熱泵作為提供熱量的主要設(shè)備之一，以其對(duì)環(huán)境友善及節(jié)約能源等特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在本文中。作用首先回顧了熱泵的發(fā)展歷史，介紹了熱泵的種類、特點(diǎn)、使用場(chǎng)合及條件，對(duì)幾種主要熱泵在應(yīng)用過程中存在的問題進(jìn)行了討論，分析了熱泵技術(shù)的研究進(jìn)展、應(yīng)用現(xiàn)狀及相關(guān)新技術(shù)。
1熱泵與制冷機(jī)
熱泵是一種以冷凝器放出的熱量對(duì)被調(diào)節(jié)環(huán)境進(jìn)行供熱的一種制冷系統(tǒng)。就熱泵系統(tǒng)的熱物理過程而言，從工作原理或熱力學(xué)的角度看，它是制冷機(jī)的一種特殊使用型式。它與一般制冷機(jī)的主要區(qū)別在于：
①使用的目的不同。熱泵的目的在于制熱，研究的著眼點(diǎn)是工質(zhì)在系統(tǒng)高壓側(cè)通過換熱器與外界環(huán)境之間的熱量交換；制冷機(jī)的目的在于制冷或低溫，研究的著眼點(diǎn)是工質(zhì)在系統(tǒng)低壓側(cè)通過換熱器與外界之間的換熱；
②系統(tǒng)工作的溫度區(qū)域不同。熱泵是將環(huán)境溫度作為低溫?zé)嵩矗瑢⒈徽{(diào)節(jié)對(duì)象作為高溫?zé)嵩矗恢评錂C(jī)則是將環(huán)境溫度作為高溫?zé)嵩矗瑢⒈徽{(diào)節(jié)對(duì)象作為低溫?zé)嵩础Ｒ蚨?dāng)環(huán)境條件相當(dāng)時(shí)，熱泵系統(tǒng)的工作溫度高于制冷系統(tǒng)的工作溫度。
2熱泵的由來及主要應(yīng)用型式
2.1熱泵的由來
隨著工業(yè)革命的發(fā)展，19世紀(jì)初，人們對(duì)能否將熱量從溫度較低的介質(zhì)“泵”送到溫度較高的介質(zhì)中這一問題發(fā)生了濃厚的興趣。英國物理學(xué)家J.P.Joule提出了“通過改變可壓縮流體的壓力就能夠使其溫度發(fā)生變化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的LordKelvin勛爵）發(fā)表論文，提出了熱量倍增器（HeatMultiplier）的概念，首次描述了熱泵的設(shè)想。
當(dāng)時(shí)，熱泵供暖的對(duì)象主要是民用，供暖需求總量小，特別是對(duì)由于采暖方式及其對(duì)環(huán)境的影響尚沒有足夠的意識(shí)。人們采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，熱泵的發(fā)展長期明顯滯后于制冷機(jī)的發(fā)展。
上世紀(jì)30年代，隨著氟利昂制冷機(jī)的發(fā)展，熱泵有了較快的發(fā)展。特別是二戰(zhàn)以后，工業(yè)經(jīng)濟(jì)的長足發(fā)展帶來的對(duì)供熱的大量需求及相對(duì)能源短缺，促進(jìn)了大型供熱及工業(yè)用熱泵的發(fā)展。1973年的全球性能源危機(jī)，進(jìn)一步促進(jìn)了熱泵在全世界范圍內(nèi)的發(fā)展。
2.2熱泵的主要應(yīng)用型式
按照熱泵系統(tǒng)的熱力循環(huán)型式，通常將熱泵分為如下六類：
①蒸氣壓縮式熱泵
與制冷機(jī)一樣，蒸氣壓縮式系統(tǒng)也是熱泵最主要的應(yīng)用型式。按照低溫?zé)嵩磁c供熱介質(zhì)的組合方式不同，蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)又分為空氣——空氣熱泵、空氣——水熱泵、水——水熱泵、水——空氣熱泵、地?zé)?mdash;—空氣熱源熱泵和土壤熱源——水熱泵等幾種主要應(yīng)用型式。
②氣體壓縮式熱泵
與蒸氣壓縮式系統(tǒng)熱泵不同的是，在這類熱泵系統(tǒng)中，工作介質(zhì)的工作區(qū)域?yàn)檫^熱區(qū)。對(duì)于氣體壓縮式熱泵系統(tǒng)，目前主要以二氧化碳、濕空氣作為工作介質(zhì)的熱泵系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)，是相關(guān)領(lǐng)域研究的兩類熱點(diǎn)課題。使用濕空氣作為工作介質(zhì)的空調(diào)熱泵系統(tǒng)及裝置，以往主要用于航天方面，例如作為飛機(jī)客艙的空氣調(diào)節(jié)用冷、熱源設(shè)備。對(duì)于使用濕空氣作為工作介質(zhì)的空調(diào)熱泵系統(tǒng)在普通工業(yè)或民用建筑環(huán)境調(diào)節(jié)應(yīng)用的可能性，作者曾經(jīng)作文探討。
