热泵的工作原理

2025-03-11 16:33:50

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回答1：

热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，也是一项举世瞩目的新能源技术。它不同于我们熟悉的可以提高势能的机械设备——“泵”；通常，热泵首先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，然后向人们提供可以利用的高品位热能。
。要了解热泵的工作原理，首先要了解制冷系统的工作原理。制冷系统(压缩制冷)一般由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四部分组成。工作过程如下:低温低压液态制冷剂(如氟利昂)首先在蒸发器(如空调室内机)中从高温热源(如常温空气)吸热，气化成低压蒸汽。然后制冷剂气体在压缩机中被压缩成高温高压蒸汽，高温高压气体在冷凝器中被低温热源(如冷却水)冷却冷凝成高压液体。然后通过节流元件(毛细管、热膨胀阀、电子膨胀阀等)节流。)变成低温低压的液态制冷剂。这样，制冷循环就完成了。热泵的性能一般用制冷系数(COP性能系数)来评价。制冷系数定义为从低温物体传递到高温物体的热量与所需功率之比。通常情况下，热泵的制冷系数约为3-4，即热泵能从低温物体向高温物体传递其所需能量的3-4倍。因此，热泵本质上是一种热量提升装置。工作时消耗少量电能，但能从环境介质(水、空气、土壤等)中提取4-7倍的电能。)来提高温度进行利用，这也是热泵节能的原因。欧洲、美国和日本正在竞相开发新的热泵。据报道，新型热泵的制冷系数可达6至8。如果这个数值能够普及，就意味着能源会得到更有效的利用。热泵的普及率也将大幅提高。地源热泵(GSHP)是热泵的一种。它是一种利用土壤或水作为冷热源，冬季给建筑物供暖，夏季给建筑物降温的空调技术。GSHP只在地球和房间之间“转移”能量。使用最少的电能来维持所需的室内温度。在冬天，1千瓦的电将4-5千瓦的热量从土壤或水中送入室内。夏季则相反，通过热泵将室内热量传递给土壤或水，从而在室内获得凉爽的空气。地下获得的能量将在冬天使用。如此循环往复，将建筑空间与自然融为一体。以最低的成本获得最舒适的居住环境。

