熱泵

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

热泵(Heat Pump),又稱冷机(Refrigerator),是在熱力學第二定律基礎上産生的一种高效加热装置,將能量由低處(低溫熱庫)傳送到高溫處(高溫熱庫),且它提供给温度高的地方的能量和要大于它运行所需要的能量,多出的這部份就是在運行能量的作用下從低溫處取出的熱量。

利用低沸点液体经过节流阀减压后蒸发时,从低温物体吸收热量,然后将蒸汽压缩,使温度升高,经过冷凝器时放出吸收的热量而液化,如此循环工作能不断把热量从温度较低的物体转移给温度较高的物体,可将此热量用于加热、干燥等设备中。

热泵循環示意圖 1) 冷凝器, 2) 节流阀, 3) 蒸发, 4) 压缩.

效能[编辑]

在比较热泵的工作效能時,一般不使用效率这个词。效率在热力学上是有特别的定义的。能效(COP)这个词描述了有效热量移动与工作需要的能量的比率。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,空气源热泵可能提供COP3-4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用1焦耳的能量只能提供1焦耳热量,而热泵则可以用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。因为卡諾效率(Carnot Efficiency)的限制,随着室内与室外的温差的增加,热泵的效能最终有可能会接近COP=1。对于空气源热泵,这种情况会发生在室外环境温度靠近−18℃ (0℉)左右。

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。

地源热泵利用地底特定深度永遠保持舒適溫度的特性,相比之下也许更加全年均衡,地源热泵的COP可以常年保持在3.5-4之间。

对于制冷模式,热泵的效能要用能效比EER)或季节能效比(EESR)表示,两者都是用BTU/(h·W) (1 BTU/(h·W) = 0.293 W/W)为单位。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。

法国工程师于1824年提出的Carnot efficiency可以运用在热泵上。 利用能量守恒定律,我们知道流入热泵的能量(Q_{cold} + W )等于流出热泵的能量(Q_{hot})。

热泵的效率(抽取的熱/輸入的功)為效能系數(coefficient of performance),縮寫為C.O.P.

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

因为Carnot同时还证明了:

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

所以我们可以得到:

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

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2-6之间。

分类[编辑]

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。

应用[编辑]

热泵被广泛的应用在空调电冰箱等以制冷为目的的家用电器上。 它也可以在冬天使用地热來加熱房屋,也可以在夏天來冷卻房屋。(因為在地下處於恆溫,而在特定深度的溫度正好是舒適的溫度)。

优点/缺点[编辑]

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[编辑]

  1. ^ Robert A. Ristinen/ Jack J. Kranshaar Energy and the Environment:2nd Edition. (John Wiley & Sons, Inc; 2006