空氣源熱泵原理及應用

虞良偉

摘要：空氣源熱泵是一種利用可再生能源的高效節能無污染的新興產品，全年的平均能效比將近400%，文章介紹了空氣源熱泵的工作原理，并結合寧波XX賓館的空氣源熱泵的應用實例，展望其廣泛的應用前景。

Abstract： Air source heat pump is an energy-efficient and pollution-free emerging product that utilizes renewable energy. The average energy efficiency ratio is nearly 400% throughout the year. The article introduces the working principle of air source heat pump and combines the application examples of air source heat pump of Ningbo XX Hotel，looking forward to its broad application prospects.

關鍵詞：空氣源熱泵；逆卡諾循環；能效比；新能源

Key words： air source heat pump；inverse Carnot cycle；energy efficiency ratio；new energy

中圖分類號：TU831.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0153-03

0 引言

空氣源熱泵是目前世界上最先進、能效比最高的熱水設備之一，在不同的工況下，熱泵每消耗1kW電能就從低溫熱源中吸收2～6kW的免費熱量，節能效果非常顯著。它根據逆卡諾循環原理，采用電能驅動，通過傳熱工質把自然界低溫熱源中無法被利用的低品熱能有效吸收，并將吸收回來的熱能提升至可用的高品位熱能并釋放到水中。

1 空氣源熱泵工作原理及能效比

1.1 卡諾循環

空氣源熱泵、空調、冰箱等制冷、制熱設備基本上都是利用了逆卡諾循環的原理，逆卡諾循環是卡諾循環的逆循環。法國工程師卡諾通過研究蒸汽機的基本結構和工作過程，拋開所有非主要因素，從理想循環著手，用普遍理論的方法，作出了如下結論：消耗熱可以得到機械功。他指出，熱機一定要在高溫熱源和低溫熱源之間工作（見圖1-a），“凡是有溫度差的地方就能夠產生動力；反之，凡能夠消耗這個力的地方就能夠形成溫度差，就可能破壞熱質的平衡。”他構造了一個在冷凝器和加熱器之間的理想循環：汽缸和加熱器連通，使加熱器的溫度與汽缸內的工作物質水和飽和蒸汽溫度相等，讓汽缸內的蒸汽緩慢地膨脹，保持在整個過程中，蒸汽和水都處于熱平衡。接著讓汽缸和加熱器互相隔絕，使蒸汽絕熱膨脹，直到溫度和冷凝器的溫度相等。然后活塞緩慢地壓縮蒸汽，一段時間后冷凝器與汽缸脫離，作絕熱壓縮一直恢復到初始的狀態。這循環是由兩個等溫過程與兩個絕熱過程組成的循環，叫作“卡諾循環”。

卡諾循環由四個過程組成：等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮（見圖1-b）。

①等溫膨脹，在這個過程中系統從高溫熱源中吸收熱量Qh（過程為A點到B點，AB線為等溫線，溫度為Th）

②絕熱膨脹，在這個過程中系統對環境作功（過程為B到C點，BC線為絕熱線）

③等溫壓縮，在這個過程中系統向低溫熱源中放出熱量Ql（過程為C點到D點，CD線為等溫線，溫度為Tl）

④絕熱壓縮，系統恢復原來狀態，在這個過程中系統對環境作負功（過程為D到A點，DA線為絕熱線）

1.2 逆卡諾循環

逆卡諾循環就是通過輸入一定的動力W，把熱能Ql從低溫熱源移動到高溫熱源處（見圖2-a），從而使低溫熱源溫度更低，高溫熱源溫度更高。若低溫熱源范圍為無限大，高溫熱源范圍為有限大，此時能造成高溫熱源溫度相對大的提升，這就是空氣源熱泵、制熱空調的制熱原理；若高溫熱源范圍為無限大，低溫熱源范圍為有限大，此時能造成低溫熱源溫度相對大的降低，這就是冰箱、制冷空調的制冷原理。

逆卡諾循環由四個過程組成：絕熱膨脹、等溫膨脹、絕熱壓縮、等溫壓縮（見圖2-b）。

①絕熱膨脹，在這個過程中系統對環境作功（過程為A到D點，AD線為絕熱線）

②等溫膨脹，DC在這個過程中系統從低溫熱源中吸收熱量Ql（過程為D點到C點，DC線為等溫線，溫度為Tl）

③絕熱壓縮，在這個過程中系統對環境作負功（過程為C到B點，CB線為絕熱線）

④等溫壓縮，BA在這個過程中系統向高溫熱源中放出熱量Qh（過程為B點到A點，BA線為等溫線，溫度為Th）

1.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵熱水器內置了一種吸熱的介質——制冷劑（冷媒），它液體的狀態下溫度低于零下20℃，一般與外界自然溫度存在著溫差，故此，制冷劑可以吸收外界自然的溫度，在蒸發器內部產生壓力并且蒸發汽化，通過熱泵的循環，使制冷劑從汽體狀態轉化成液體狀態，它攜帶的熱量便釋放給了熱泵熱水器機組水箱中的儲用水。（圖3）

空氣源熱泵工作過程包括以下四個步驟：

①低溫低壓的液態制冷劑經膨脹閥節流降壓（此過程原理為圖2-b中AD段）；

②制冷劑通過降壓后，接著進入交換機中蒸發，從而在空氣中吸收大量的熱量Q1，制冷劑轉為氣態（此過程原理為圖2-b中DC段）；

③氣態制冷劑進入壓縮機被壓縮，變成高溫高壓的制冷劑（此過程原理為圖2-b中CB段）；

④壓縮后的高溫高壓氣態制冷劑進入熱交換器后，把它所含的熱量釋放出來，將冷凝器中的冷水加熱（此過程原理為圖2-b中BA段），冷水被高溫高壓制冷劑加熱到55℃（最高可以到65℃）進入保溫水箱，此時制冷劑也由氣態轉變為液態。

如此一直循環，源源不斷地從空氣中吸收熱量給冷水，使冷水溫度升高。

1.4 空氣源熱泵能效比（COP）

COP理論值：不考慮外界因素的理論效率為：COP0=（環境溫度T+273）/溫升Δt。考慮空氣源熱泵實際運行的各種因素，電動機效率為0.95，壓縮機效率為0.8，換熱器效率為0.9，系統效率為0.8，則理論能效比為COP=0.95*0.8*0.9*0.8*COP0=0.55*（T+273）/Δt。

COP實際值：熱泵的實際制熱量與實際輸入功率的比值。

根據寧波XX賓館在2017年1月15日、4月15日、7月15日、10月15日的實測數據，進行COP計算，如表1所示，以1月15日數據為例，計算過程如下：

理論COP=0.55*（7+273）/（55-6）=3.14

實際COP=[4187*30*1000*（55-6）/86400]/（602*1000/24）=2.84

其他COP同理可計算得出，見表1所示，該空氣源熱泵全年平均實際COP值為3.66。

2 結束語

空氣源熱泵是一種高效、節能、環保、適用性較強的制熱技術，較傳統的加熱方式有明顯的優勢，空氣源熱泵在寧波港內部已普遍運用于集體宿舍、員工食堂等公共場所、隨著國家對節能減排政策的進一步落實，空氣源熱泵必將得到快速的發展。

參考文獻：

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