③蒸氣噴射式熱泵
蒸氣噴射式熱泵的工作與原理與蒸氣壓縮式熱泵基本相同，只是由蒸氣噴射器代替壓縮機(jī)。這種熱泵主要用于熱電廠綜合熱能利用中，與吸收式熱泵相比，這種熱泵效率較低，目前較少采用。
④吸收式熱泵
吸收式熱泵是一種利用低品位熱源實(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩幢盟拖蚋邷責(zé)嵩吹难h(huán)系統(tǒng)。常用的工質(zhì)對(duì)是“水-溴化鋰（其中，以溴化鋰稀溶液為工質(zhì)，以溴化鋰濃溶液為吸收劑）”、“氨-水（其中，以氨為工質(zhì)，以水吸收劑）”、“水-氯化鈣（其中，以鋁化鈣稀溶液為工質(zhì)，以氯化鈣濃溶液為吸收劑）”。
⑤熱電式熱泵
熱電式熱泵又稱為溫差電熱泵。它是利用Peltier效應(yīng)，即當(dāng)直流電通過了兩種不同導(dǎo)體組成的回路時(shí)，就會(huì)在回路的兩個(gè)連接端產(chǎn)生溫差現(xiàn)象。
熱電式熱泵具有無運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠，壽命長，控制調(diào)節(jié)方便，振動(dòng)小，噪聲低，對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，但熱電堆的成本較高而且效率較低，因而主要用于一些特殊場(chǎng)合。
⑥太陽能熱泵
這種熱泵以太陽能集熱器作為熱源。圖3所示的是其中一種方案的太陽能熱泵流程。
除上述幾種熱泵外，還有化學(xué)熱泵和吸附式熱泵、渦流管熱泵等其它主要用于一些特殊場(chǎng)合的其它形式的熱泵。
3主要問題及應(yīng)用現(xiàn)狀
蒸氣壓縮式熱泵是目前商業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的一種熱泵。主要以空氣、水或大地作為低溫?zé)嵩础?
3.1空氣源熱泵（AirSourceHeatPump）
以空氣作為熱源的熱泵稱為空氣源熱泵或氣源熱泵（AirSourceHeatPump，ASHP）。通常制作成能夠供冷、供熱的兩用循環(huán)系統(tǒng)。
ASHP需要依據(jù)給定的氣候條件來設(shè)計(jì)，使其容量及效率在較寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)達(dá)到保證。由此，需要在性能上解決這樣一對(duì)矛盾，就是當(dāng)需要供量最大時(shí)的空氣源的溫度最低，同時(shí)機(jī)組的容量及效率也最低。
此外，ASHP機(jī)組需要充分考慮不同循環(huán)條件下，節(jié)流機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇以及室內(nèi)外兩個(gè)換熱器之間的合理匹配問題。以機(jī)組生命周期內(nèi)的總費(fèi)用最低為目標(biāo)，作者推薦了以空氣處理參數(shù)作為ASHP系統(tǒng)室內(nèi)外兩個(gè)換熱器之間的匹配的原則的方法。
在確定機(jī)組的容量時(shí)，對(duì)于一般地區(qū)而言，由于空調(diào)負(fù)荷大于采暖負(fù)荷，因而，根據(jù)空調(diào)制冷負(fù)荷確定即可。
對(duì)于寒冷地區(qū)用戶，在一定的時(shí)間內(nèi)，空調(diào)負(fù)荷可能不再大于采暖負(fù)荷。在這種條件下，可以根據(jù)情況采取兩種處理方法：一是以極端供熱負(fù)荷及其對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件與機(jī)組的運(yùn)行條件確定機(jī)組容量；二是仍然以空調(diào)制冷負(fù)荷確定機(jī)組容量，在機(jī)組供熱量不能滿足供熱的條件下，采取補(bǔ)充輔助加熱措施。文獻(xiàn)[7]推薦的確定起動(dòng)輔助加熱措施的條件是“熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率約為1.5至2.0”時(shí)。
