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熱泵

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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,可將能量由低處(低溫熱庫)傳送到高溫處(高溫熱庫)。它能提供给高温处的能量总和要大于它自身运行所需要的能量,多出的這部份热量是在運行能量的作用下從较低溫處所取得的。

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。

热泵循環示意圖 1:冷凝器(放热), 2:节流阀(减压), 3:低温处(吸热), 4:压缩机(加压)

效能[编辑]

在比较热泵的工作效率時,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。因为卡諾效率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。

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一般可以常年保持在3.5到4之间。

对于制冷,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\begin{smallmatrix} {{{BTU/(hW)}}} \end{smallmatrix}
为单位(\begin{smallmatrix} {{{1 BTU/(hW)=0.293W/W}}} \end{smallmatrix}
),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[谁?]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,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}}}

由于Carnot同时还证明了:

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

因此我们可以得到:

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到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