脹

我們設法將此空氣膨脹，比如膨脹為原體積的 1.2 倍。這樣則會造成空氣溫度的降低，因為：

－ 空氣膨脹后，初始狀態時存在的熱量散發給更大容積的空氣。

－ 用于膨脹的能量從圓柱體內空氣中提取（流體學理論）。在此假設的膨脹容積下 ， 空氣溫度從 35℃下降到了13.3℃。

步驟 3 — 制冷

我們把這個空氣溫度為13.3℃的圓柱體轉移到溫度為 26℃的室內。圓柱體內的空氣則可以進行室內制冷。此圖例說明了可以將更高溫度的空氣膨脹并轉移，然后進行室內環境的制冷。

如何使用冷空氣進行室內制熱

圖例分為以下三個部分：

步驟1 — 獲取冷空氣

我們假設將10℃的冷空氣封閉到一個帶有可運動活塞的圓柱體內。

步驟2 — 壓縮

我們將此空氣壓縮，使其容積減少20%，這樣則會造成其溫度升高，因為：

— 空氣壓縮后，初始狀態時存在的熱量加熱更小容積的空氣。

— 用于壓縮空氣的能量傳送到圓柱體內的空氣中（流體  學理論）。

在此假設的壓縮體積下，空氣溫度由10℃上升到了 36.4℃。

步驟3 — 制熱

我們把這個空氣溫度為36.4℃的圓柱體轉移到溫度為 20℃的室內，圓柱體內的空氣則可進行室內的制熱。

此圖例說明了可以將更低溫度的空氣進行壓縮并轉移然后用于室內的環境制熱。

 將熱量從低溫傳送到高溫的設備

能夠將熱量從低溫環境傳送到高溫環境的設備有很多種，每種之間的物理及化學過程不一。

然而市場上最為普通的設備則是利用前面所講述的兩種現象。

這些設備的核心原理是一個封閉循環的回路，其中的介質被稱為冷媒或制冷劑，它在此循環回路中被連續地壓縮和膨脹。

在每次被壓縮和膨脹時（即每一輪工作狀態），制冷劑將熱量從低溫環境中‘抽取’并傳送到高溫環境中。

空氣并未作為冷媒使用，盡管它不會造成污染且無成本。因為其每輪工作狀態的熱效率相當低。

實際使用的冷媒是能夠在吸收熱量時蒸發，散發熱量時冷凝的液體。液體形態的改變過程能夠在每一輪工作循環中極大地提高熱效率。

將循環方式調轉，這類設備既可用于供熱也可用于制冷。

第一種方式下它被稱為熱泵，第二種方式下被稱為制冷機。這只是名稱上的區別而已。

下圖為熱泵的主要構成組件，下面則分別介紹了每個組件的功能。

制冷劑

最早的制冷機器采用氨作為制冷劑，由于其毒性和腐蝕性強，已不再作為制冷劑使用。

很多年以來，氟里昂一直作為制冷劑使用，但由于它會破壞臭氧層從而危害地球的生態環境已被禁止使用。

目前使用最多的制冷劑為HCFC（含氫氯氟烷烴）。對于新型制冷劑的研究一直在進行中。目的是盡量減少對環境的污染同時提高其熱效率。

壓縮機

壓縮冷媒，提高其溫度。

冷凝器

使冷媒從氣態轉變為液態時散發熱量。

膨脹閥

使冷媒膨脹溫度降低。

蒸發器

使冷媒從液態轉變為氣態時吸收熱量。

 制冷的歷史回顧

人類從一開始就學會了生火取暖。然而制冷技術卻遲遲源于十八世紀末，制冷的發明極大地改善了人們的生活水平。

今天，在我們的社會文明中，制冷工業有著其不可取代的與日常生活息息相關的巨大作用。

以下是制冷工業在歷史上的幾大事件：

1834年：雅各布?帕金斯（Jacob Perkins）在倫敦制造了第一臺蒸汽壓縮式制冷機。

1859年：F?卡列（CARRE）發明了氨水吸收式制冷機，開始工業冰的生產。

1895年：冷凍船將肉食從阿根廷運輸到歐洲。

1911年：W?開利（CARRIER）發明了第一臺空調。

 熱泵的歷史回顧

熱泵的歷史始于1973年的石油危機，其后果是燃油價格的迅猛上漲。

燃料的危機讓人們意識到，在某些場合，可以從冷源中抽取熱量而不需直接燃燒產生熱量。也就是說，可以使用熱泵取代鍋爐。

熱泵的真正普及是在2000年之后，除了之前所提及的燃料價格問題外，更多的是出于對環境的考慮，因為燃料燃燒產生的大氣污染，使人們更加關注于環境，更多使用清潔能源。

熱泵及其系統的性能

熱泵的性能至關重要，以下我們將介紹與供熱相關的性能特征。制冷的特性數據與供熱大致相等。

熱泵的瞬時特性

這些特性指根據明確的實驗條件下得出的系數。

只與壓縮機有關的效率系數

它指熱泵輸出熱量與壓縮機所消耗電量之間的關系：

實際上，它指壓縮機消耗 1kW 電量所能獲得的熱量。比如說ε＝4，那么則指 1kW 的耗電量下可獲取 4kW 的熱量。

ε值主要取決于冷源與供熱溫度之間的溫差：溫差越小， ε值越大，即熱泵效率越高。很明顯，將熱量從 10℃的環境中傳送到 30℃的供熱介質中遠比傳送到 50℃的供熱介質更加容易。