對(duì)于冬冷夏熱的濕熱地區(qū)，需要考慮的另外一個(gè)問題就是ASHP機(jī)組室外側(cè)換熱器的結(jié)霜以及由此帶來的一系列問題。一般認(rèn)為，環(huán)境溫度在-5~5℃區(qū)間，為易結(jié)霜區(qū)，需要特別關(guān)注。
3.2水源熱泵（WaterSourceHeatPump）
以水作為熱源的熱泵稱作為水源熱泵（WaterSourceHeatPump，WSHP）。通常以海水、河水、湖水及井水作為低溫?zé)嵩础Ｓ捎谒臏囟茸兓^小，水源熱泵的性能通常要比ASHP的性能好而且穩(wěn)定。目前，以污水處理場(chǎng)涼水池的水作為低溫?zé)嵩吹臒岜孟到y(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際工程中采用，而且經(jīng)濟(jì)性能良好。
以海水、河水或湖水作為低溫?zé)岬臒岜茫环矫媸茏匀粭l件的制約，另一方面，需要在熱泵系統(tǒng)中，采取水處理及防腐措施。
目前，以井水作為低溫?zé)嵩吹臒岜孟到y(tǒng)，是水源熱泵機(jī)組和系統(tǒng)研究及應(yīng)用的熱點(diǎn)。井水特別是深井水，全年溫度基本穩(wěn)定而且水質(zhì)良好，是熱泵系統(tǒng)比較理想的低溫?zé)嵩矗诠こ讨胁捎幂^多。但是這種系統(tǒng)有可能存在回水困難、回水污染及破壞地下水生態(tài)資源等環(huán)境問題。從可持續(xù)發(fā)展的角度，這是一種不宜采用的方式。實(shí)際上，在許多國家地區(qū)，已有相應(yīng)的法律，禁止采用地下水資源作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩础?
3.3土壤熱源熱泵（SoilHeatPump）
土壤熱源熱泵（SoilHeatPump，SHP）以大地作為其低溫?zé)嵩础ＭǔＪ菍⒅评浔P管理入地下，盤管與土壤進(jìn)行熱量交換，熱泵系統(tǒng)自成封閉式系統(tǒng)。根據(jù)埋管的形式不同，這種系統(tǒng)又分為橫埋和豎埋（又稱為直埋）兩種方式。
SHP存在如下不足：
①造價(jià)昂貴，施工條件苛刻；
②可能泄漏，以引起土地污染；
③可能引起土地的大面積龜裂。
在工程上，一個(gè)可以借鑒的做法是，把管長約100米、直徑約15厘米的管子作為一組，埋入地下。并通過一組小的內(nèi)套管將水送到大管子的底部。
1熱泵與制冷機(jī)
熱泵是一種以冷凝器放出的熱量對(duì)被調(diào)節(jié)環(huán)境進(jìn)行供熱的一種制冷系統(tǒng)。就熱泵系統(tǒng)的熱物理過程而言，從工作原理或熱力學(xué)的角度看，它是制冷機(jī)的一種特殊使用型式。它與一般制冷機(jī)的主要區(qū)別在于：
①使用的目的不同。熱泵的目的在于制熱，研究的著眼點(diǎn)是工質(zhì)在系統(tǒng)高壓側(cè)通過換熱器與外界環(huán)境之間的熱量交換；制冷機(jī)的目的在于制冷或低溫，研究的著眼點(diǎn)是工質(zhì)在系統(tǒng)低壓側(cè)通過換熱器與外界之間的換熱；
②系統(tǒng)工作的溫度區(qū)域不同。熱泵是將環(huán)境溫度作為低溫?zé)嵩矗瑢⒈徽{(diào)節(jié)對(duì)象作為高溫?zé)嵩矗恢评錂C(jī)則是將環(huán)境溫度作為高溫?zé)嵩矗瑢⒈徽{(diào)節(jié)對(duì)象作為低溫?zé)嵩础Ｒ蚨?dāng)環(huán)境條件相當(dāng)時(shí)，熱泵系統(tǒng)的工作溫度高于制冷系統(tǒng)的工作溫度。
2熱泵的由來及主要應(yīng)用型式
2.1熱泵的由來
隨著工業(yè)革命的發(fā)展，19世紀(jì)初，人們對(duì)能否將熱量從溫度較低的介質(zhì)“泵”送到溫度較高的介質(zhì)中這一問題發(fā)生了濃厚的興趣。英國物理學(xué)家J.P.Joule提出了“通過改變可壓縮流體的壓力就能夠使其溫度發(fā)生變化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的LordKelvin勛爵）發(fā)表論文，提出了熱量倍增器（HeatMultiplier）的概念，首次描述了熱泵的設(shè)想。