回答2：

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。然而，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等中的热量，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。
热泵系统的工作原理与制冷系统的工作原理是一致的。要搞清楚热泵的工作原理，首先要懂得制冷系统的工作原理。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（例如氟利昂），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。欧美日都在竞相开发新型的热泵。据报导新型的热泵的制冷系数可6到8。如果这一数值能够得到普及的话，这意味着能源将得到更有效的利用。热泵的普及率也将得到惊人的提高。
地源热泵是热泵的一种，是以大地或水为冷热源对建筑物进行冬暖夏凉的空调技术，地源热泵只是在大地和室内之间“转移”能量。利用极小的电力来维持室内所需要的温度。在冬天，1千瓦的电力，将土壤或水源中4-5千瓦的热量送入室内。在夏天，过程相反，室内的热量被热泵转移到土壤或水中，使室内得到凉爽的空气。而地下获得的能量将在冬季得到利用。如此周而复始，将建筑空间和大自然联成一体。以最小的代价获取了最舒适的生活环境。由于热泵装置的工作原理与压缩式制冷是一致的；所以在小型空调器中，为了充分发挥它的效能，在夏季空调降温或在冬季取暖，都是使用同一套设备来完成的。在冬季取暖时，将空调器中的蒸发器与冷凝器通过一个换向阀来调换工作，见左图。
由图中可看出，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。
在冬季取暖时，先将换向阀转向热泵工作位置，于是由压缩机排出的高压制冷剂蒸汽，经换向阀后流入室内蒸发器（作冷凝器用），制冷剂蒸汽冷凝时放出的潜热，将室内空气加热，达到室内取暖目的，冷凝后的液态制冷剂，从反向流过节流装置进入冷凝器（作蒸发器用），吸收外界热量而蒸发，蒸发后的蒸汽经过换向阀后被压缩机吸入，完成制热循环。这样，将外界空气（或循环水）中的热量“泵”入温度较高的室内，故称为“热泵”。
对于一台分体式热泵空调来说，夏天制冷时就是以室外机为冷凝器、室内机为蒸发器，运行时就把室内的热量输送到了室外。而冬季则以室内机为冷凝器、室外机为蒸发器，这样就把室外的热量输送到了室内，通常这些是通过四通换向阀来实现的。
热泵空调里面有一个四通换向阀。在制冷工况下，室内热交换器就是蒸发器，室外热交换器（夏天往外呼呼出热风的那个东西）就是冷凝器。冬季供热的时候，四通换向阀切换，改变冷媒的流向，此时，室内热交换器就是冷凝器，室外热交换器（冬天往外呼呼出冷风的那个东西）就是蒸发器。
由于冬季往外出冷风，换热器要结霜，所以等结霜到一定程度时，四通换向阀再切换，空调变成夏季制冷工况，室外热交换器得到热量，化霜，化霜完毕后，四通阀再切换到制热状态。除霜时，为了防止向室内吹冷风，故室内机的风机停止运转。（当然这种逆向除霜对舒适性有一定影响，所以又有了热气旁通除霜、蓄热除霜等不需要切换工况的方式）
能量分析
在上图的热泵循环中，从低温热源（室外空气或循环水，其温度均高于蒸发温度t0）中取得Q0 kcal/h的热量，消耗了机械功ALkcal/h，而向高温热源（室内取暖系统）供应了Q1 kcal/h的热量，这些热量之间的关系是符合热力学第一定律的，即Q1=Q0+AL kcal/h
如果不用热泵装置，而用机械功所转变成的热量（或用电能直接加热高温热源，则所得的热量为ALkcal/h，而用热泵装置后，高温热源（取暖系统）多获得了热量：Q1-AL=Q0 kcal/h。这一热量是从低温热源取得的，如果不用热泵装置，就无法取得这一热量。故用热泵装置既可节省燃料，又可利用余热。
热泵的工作循环与热机的工作循环正好相反，热机是利用高温热源的能量来产生机械功的，而热泵是靠消耗机械功将低温热源的热量转移到高温物体中去。
热泵具有两个相同的热源温度，则它们之间的关系为：φ=Q1╱AL=（Q0+AL）╱AL=ε+1，ε 是制冷机的制冷系数。由此可看出，热量转换系数的最小值是φ=1，在此极限情况下ε=0，Q0=0，即没有从低温热源吸取热量。作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温区流向低温区。但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体），其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。
热泵在工作时，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，通过传热工质循环系统提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分，因此，采用热泵技术可以节约大量高品位能源。
在运行中，蒸发器从周围环境中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了储水箱中的水。冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，后再被蒸发，如此循环往复。热泵工作工质以前一般为氟利昂，但由于氟利昂对地球大气臭氧有破坏作用，为了保护地球的生态环境，除了提高热泵的制冷系数，有效利用能源以外，各国科学还致力于新型工质的开发，已有替代氟利昂的工质得到应用。
但是，今天中国大部分厂家所采用的工质还是R22，采用环保工质R417A、134A的时代还未到来。而日本等一些国家已率先采用CO2作为工质，从而不对臭氧层造成破坏。（所以在安装时，铜管务必要连接紧密，防止R22漏出。）此外，以上所述的R22、R417A、134A、CO2皆对人体不造成伤害的，即使有漏出，整套设备仍然都是安全的。

回答3：

热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。

热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体），其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。

　
热泵在工作时，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，通过传热工质循环系统提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分，因此，采用热泵技术可以节约大量高品位能源。
热泵是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统，它被形象的称为“热量倍增器”。目前在市场上广泛出现的家用冷暖空调器上，就已经广泛地应用了热泵制热，其制热系数已高达3以上。

回答4：

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