热泵

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热泵（heat pump）是将热量从较低温下的物质或空间传递到更高温度下的另一种物质或空间的装置，也就是使热能沿自发热传递的相反方向移动，使得热的地方更热、冷的地方更冷。热泵为完成将能量从热源传递到散热器这一非自发过程，须要来自外部的能量。常见的应用是暖气、冷气和冷冻机。但术语“热泵”更为笼统，适用于用于空间加热或空间冷却的许多暖通空调设备。

热泵最常见的设计包括四个主要部件–冷凝器，膨胀阀，蒸发器和压缩机。循环通过这些组件的传热介质称为制冷剂。

热泵利用低沸点液体经过节流阀减压之后蒸发时，从较低温处吸热，然后经压缩机将蒸汽压缩，使温度升高，在经过冷凝器时放出吸收的热量而液化后，再回到节流阀处。如此循环工作能不断地把热量从温度较低的地方转移给温度较高（需要热量）的地方。

热泵比简单的电阻加热器具有更高的能源效率。但是，随着热源和散热器温度差的增加，效率开始下降。典型的安装成本也高于电阻加热器。

## 概要

热能自然地从较温暖的地方转移到较冷的空间。但是，热泵可以通过从寒冷的空间吸收热量并将其释放给较热的空间来逆转这一过程。此过程需要一定量的外部能量，例如电，但在实际安装节约的例子中，比直接电热要省电五到七成。在暖通空调中，术语“热泵”通常是指为在热能传递的两个方向上都实现高效率而优化的蒸汽压缩制冷设备。即，热泵能够根据需要向内部空间提供加热或冷却。

热泵的两种主要类型是压缩和吸收。压缩热泵以机械能（通常由电力驱动）运行，而吸收式热泵也可以以热能作为能源（来自电力或可燃燃料）运行。

按工作原理，热泵有蒸气压缩式热泵、吸收式热泵、化学热泵等，其中应用最广泛的是电驱动式蒸气压缩式热泵。

## 历史

- 1748: 威廉·库伦（William Cullen）演示了人工制冷。
- 1834: 雅各布·珀金斯（Jacob Perkins）用乙醚建造了一台实用的冰箱。
- 1852: 开尔文勋爵（Lord Kelvin）描述了热泵的基本理论。
- 1855–1857: 彼得·冯·里丁格（Peter von Rittinger）开发并建造了第一台热泵。
- 1928: Aurel Stodola建造了一个闭环热泵（来自日内瓦湖的水源），至今为止一直为日内瓦市政厅提供暖气。
- 1945: 诺里奇市电气工程师约翰·萨姆纳（John Sumner）安装了一个实验水源热泵供暖中央供暖系统，该系统使用附近的河流为市政厅的新行政大楼供热。季节性效率比为3.42。平均热输出为147 kW，峰值输出为234 kW。
- 1948: 罗伯特·韦伯（Robert C. Webber）被誉为开发和制造了第一台地热泵。
- 1951: 首次大规模安装-伦敦的皇家节日大厅开业，该镇设有由泰晤士河供暖的城镇燃气可逆水源热泵，用于冬季供暖和夏季制冷需求。
- 2019: 基加利修正案生效, 逐步淘汰有害制冷剂.

## 效能

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在比较热泵的工作性能时，一般不使用“效率”这个词，由于效率在热力学上是有特别的定义的，因此使用性能系数（COP, coefficient of performance）这个词描述了有效热量移动与工作需要的能量的比率。COP数值越大，表示仅需要少量的能量就能移动大量的热量。大多数压缩机热泵使用电动机带动，而一些车载装置则采用传动轴和引擎马达相连驱动。

在温和的天气给建筑物取暖，空气源热泵可能可以提供到COP指标3到4的能效，而一个电加热器则只能提供COP为1的能效。也就是说，电阻发热的取暖器耗费1焦耳的能量最多只能提供1焦耳的热量，而热泵则可以使用1焦耳的能量从更热或更冷地方移动大于1焦耳的能量。不过需要注意到环境温度差别很大，譬如在非常寒冷的冬天要给屋子取暖，热泵为了取得更多的热量而需要花费更多的能量。因为卡诺效率（Carnot Efficiency）的限制，随着室内与室外的温差的增加，热泵的COP最终有可能会接近1。对于空气源热泵，这种情况一般会发生在室外环境温度靠近-18 ℃（0 ℉）时。

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同时，当热泵从室外低温的空气中获取热量时，空气中的水分会凝结并冻结在室外交换器上。系统就必须阶段性地除去这些冰霜。换言之，当外面空气极端寒冷时，空气源热泵取暖有可能不如更直接用电阻加热的取暖器。