當(dāng)時(shí)，熱泵供暖的對(duì)象主要是民用，供暖需求總量小，特別是對(duì)由于采暖方式及其對(duì)環(huán)境的影響尚沒有足夠的意識(shí)。人們采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，熱泵的發(fā)展長期明顯滯后于制冷機(jī)的發(fā)展。
上世紀(jì)30年代，隨著氟利昂制冷機(jī)的發(fā)展，熱泵有了較快的發(fā)展。特別是二戰(zhàn)以后，工業(yè)經(jīng)濟(jì)的長足發(fā)展帶來的對(duì)供熱的大量需求及相對(duì)能源短缺，促進(jìn)了大型供熱及工業(yè)用熱泵的發(fā)展。1973年的全球性能源危機(jī)，進(jìn)一步促進(jìn)了熱泵在全世界范圍內(nèi)的發(fā)展。
2.2熱泵的主要應(yīng)用型式
按照熱泵系統(tǒng)的熱力循環(huán)型式，通常將熱泵分為如下六類：
①蒸氣壓縮式熱泵
與制冷機(jī)一樣，蒸氣壓縮式系統(tǒng)也是熱泵最主要的應(yīng)用型式。按照低溫?zé)嵩磁c供熱介質(zhì)的組合方式不同，蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)又分為空氣——空氣熱泵、空氣——水熱泵、水——水熱泵、水——空氣熱泵、地?zé)?mdash;—空氣熱源熱泵和土壤熱源——水熱泵等幾種主要應(yīng)用型式。
②氣體壓縮式熱泵
與蒸氣壓縮式系統(tǒng)熱泵不同的是，在這類熱泵系統(tǒng)中，工作介質(zhì)的工作區(qū)域?yàn)檫^熱區(qū)。對(duì)于氣體壓縮式熱泵系統(tǒng)，目前主要以二氧化碳、濕空氣作為工作介質(zhì)的熱泵系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)，是相關(guān)領(lǐng)域研究的兩類熱點(diǎn)課題。使用濕空氣作為工作介質(zhì)的空調(diào)熱泵系統(tǒng)及裝置，以往主要用于航天方面，例如作為飛機(jī)客艙的空氣調(diào)節(jié)用冷、熱源設(shè)備。對(duì)于使用濕空氣作為工作介質(zhì)的空調(diào)熱泵系統(tǒng)在普通工業(yè)或民用建筑環(huán)境調(diào)節(jié)應(yīng)用的可能性，作者曾經(jīng)作文探討。
③蒸氣噴射式熱泵
蒸氣噴射式熱泵的工作與原理與蒸氣壓縮式熱泵基本相同，只是由蒸氣噴射器代替壓縮機(jī)。這種熱泵主要用于熱電廠綜合熱能利用中，與吸收式熱泵相比，這種熱泵效率較低，目前較少采用。
④吸收式熱泵
吸收式熱泵是一種利用低品位熱源實(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩幢盟拖蚋邷責(zé)嵩吹难h(huán)系統(tǒng)。常用的工質(zhì)對(duì)是“水-溴化鋰（其中，以溴化鋰稀溶液為工質(zhì)，以溴化鋰濃溶液為吸收劑）”、“氨-水（其中，以氨為工質(zhì)，以水吸收劑）”、“水-氯化鈣（其中，以鋁化鈣稀溶液為工質(zhì)，以氯化鈣濃溶液為吸收劑）”。
⑤熱電式熱泵
熱電式熱泵又稱為溫差電熱泵。它是利用Peltier效應(yīng)，即當(dāng)直流電通過了兩種不同導(dǎo)體組成的回路時(shí)，就會(huì)在回路的兩個(gè)連接端產(chǎn)生溫差現(xiàn)象。
熱電式熱泵具有無運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠，壽命長，控制調(diào)節(jié)方便，振動(dòng)小，噪聲低，對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，但熱電堆的成本較高而且效率較低，因而主要用于一些特殊場(chǎng)合。
⑥太陽能熱泵
這種熱泵以太陽能集熱器作為熱源。圖3所示的是其中一種方案的太陽能熱泵流程。
除上述幾種熱泵外，還有化學(xué)熱泵和吸附式熱泵、渦流管熱泵等其它主要用于一些特殊場(chǎng)合的其它形式的熱泵。
3主要問題及應(yīng)用現(xiàn)狀
蒸氣壓縮式熱泵是目前商業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的一種熱泵。主要以空氣、水或大地作為低溫?zé)嵩础?