與壓縮機及相關設備關聯的效率系統 （工作效率）

此效率系數（由EN 255標準定義）指熱泵的輸出熱量與熱泵的壓縮機及其它元件所消耗電量之間的關系。

 熱泵系統的年均性能系數   

這類系數被命名為COPA，即COP的年平均值。它指一年之內的有效供熱量與系統運行總共耗電量之間的關系。

此系數不僅與熱泵本身的性能相關，還與熱量的分配及調節性能密不可分。

這個系數對于計算系統的運行費用相當重要。 

當然，要確定這個年均性能系數并不容易，它受很多因素的影響，比如：

— 冷源溫度的變化。

— 系統的分布及末端的種類。 

— 系統的調節方式。

— 熱泵的調節方式。

同時，熱泵壓縮機的起停次數也非常關鍵。在熱泵開啟階段，電機需要預熱，所以這時的COP 值就會低于實驗室理想的工作狀態下得出的數據。目前市場上已有專業的確定COPA值的計算公式和軟件，因為其復雜性我們在此不做介紹。可以預測的是，很快會有官方的計算方式出臺，以避免廠家提供的模棱兩可的引發爭議的數據，這樣才可 以對使用了熱泵系統的建筑頒發官方的節能認證。

 可利用的冷熱源

熱泵的冷媒吸熱端可使用多種不同的冷熱源。如何選擇合適的冷熱源主要參考以下各因素：

— 外部環境特征。

— 相關法規的約束情況。

— 所需工作特性。

— 系統造價。 

— 投資款最快回收期限。 

以下我們對常用的幾種冷熱源及其特性進行介紹：

 空氣源

空氣源既可是室外空氣也可是室內交換空氣。

室外空氣：特點是隨時隨地可取，無需特殊的獲取設備，無需專業機構的批準。但是當室外空氣溫度低于 5-6℃時，熱泵效率明顯降低，這時需要輔助加熱系統。

室內交換空氣（通常在20℃左右）；沒有上述室外空氣的缺點，但空氣量較小。

表層水源

表層水源包含：海水，湖泊，運河，水塘，這些都可作為冷熱源使用。值得考慮的是，在非常寒冷的季節，某些冷熱源溫度很低且會結冰。

同空氣源一樣，它們在溫度過低的情況下也同樣需要輔助加熱系統。

地 源

地面下有大量儲存的熱量，它們來源于太陽能和地熱能，太陽能的能源大多儲存在地下淺層，而地熱能則儲存在更深層。

地下的熱源可通過以下幾種方式利用：

潛水含水層。

橫式盤管：使用塑料盤管吸取地下淺層熱量。

豎式盤管：使用塑料盤管深入地下100-200米吸取熱量。

樁埋管：將U型管換熱器埋于建筑物混凝土樁基中。

可使用熱泵的供熱系統

我們之前討論過，冷源與供水溫度的差值越小，熱泵的效率則更高。因此熱泵更適合于低溫采暖方式。根據這個特點，常見的采暖方式有以下的優缺點：

輻射地板采暖系統

輻射地板采暖系統因為其低溫供暖 的方式，非常適合使用熱泵為熱源。

當然，將供水溫度盡量降低會更加適合，這可以通過使用較小的布管間距 （比如10-15mm）來實現。

散熱器采暖系統

當無法使用地板采暖系統時，比 如已建房屋或特殊的歷史性建筑，可使用散熱器采暖系統。

散熱器采暖系統最大的局限性在于由于使用低溫供水，散熱器盡寸會比通常尺寸大很多。

比如說，一個在 80℃時能輸出 1,000 kcal/h 熱量的散熱器，在 45℃時只能輸出 320 kcal/h 的熱量。這樣則會造 成散熱器設計片數增加。

另外一個局限性則是無法使用散熱器制冷。

風機盤管系統

風機盤管系統主要適合于公共建 筑如飯店、辦公樓、醫院等場所。

使用熱泵為熱源的風機盤管系統 需要選擇在低溫供水（40-45℃）下能正常工作的風機盤管。另外，如果是安裝在臥室內則需要使用噪音很小的風機。

風道系統

可以使用空氣/空氣或水/空氣型 熱泵作為熱源。

使用空氣/空氣熱泵的系統由熱泵直接供給風道熱量。

使用水/空氣熱泵的系統由熱泵將熱量提供給空氣處理單元。

 地 熱

地熱指地表層下儲存的熱能。

它主要源于巖石中放射性物質衰變產生的能量。

地球內部的溫度為大約平均每下降1000米上升30℃，在地球的核心溫度高達6500℃。

隨著深度而變化的地下溫度并非一致，根據地下結構層的變化而不一。比如溫泉、火山等發源地的地下結構層就與其它的差異很大， 因此溫度變化也并非完全按此深度的規律。

地熱的使用方式通常分為以下幾類：

高溫地熱

指超過180℃的高溫水或蒸汽， 用于直接發電。 第一臺使用地熱發電的設備 1906年在PISA建成。

中溫地熱

指100～180℃之間的高溫水或蒸汽，可通過輔助的介質進行發電。 

中低溫地熱

指30～100℃之間的熱水。用于熱電聯產，溫泉設備等。

低溫地熱

指30℃以下的地熱，主要用于熱泵使用。

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