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地源热泵利用地底特定深度永远保持舒适温度的特性，相比之下也许更加全年均衡。地源热泵的COP一般可以常年保持在3.5到4之间。

制冷用的热泵，其效能要用能效比（EER）或季节能效比（EESR）表示，两者都是用为单位，越大的能效比值表示更好的性能。制造商的型录应该分别用COP表示制热模式的性能，用EER表示制冷模式的性能。然而实际性能还取决于更多不同的因素譬如安装、温差、海拔和维护。对于相同温差的条件，热泵工作于制热模式比制冷模式效率要高。这是因为制热模式下输入压缩机的工作能量也大量被转化为热量，并通过冷凝器直接增加到有效热量中。而对于制冷模式，冷凝器通常处于室外，压缩机耗能发出的热量与工作目的正好相反。

法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的卡诺效应（Carnot efficiency）可以运用在热泵上。依照能量守恒定律，流入热泵的能量（$Q_{cold} + W$）等于流出热泵的能量（$Q_{hot}$）。

热泵的效率（从低温热源吸热量/外界输入的功）为性能系数（coefficient of performance），缩写为C.O.P.。

$$COP = \frac{Q_{h}}{W}=\frac{Q_{h}}{Q_{h} - Q_{c}}=\frac{1}{1- \frac{Q_{c}}{Q_{h}}}$$

由于Carnot同时还证明了：

$$\frac{Q_{hot}}{Q_{cold}} = \frac{T_{hot}}{T_{cold}}$$

其中温度单位皆为凯氏温标。

因此可以得到：

$COP_{heating} = \frac{1}{1- \frac{T_{c}}{T_{h}}} = \frac{T_{h}}{T_{h} - T_{c}}$

这个公式是以热泵用于供暖为前提的，所以当环境温度比较温和的时候，热泵的效率比较高。

当热泵用于制冷的时候，C.O.P.的公式变为：

$$COP_{cooling} = \frac{T_{c}}{T_{h} - T_{c}}$$

这个效率计算方法只对理想热泵适用。对于实际中的热泵来说，C.O.P.通常在2到6之间。

## 类型

### 空气源热泵

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空气源热泵（ASHP）是一种可以从建筑物外的空气中吸收热量并将热量释放到室内的热泵；它使用与空调相同的蒸汽压缩制冷过程和基本一样的设备，但方向相反。空气源热泵是最常见的热泵类型，通常制热量较小，因此倾向于用于为单个住宅或公寓供暖，而不是为建筑物、区域或工业过程供暖。

空气源热泵用于在两个热交换器之间转移热量。一个位于建筑物外部，内部装有翅片，风扇驱动空气通过翅片进行强制循环；另一个则直接加热建筑物内部的空气，或加热水，然后将热水通过暖气片或地暖系统循环输送到建筑物内，最终将热量释放到室内。这些设备也可以在制冷模式下运行，通过内机吸收热量，并通过外机将热量释放到周围空气中。部分空气源热泵还可用于制取热水，并将热水储存在家用热水箱中。

空气-空气热泵直接向房间输送冷热空气，但通常不提供热水。空气-水热泵则利用暖气片或地暖为整栋房屋供暖，并且通常也用于提供生活热水。

空气源热泵通常可以利用 1 kWh 的电能获得 4 kWh 的热能。它们的最佳供水温度为30 至 40 °C (86 至 104 °F)，适用于安装了较低供水温度散热末端的建筑物。虽然有一定的效率损失，空气源热泵甚至可以制取高达 80 °C (176 °F) 的热水为建筑物提供供热。

截至2023年，全球约10%的建筑供暖来自空气源热泵。空气源热泵是逐步淘汰住宅燃气锅炉（也称“燃气炉”）的主要途径，以避免其温室气体排放。空气源热泵的安装成本较低，但在极冷或极热的天气下，其性能系数较低。

### 地源热泵

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地源热泵（也称地热热泵）是一种建筑物供暖/制冷系统，它基于地球温度在四季相对恒定的特性，利用热泵从地下吸取或排放热量。地源热泵（GSHP）——在北美通常被称为地热热泵（GHP）——是目前最节能的暖通空调和热水供应技术之一，其能耗低于电阻式电加热器。

效率以性能系数 (COP) 表示，通常在 3 到 6 之间，这意味着每消耗一个单位的电能，设备就能提供 3 到 6 个单位的热量。由于需要在较大区域安装地埋管或钻孔，地源热泵的安装成本高于其他供暖系统，因此如果建筑物是公寓楼，通常在新建时安装。