3.1空氣源熱泵（AirSourceHeatPump）
以空氣作為熱源的熱泵稱為空氣源熱泵或氣源熱泵（AirSourceHeatPump，ASHP）。通常制作成能夠供冷、供熱的兩用循環(huán)系統(tǒng)。
ASHP需要依據(jù)給定的氣候條件來設(shè)計(jì)，使其容量及效率在較寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)達(dá)到保證。由此，需要在性能上解決這樣一對(duì)矛盾，就是當(dāng)需要供量最大時(shí)的空氣源的溫度最低，同時(shí)機(jī)組的容量及效率也最低。
此外，ASHP機(jī)組需要充分考慮不同循環(huán)條件下，節(jié)流機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇以及室內(nèi)外兩個(gè)換熱器之間的合理匹配問題。以機(jī)組生命周期內(nèi)的總費(fèi)用最低為目標(biāo)，作者推薦了以空氣處理參數(shù)作為ASHP系統(tǒng)室內(nèi)外兩個(gè)換熱器之間的匹配的原則的方法。
在確定機(jī)組的容量時(shí)，對(duì)于一般地區(qū)而言，由于空調(diào)負(fù)荷大于采暖負(fù)荷，因而，根據(jù)空調(diào)制冷負(fù)荷確定即可。
對(duì)于寒冷地區(qū)用戶，在一定的時(shí)間內(nèi)，空調(diào)負(fù)荷可能不再大于采暖負(fù)荷。在這種條件下，可以根據(jù)情況采取兩種處理方法：一是以極端供熱負(fù)荷及其對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件與機(jī)組的運(yùn)行條件確定機(jī)組容量；二是仍然以空調(diào)制冷負(fù)荷確定機(jī)組容量，在機(jī)組供熱量不能滿足供熱的條件下，采取補(bǔ)充輔助加熱措施。文獻(xiàn)[7]推薦的確定起動(dòng)輔助加熱措施的條件是“熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率約為1.5至2.0”時(shí)。
對(duì)于冬冷夏熱的濕熱地區(qū)，需要考慮的另外一個(gè)問題就是ASHP機(jī)組室外側(cè)換熱器的結(jié)霜以及由此帶來的一系列問題。一般認(rèn)為，環(huán)境溫度在-5~5℃區(qū)間，為易結(jié)霜區(qū)，需要特別關(guān)注。
3.2水源熱泵（WaterSourceHeatPump）
以水作為熱源的熱泵稱作為水源熱泵（WaterSourceHeatPump，WSHP）。通常以海水、河水、湖水及井水作為低溫?zé)嵩础Ｓ捎谒臏囟茸兓^小，水源熱泵的性能通常要比ASHP的性能好而且穩(wěn)定。目前，以污水處理場(chǎng)涼水池的水作為低溫?zé)嵩吹臒岜孟到y(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際工程中采用，而且經(jīng)濟(jì)性能良好。
以海水、河水或湖水作為低溫?zé)岬臒岜茫环矫媸茏匀粭l件的制約，另一方面，需要在熱泵系統(tǒng)中，采取水處理及防腐措施。
目前，以井水作為低溫?zé)嵩吹臒岜孟到y(tǒng)，是水源熱泵機(jī)組和系統(tǒng)研究及應(yīng)用的熱點(diǎn)。井水特別是深井水，全年溫度基本穩(wěn)定而且水質(zhì)良好，是熱泵系統(tǒng)比較理想的低溫?zé)嵩矗诠こ讨胁捎幂^多。但是這種系統(tǒng)有可能存在回水困難、回水污染及破壞地下水生態(tài)資源等環(huán)境問題。從可持續(xù)發(fā)展的角度，這是一種不宜采用的方式。實(shí)際上，在許多國家地區(qū)，已有相應(yīng)的法律，禁止采用地下水資源作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩础?
3.3土壤熱源熱泵（SoilHeatPump）
土壤熱源熱泵（SoilHeatPump，SHP）以大地作為其低溫?zé)嵩础ＭǔＪ菍⒅评浔P管理入地下，盤管與土壤進(jìn)行熱量交換，熱泵系統(tǒng)自成封閉式系統(tǒng)。根據(jù)埋管的形式不同，這種系統(tǒng)又分為橫埋和豎埋（又稱為直埋）兩種方式。
SHP存在如下不足：
①造價(jià)昂貴，施工條件苛刻；
②可能泄漏，以引起土地污染；
③可能引起土地的大面積龜裂。
在工程上，一個(gè)可以借鑒的做法是，把管長約100米、直徑約15厘米的管子作為一組，埋入地下。并通過一組小的內(nèi)套管將水送到大管子的底部。
