热泵的发展历史

　　水从高处流向低处，热由高温物体传递到低温物体，这是自然规律。在现实生活中，为了农业灌溉、生活用水等的需要，人们利用水泵将水从低处送到高处。同样，在能源日益紧张的今天，为了回收通常排到大气中的低温热气、排到河川中的低温热水中的热量，热泵被用来将低温物体中的热能传送高温物体中，然后高温物体来加热水或采暖，使热量得到充分利用。

　　十九世纪早期法国科学家萨迪.卡诺在1824年首次以论文提出“卡诺循环”理论，这成为热泵技术的起源。1852年英国科学家开尔文提出，冷冻装置可以用于加热，将逆卡诺循环用于加热的热泵设想。他第一个提出了一个正式的热泵系统，当时称为“热量倍增器”。

　　热泵工业在20世纪40年代到50年代早期得到迅速发展，20世纪70年代以来，热泵工业进入了黄金时期，热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断的开拓，广泛应用于空调和工业领域，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。

　　热泵，顾名思义，是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。

　　热泵工作原理

　　热泵系统的工作原理与制冷系统的工作原理是一致的。制冷系统（压缩式制冷）一般由四部分组成：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。其工作过程为：低温低压的液态制冷剂，首先在蒸发器（例如空调室内机）里从高温热源（例如常温空气）吸热并气化成低压蒸气。然后制冷剂气体在压缩机内压缩成高温高压的蒸气，该高温高压气体在冷凝器内被低温热源（例如冷却水）冷却凝结成高压液体。再经节流元件（毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等）节流成低温低压液态制冷剂。如此就完成一个制冷循环。热泵的性能一般用制冷系数（COP性能系数）来评价。制冷系数的定义为由低温物体传到高温物体的热量与所需的动力之比。通常热泵的制冷系数为3-4左右，也就是说，热泵能够将自身所需能量的3到4倍的热能从低温物体传送到高温物体。所以热泵实质上是一种热量提升装置，工作时它本身消耗很少一部分电能，却能从环境介质（水、空气、土壤等）中提取4-7倍于电能的装置，提升温度进行利用，这也是热泵节能的原因。

　　以空气能热泵为例，在制冷时,液态制冷剂在水换热器中汽化,使水温降低。低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩,变为高温高压气体,进入空气换热器,由于制冷剂温度高于空气温度,制冷剂向空气传热,制冷剂经气体冷凝为高压液体,高压液态制冷剂经膨胀阀节流后进入水换热器,低压液体制冷剂再次汽化,完成一个循环。在这个循环过程中,随着制冷剂状态的变动,实现了热量从水侧向空气侧的转移。

　　在制热时,液态制冷剂在空气换热器中汽化,吸收空气中的热量,低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩后变为高温高压气体送至水换热器。由于制冷剂的温度高于水的温度。制冷剂从气态冷却为液态,液体制冷剂经膨胀阀节流后,在压力作用下进入空气换热器,低压气体制冷剂再次汽化,完成一次循环。在这个循环中,随着制冷剂状态的变动,实现了热量从空气侧向水侧的转移。

　　在夏季空调降温时，按制冷工况运行，由压缩机排出的高压蒸汽，经换向阀(又称四通阀)进入冷凝器，制冷剂蒸汽被冷凝成液体，经节流装置进入蒸发器，并在蒸发器中吸热，将室内空气冷却，蒸发后的制冷剂蒸汽，经换向阀后被压缩机吸入，这样周而复始，实现制冷循环。

　　在冬季制热时，通过四通阀切换方向，改变制冷剂的流动方向，空调器就能制热。压缩机排出的高温高压蒸汽状的制冷剂流向保温水箱里蒸发器，将热量传给通过水箱的自来水，然后通过膨胀阀节流降压，在室外热泵主组的冷凝器中蒸发吸热，用工质吸收室外空气中的热量。热泵热水器就是这样吸收室外空气中的热量，向保温水箱内自来水传递，它比单纯用电加热器制热更能省电、快速、安全，且室外热能潜力无限大。