### 排风余热回收热泵

排风余热回收热泵从建筑物的排气中提取热量，分为两类：排气-空气式热泵将热量传递给进气。排气-水式热泵将热量传递给包含生活热水箱的供暖回路。

### 太阳能辅助热泵

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太阳能辅助热泵（SAHP）是一种将热泵与太阳能集热板和/或光伏太阳能板集成于一体的系统。热泵需要低温热源，太阳能可以提供这种热源。通常，这两种技术单独使用（或并联使用）来产生暖风或热水。在该系统中，太阳能集热板作为低温热源，产生的热量为热泵的蒸发器提供热量。该系统的目标是获得较高的性能系数（COP），从而以更高效、更经济的方式产生能源。

太阳能光伏发电可以为热泵提供电力，从而实现建筑物和温室的供暖电气化。这些系统实现了供暖/制冷的电气化，通常是由经济效益和脱碳目标驱动的。此类系统已在中东、北美、亚洲和欧洲证明具有经济效益。

任何类型的太阳能热系统都可以与热泵结合使用，包括使用空气式或液体式集热器的系统（如板管式、辊压焊接式、热管式、平板式），以及混合型系统（单晶／多晶、薄膜）。然而，最为推荐的是采用混合型太阳能板，因为这样可以覆盖热泵部分用电需求，降低电力消耗，从而进一步减少系统的可变运行成本。

### 水源热泵

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水源热泵的工作原理与地源热泵类似，区别在于它从水体而非地下吸收热量。然而，水体必须足够大，才能承受设备的冷却作用而不结冰或对野生动植物造成不利影响。世界上最大的水源热泵于2023年安装在丹麦城市埃斯比约。

### 其他

热声热泵的工作原理与热声热机类似，但它无需制冷剂，而是利用扬声器驱动的密封腔室内的驻波，在腔室两端产生温差。

帕尔贴效应热泵是固态的。

## 应用

热泵被广泛的应用在建筑物的空调/采暖系统中，例如可以在冬天使用地板采暖或风机盘管、暖气片来加热房屋，也可以在夏天来冷却房屋。还可以应用在生活热水加热和滚筒式干衣机中。

### 窗式热泵

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窗式热泵使用标准的 120V 交流电源插座，提供制热、制冷和湿度控制功能。与仅具备制冷功能的窗式空调相比，它们效率更高、噪音更低、冷凝水管理更完善、占地面积更小。

### 加热热水

在热水加热应用中，热泵可用于加热或预热游泳池、住宅或工业用水。通常，热量从室外空气中提取并输送到室内水箱。也有一些产品利用地下室夏季需要除湿的需求，一边除湿，一边加热热水，达到节能的目的。

### 区域供热

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热泵也可以用作区域供热的供热器。用于此类应用的可能的热源为污水，环境水（如海水，湖水和河水），工业废热，地热能，烟道气，区域冷却产生的废热和太阳能储热产生的热。用于区域供热的大型热泵与储热装置相结合，为整合不断变化的可再生能源提供了高度的灵活性。因此，它们被视为通过逐步淘汰化石燃料来限制气候变化的关键技术。它们也是既能提供区域供热也能提供区域制冷的系统的重要组成部分。

### 工业供热

通过应用工业用热泵（例如用于工艺热），工业部门在降低能源消耗及相关温室气体排放方面具有巨大潜力。在实现大幅减少二氧化碳排放（某些情况下超过 50%）的同时，投资回收期可短至两年以内。工业热泵的供热温度可达 200 °C，能够满足许多轻工业的供热需求。仅在欧洲，纸浆造纸、食品和化工行业的约 3,000 家工厂中，就有潜力安装总容量达 15 GW 的热泵系统。

## 优点/缺点

热泵原理利用电为房屋取暖和住宅用水加热，比使用电阻发热的电热器更加高效。安装起来也比使用天然气等方法简单便宜。缺点是在极度寒冷的情况下，它供热能力有所下降。所以当环境温度低于-5 °C（23 °F）时，取暖和热水供应比较困难。

## 参考文献

- Heat pumps Long Awaited Way out of the Global Warming - 财団法人 热泵・蓄热中心
- 図解 热泵: 著者：田中俊六监修 矢田部隆志编, ISBN 4-274-50039-X
- 热泵入门 - 地球温暖化対策切札: 著者：热泵研究会 编 矢田部 隆志 著, ISBN 978-4-274-20385-5
- 热泵・蓄热白书: 著者：财団法人 热泵・蓄热中心 编, ISBN 978-4-274-20423-4