熱泵工作原理圖（熱泵結構圖）

課程大綱

完成本單元后，您將

• 了解什么是熱泵

• 了解熱泵的工作原理

• 了解如何計算熱泵的效率

• 了解熱泵的制冷循環

• 了解各種熱源

• 了解熱泵的各種應用和市場

1熱泵的概念

1）、熱泵是一種利用機械能將熱量從一個地點轉移到另一個地 點的設備。

2）、 熱泵通過逆制冷循環工作。

3）、熱泵可以用于供暖或制冷，具體視構造而定

4）、在制冷模式下，熱泵作為制冷系統而工作。

5）、制冷回路中有一個四通閥，用于在供暖模式和制冷模式之間 切換。

6）、熱泵可以用于空間（房間）取暖器或熱水器。

7）、熱源可以在自然環境中找到（土壤、空氣、地下水等）。

熱泵的工作原理：

2熱泵的效率

性能系數（COP）

• 可以將熱泵的性能系數定義為熱量輸出與電力輸入的比率。

• 例如，若 COP 為 4，表示 1 kW 電能加上 3 kW 熱能，產生 4 kW 熱能輸出。

取得 EHPA 標簽所需的 COP：

• 鹽水/水熱泵：4.3

• 空氣/水熱泵：3.1

• 水/水熱泵：5.1

季節能效比（SPF）

• SPF 是指在為期一年的比較期內，熱泵消耗的能量與提供的 能量的平均比率。

• 例如，若 SPF 為 4:1，表示每年消耗 8,000 kWh 電力，產生32,000 kWh 熱能。.

為何熱泵的效率高于傳統供暖設備？

• 土壤和空氣中的熱能是完全免費的。

• 它天然存在于土壤中，經常從風、陽光和降雨中得到補充。

• 在熱泵每年為空間供暖和家用熱水提供的能量中，有四分之 三來自于陽光，儲存于土壤或空氣中。

• 在地球接收的太陽能中，有 44% 最終儲存于土壤中。

• 這種太陽能是地球上人類能源需求總量的 480 倍。

• 熱泵的核心是可再生的太陽能，因此有助于營造更清潔的環 境。

• 熱泵搭配高效率的供暖系統，再由值得信賴的供應商進行安 裝，可以將供暖成本降低 50% 以上。

• 如圖所示，與燃油鍋爐相比，典型的熱泵系統在環境財務方 面具有極大的優勢。

3熱泵的系統原理圖

制冷循環 - 供暖系統

• 動畫顯示了熱泵如何利用逆制冷循環來工作。

• 熱泵的基本元件包括一臺壓縮機、一個冷凝器、一個膨脹 裝置和一個蒸發器。

• 在蒸發器中，空氣中的熱能轉移到制冷劑，氣態制冷劑被 輸送到壓縮機。

• 液態制冷劑從壓縮機流向冷凝器，熱量在此轉移到需要加 熱的空間或水

制冷循環 - 制冷和供暖系統（可逆）

熱泵可以用于供暖，也可以用于制冷。制冷回路中有一個四通閥，用于在供暖模式和制冷模式之間切換。點擊按鈕，查看如何將 制冷循環同時用于供暖和制冷。

冬季制熱運行系統原理圖：

夏季制冷運行系統原理圖：

控制系統原理圖：

4熱泵的分類

按照熱源，可以分為五大類：

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1

2

3

4

5

5地源熱泵

• 地源熱泵采集地下存儲的太陽能。

• 熱量采集方法多種多樣。

• 使用水平管路。

• 使用垂直管路。

• 使用開放式回路抽取地下水。

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地源熱泵—水平管路

• 適用于水/水系統和鹽水/水系統。

• 安裝時需要移走表層土壤或挖溝。

• 提取能量的上限為每米管道 10 至 30 瓦特，具體取決于土 壤和環境的溫度。.

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地源熱泵—垂直管路

• 適用于水/水系統和鹽水/水系統，具體取決于最低環境溫度

• 使用基巖中的垂直集熱管道

• 每 10 kW 供暖容量中，2.5 kW 來自壓縮機和泵消耗的電能，7.5 kW 取自土壤

• 提取能量的上限為每米管道 50 瓦特（這是濕孔的容量。它低 于干孔的容量）

• 單鉆孔的最小深度為 150 米，雙鉆孔的最小深度為 75 米。

• 鉆孔的最小間距：10 米（具體細節請參考地方和國家法規。）

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地源熱泵—地下水

• 僅適用于水基系統。

• 必須保證供水的質量（過濾器）、流量和溫度（10- 12°C）。

• 對于一個 COP 為 4、將水溫降低 5 K 的 10 kw 熱泵，需要 的水流量為 0.36 dm3/s 或 1.3 m3/h。

• 泵水也要消耗能量

• 鉆孔的最小間距約為 15 米（具體細節請參考地方和國家法規）。

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地源熱泵—水系統

• 水熱泵利用水或鹽水，從地源中采集熱量。

• 集熱管注滿水或鹽水。

• 可以構建水-水系統或鹽水-水系統。

• 可以是開環或閉環系統。

• 開環系統必須考慮污垢、腐蝕等問題。

• 重要的是保持水溫和蒸發器表面溫度高于冰點。

• 相對于鹽水-水系統，水-水系統需要較高的蒸發溫度。

• 當冷凝溫度較低時，必須確保較大的蒸發力度。

• 在這些條件下，可以實現較高的 COP。

地源熱泵—地板供暖

• 傳統的家用中央供暖系統便是水系統。

• 這種系統適用于地板供暖和/或暖氣。

• 房間溫度可以單獨調節。

• COP 最大為 4

• 適用于新建筑或舊設施（水溫不超過 60°C）。

• 夏季到來時，同一套系統可用于地板制冷。

• 該系統可以用于游泳池加熱。

• 該系統能夠靈活適應將來的需要。

6空氣源熱泵

• 空氣源熱泵從室外空氣中采集能量，并將能量轉移到室內。

• 空氣源熱泵比地源熱泵易于安裝，因為安裝時無需挖掘或 鉆孔。

• 冬季可能需要輔助供暖系統。

• 可以構建空氣-空氣系統和空氣-水系統。

空氣源熱泵——空氣-空氣換熱系統

• 空氣-空氣式空氣源熱泵從室外空氣中采集能量，并將能量轉 移到室內或空間內的再循環空氣。

• 可以提供不同的溫度范圍（冬季較冷，春秋兩季較暖）。

• 室外氣溫降至大約 6°C 以下時，需要除霜（通常利用逆循環）。

• 為了讓蒸發溫度覆蓋較低和較高的室外溫度，要求壓縮機有較 寬的工作范圍。

• 冷凝溫度幾乎終年不變。

空氣源熱泵——空氣-水換熱系統

• 空氣-水式空氣源熱泵從室外空氣中采集能量，并將能量轉 移到在供暖系統的循環水中。

• 風冷式蒸發器。

• 房屋內傳統的基于水的集中供暖系統。

• 地板供暖和/或暖氣。

• 房間溫度可以單獨調節。

• COP 高達 4.5（空氣 7C，水 30/35°C）和 3.5（空氣 7C，水40/45°C）

• 適用于新建筑和舊設施。（水溫最高可達 60°C，具體取決于 環境溫度）

• 夏季：地板制冷。

• 游泳池加熱。

• 能夠靈活適應將來的需要。