　　热泵种类

　　按热源种类不同分为：空气源热泵，水源热泵，地源热泵，双源热泵（水源热泵和空气源热泵结合）等。

　　空气源热泵

　　空气源热泵在运行中，蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过黏结在贮水箱外表面的特制环形管时，冷凝器冷凝成液体，将热量传递给空气源热泵贮水箱中的水。空气源热泵传热工质是一种特殊物质，常压下其沸点为零下40℃，凝固点为零下100℃以下，该物质冷的时候是液体，但很容易被蒸发成气体，反之亦然。在实际运行中，空气源热泵中传热工质的蒸发极限温度为零下20℃左右，因此5℃的环境温度对如此低的温度也是“热”的，甚至下雪的温度，比如说0℃，相比之下也是热的，因此，仍可交换一些热能。

　　水源热泵

　　水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将90%～98%的电能或70%～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量。

　　地源热泵

　　地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常用户可以得到4倍以上的地源热泵消耗的能量。

　　高温空气能热泵

　　高温空气能热泵从字面来理解是指制热出水温度高于60℃（即：高温热水）或出风温度能够达到80℃以上的热泵（即：高温烘干热泵）。相对今天市场上热销的常规热泵而言，常规热水温度一般是55℃以下，而新一代高温空气能热泵可制取高达85℃左右的高温热水，能够运用于电镀、巴氏消毒、屠宰，玻璃清洗印染等行业。高温空气能热泵工作原理是：利用逆卡诺循环原理，通过自然能(空气蓄热)获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取(供)暖、干燥或供应热水。

　　发展推广热泵技术的重大意义

　　1、实现建筑用能的电气化。作为能耗大户，我国建筑行业2018年运行化石能源消耗相关的碳排放为21亿 tCO2，占全国总量的五分之一左右。建筑的热水、供暖、空调、除湿、新风等，都是巨大的能耗比，热泵技术在该领域具有巨大的推广应用价值，如用电动热泵来替代燃气锅炉制取热水，空气源热泵在楼盘配套、大户型中可以广泛应用。

　　2、在北方没有热电联产的地方可以发展热泵供暖。而在南方城市，直接碳排放的采暖部分主要是城镇居民采暖。近年来有不少家庭用户式燃气壁挂炉，以及有一些地区效仿北方地区，采用区域锅炉集中供暖，所以化石燃料用量呈增长趋势。未来的增长趋势，取决于这一地区选用什么途径解决采暖需求：如果以热泵空调为主，那么直接碳排放量不会持续增长。

　　3、农业、食品、化工、医药、陶瓷等等领域的生产干燥，也是一项高能耗的工艺过程，我国每年因干燥所消耗的能源占国民经济总能耗的12%左右，同时传统的干燥工艺也是一个造成环境污染的因素。为应对能源和环保问题，实现国民经济可持续发展，干燥的节能与环保日益重要，传统的干燥行业亦面临产业转型升级。

　　热泵干燥不仅能对干燥介质的温度、湿度、气流速度等进行精确控制，而且会大大提高干燥产物的品质，目前已广泛应用于木材干燥、种子干燥、食品加工、陶瓷烘焙纺织行业以及中药材干燥等诸多领域。随着热泵干燥技术的不断创新和应用领域的拓展，基于能够实现对干燥过程的精准控制，热泵干燥技术还具备了发酵、提纯、增效、杀菌、定型定色等新型高品质功能。

　　4、随着国家粮食安全战略的提出，以及农产品电商经济的发展，农产品冷链物流基础设施薄弱的问题也进一步的严峻！随着热泵烘干系统的普及，也为解决传统产地冷库的闲置率问题带来了意外转机，热泵干燥技术与常规冷库系统集成并优化，研发新型多功能冷库，并集成干燥和控温控湿功能，大幅拓宽冷库的应用范围。

　　总之，放眼未来，各类热泵技术在民用（户式应用、楼盘配套、分布式能源站等）生活热水和供暖领域、商用（酒店、写字楼、学校、医院、煤矿等）热水及冷暖领域、工农业（粮食、烟草、果蔬、海产品等）烘干及保存领域、农业和畜牧业恒温养殖领域、工业（印染、电镀、熨烫、屠宰等）高温加工领域、冷冻冷藏恒温保存领域等等，都可以为2060碳中和贡献极大的力量！