简介

作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。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，使用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。热泵实质上是一种热量提升装置，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，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的 1/3 或更低，这也是热泵的节能特点。

热泵与制冷的原理、系统设备组成及功能是一样的，对蒸气压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成：压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；膨胀阀或节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断的从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。热泵是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中取热，此时从环境取热的对象称为热源；相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象称为冷源。蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。这样热泵或制冷机根据与环境换热介质的不同，可分为水—水式，水—空气式，空气—水式，和空气—空气式共四类。

由于热泵具有节能、环保、节约资源等优点，所以热泵有很好的发展前景，但目前热泵用于热水生产的技术和市场还不规范，缺乏相关标准；同时，在经营过程中，大多数厂商把热泵当作热水机来经营，一卖了事。这样用户在使用时存在节能不显著，冬季产水能力差，COP 低等许多问题。为了促进热泵热水产业的快速健康发展，研究热泵热水系统的特性，对其进行改造和优化也就成了一个重要的话题。

热泵热水技术

热泵热水技术是基于热泵技术之上的一种热水供应方式，它最早出现在 20 世纪 50 年代。能源危机之后，热泵热水系统得到了较大的发展，在很多发达国家已经形成了一定的市场规模。在美国，热泵热水器自 1988 年问世以来发展很快，目前已占据了热水器市场份额的 38%左右。现在大约有近 300 万台同类设备在欧美各国运行使用。在东南亚、澳大利亚等一些国家的宾馆、学校和企事业单位，提供 60℃热水的 75%采用空气源热泵热水器。所谓热泵就是以水或空气为热源，通过使用冷冻剂（在热泵中通过其状态变化吸收和释放热量，并通过其循环传递热量，如氨、氟利昂、溴化锂等）使热的移动发生逆转，亦即使热从低温向高温进行移动的机械装置。热泵可以按照其用途、热量输出、热源类型和驱动功形式等分为不同类型的热泵，如按照驱动功形式可以分为压缩式热泵、吸收式热泵、蒸汽喷射式热泵和热电热泵等不同类型的热泵。

热泵技术是“开发和强化高质能源利用率的重要手段”，同时也是“获得可再生能源及维护生态平衡的有效途径之一”。热泵作为一种高效节能的制热装置，其制热效率通常可以达到 400%以上，远远高于电热效率的95% ～ 98%。热泵技术已经越来越受到全世界的关注，因为热泵可以利用自然界的低品味能源（如空气、地表水、地下水、土壤等）作为其冷热源，还可以回收建筑内部的热量以及各种余热，这些热源的温度较低，一般工业过程和生活中很难利用，可是通过热泵却可以提升品位，向生活和生产过程提供有用的热量。而且热泵以电力驱动，采用热泵原理吸收室外或大地的热量供热，消除了使用常规锅炉供暖中造成的环境污染，因而是一种清洁、高效、节能的空调产品。由此可见，热泵技术是一种能够有效节省能源、减少大气污染和 CO2等温室效应气体排放的供热、空调新技术。

将热泵技术和给水排水相联系，形成了两个学科的交叉，即热泵热水技术。 热泵系统取热范围广泛，能量取自天然冷热源时，不同类型的冷热源对热泵机组的性能会有不同的影响，这取决于不同冷热源其自身的的特点以及适用性。

各种天然冷热源都有其优点和局限性，因此针对不同地区不同应用条件都应综合考虑各种因素，以确定最佳冷热源类型。在我国中南部冬冷夏热地区，如果空调建筑物附近有可利用的海、湖、水池或人工湖，在考证水源的可靠性并采取适当措施改善水质的前提下，地表水将可能成为理想的热泵热水系统热源。另一方面，对于一般的宾馆建筑，使用水源热泵且不受当地水源资源的限制，比如从现代建筑中不可或缺的生活水池、消防水池中取热，辅助空气源热泵热水机组，使其即使在最不利工况下仍能保证热泵热水系统的正常工作，都是值得探讨的问题。

国内外热泵热水系统的研究应用进展

目前将热泵用于制取热水常见的做法是热泵热水机，即单台的热泵热水机组针对单个房间或者一户供应热水。常规热泵热水器在欧美等高能耗国家已经很普及，甚至在南非等发展中国家的热水器市场已经占有 16%的份额；国内户用热泵热水器也有产品报道，热泵技术作为大型热水供应系统的研究和推广有待深化和完善。

国外研究应用进展

上世纪 70 年代以来，世界能源形势变得比较严峻，能量大量而又广泛的应用带来的环境问题已日益加剧，许多国家加大了对能源技术，特别是可再生能源技术的政策支持力度。上世纪 90 年代，澳大利亚、以色列等国通过法令，要求新建住宅必须配备太阳能热水器；1994 年日本实施“日光计划”；1997 年，美国实施“100万太阳能屋顶发电计划”；1999 年德国实施“10 万套屋顶光伏电计划”等等。发达工业化国家在上世纪 90 年代初开始也加大了对热泵技术的支持力度，热泵热水器已占相当的市场份额。

国内外学者对热泵热水系统进行了全面的研究，旨在进一步提高系统的运行性能。研究方向多集中在高效压缩机的设计与选用、太阳能热泵热水系统的研究、热泵热水系统中制冷工质的替代、除霜研究以及热泵热水系统中水箱的研究与设计等方面。

P．Heyl 等设计的膨胀压缩机像自由活塞器一样运行，它包括两个双效活塞、通过活塞秆连接起来，两个气缸构成了四个工作容积、分为两个压缩容积和两个膨胀容积。每个活塞将气缸分为压缩和膨胀容积。这项设计转换简单、损失小、原理简单、经济性好而又结构紧凑，制冷剂带少量润滑油即可运行。Fagerli 等设计的单缸小封闭式压缩机部分地采用了传统的 R22 压缩机的结构，其等熵效率比R22 压缩机低 9%－15%，容积效率要低 5%。Suzai 等开发了双级封闭式活塞压缩机，其容量为 750W，在相同壁厚的情况下，使用高强度钢能承受 25MPa 的压力。日本松下公司在 R410A 涡旋压缩机的基础上开发了 CO2压缩机，排气容积为71.23cm3，可是压缩机的制冷量达到 2.15～5.10kw，压缩机容积效率可达 70%～80%，而压缩机效率只有 45%左右。

Hasegawa 等人对涡旋压缩机（制冷量 4.3kw）进行了研究，结果表明能效不高，仅为 47%，单容积效率却达 87%。Hasegawa等人提出了两级复叠压缩式热泵热水系统，对于 65℃的供水温度，系统 COP 值为3.73。

热泵热水系统的冷凝器多以沉浸式盘管的形式置于储水箱内，而系统水箱内水温是随着时间的增长而升高的。水温升高、冷凝压力随之升高，所以冷凝器的结构形式对热泵热水系统的性能非常重要。国内外的研究主要通过改进冷凝器的结构形式、制冷工质流动方向、采用高效的冷凝盘管等手段，来提高热泵热水系统的性能。同时指出，水箱内温度是分层分布的，这种分层现象受水箱的尺寸、冷凝盘管形式以及进出口水流量等因素影响，也引起了研究者的注意。Chen，Fang C 等对一热泵热水器箱内温度分布进行了CFD模拟和实验研究，作者发现当水箱内冷凝盘管的形式为U型管时，水箱中存在着温度分层现象，水箱顶部和底部的温差可达到16℃。而当盘管形式为L型管时，水温的分层现象就消失了。Minsung Kim等对一空气源热泵热水系统的热力学性质进行了研究。在对压缩机和水箱的处理上采用了集总参数模型。研究发现在不同的水箱容积条件下，系统的运行参数随着水温升高的变化是不同的。水箱越小，则系统性能降低的幅度就越大。当然水箱的容积越大则热损失越大，因此作者认为在对一具体的热泵热水系统设计中应有一个最佳的水箱容积。

国内研究应用进展