熱泵(Heater   pump)它是一種能從低溫物體向高溫物體提取熱量的能源利用裝置。熱泵一詞借鑒于“水泵”自然界的水是從高處流向低處的，水泵可以把水從低處送到高處。根據(jù)熱力學第二定律，熱量總是自發(fā)地從高溫物體流向低溫物體，具有向溫度更高的物體輸送熱量功能的設備被形象地稱為熱泵。

熱泵的誕生可以追溯到19世紀20年代，卡諾循環(huán)的發(fā)現(xiàn)為熱泵研究奠定了理論基礎。第一個熱泵系統(tǒng)是由湯姆森于1852年提出的(Tomoen)經(jīng)過曲折的發(fā)展，它終于在1930年由霍爾丹開發(fā)出來(Haldane)開發(fā)了實用可行的熱泵設備。這種裝置也被認為是現(xiàn)代蒸汽壓縮熱泵的原型，它主要由壓縮機組成、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器由四個部分和輔助部分組成。隨著后來的發(fā)展，熱泵的結構不斷豐富和改進，出現(xiàn)了以溶液環(huán)路和噴射泵代替壓縮機的吸收式熱泵和蒸汽噴射熱泵。熱泵的應用范圍也涵蓋了工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的干燥海水淡化化學蒸發(fā)和蒸餾等從早期的加熱。

熱泵一般由壓縮機組成、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器和輔助部件。

壓縮機

功能：從蒸發(fā)器吸入高溫低壓的工作介質(zhì)并將其壓縮成高溫高壓的工作介質(zhì)。

類型：根據(jù)工作原理分為容積式和離心式；按密封類型可分為全封閉半封閉和開放式壓縮機。

特點：壓縮機僅在壓縮熱泵系統(tǒng)中需要在吸收式熱泵和蒸汽噴射熱泵中，可以分別用溶液回路或噴射泵代替。

冷凝器

功能：通常在供熱端，它是熱泵向用戶傳遞熱量的直接裝置。它從壓縮機接收高溫高壓的工作介質(zhì)，利用熱載體介質(zhì)將熱量釋放到加熱端，并將工作介質(zhì)冷凝成液體。

類型：按結構可分為管殼式冷凝器套管式冷凝器板式冷凝器和螺旋板式冷凝器；

特點：冷凝器的本質(zhì)是熱交換器，其傳熱介質(zhì)可以是液體，也可以是氣體。以液體為熱載體的冷凝器結構緊湊，但容易結垢；以液體為熱載體的冷凝器易于安裝和使用，但體積龐大且占用空間，因此不適用于大型熱泵系統(tǒng)。

節(jié)流部件

功能：一方面，節(jié)流部分在熱泵系統(tǒng)中用作阻力元件，以降低從冷凝器出來的低溫高壓工質(zhì)的壓力；另一方面，它充當流量調(diào)節(jié)元件，從而增加壓縮機的吸入能力、冷凝器排熱量、蒸發(fā)器負載匹配。

類型：通常有毛細管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥。

特點：毛細管結構簡單，價格低廉，但調(diào)節(jié)能力弱，容易堵塞；熱力膨脹閥調(diào)節(jié)范圍大，價格低，但缺乏流量補償能力；電子膨脹閥最大的優(yōu)點是調(diào)節(jié)能力出色，但價格昂貴。

蒸發(fā)器

功能：從低溫熱源吸收熱量以蒸發(fā)通過節(jié)流部分的低溫低壓工作介質(zhì)；

類型：按結構可分為管殼式蒸發(fā)器套管式蒸發(fā)器板式蒸發(fā)器和螺旋板式蒸發(fā)器；

特點：它本質(zhì)上也是一個熱交換器。因此，它類似于冷凝器，但由于它處于低溫端，因此需要一些防凍措施。

輔助部件

四通換向閥：在壓縮機、冷凝器、切換蒸發(fā)器的管道，使熱泵同時具有空調(diào)和制冷功能。

干燥過濾器：用于去除熱泵中的水的干燥器和用于去除雜質(zhì)的過濾器結合在一起。

氣液分離器：從蒸發(fā)器出來的工作流體不一定“干氣”，可能與液滴混合，這對壓縮機會有很大影響。通常在蒸發(fā)器和壓縮機之間。

油分離器：壓縮機的潤滑油可以與工作介質(zhì)蒸汽混合。通常安裝在壓縮機后面或冷凝器前面。

儲液器：它通常布置在冷凝器后面，以儲存來自冷凝器的液態(tài)工質(zhì)，以適應工況的變化。

電磁閥：它布置在節(jié)流元件的前面，防止壓縮機停機時大量液態(tài)工質(zhì)進入蒸發(fā)器，導致壓縮機啟動時發(fā)生液擊。

高低壓控制器：它串聯(lián)在壓縮機控制回路中，防止壓縮機工作壓力過低或過高造成安全隱患。

熱泵裝置和制冷裝置的工作原理沒有本質(zhì)區(qū)別，但它們都是反向工作的熱機，都遵守熱力學基本定律。根據(jù)熱力學第二定律，當向熱泵輸入一定的驅(qū)動能量W時，熱泵可以通過熱力學循環(huán)從低溫物體中提取一部分熱量并將其傳遞給高溫物體。這三個符合能量守恒定律，即。熱泵的熱力循環(huán)過程通常用逆卡諾循環(huán)和洛倫茲循環(huán)來表示。

壓縮式熱泵

構成：壓縮式熱泵一般由壓縮機組成、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器由四部分組成。

驅(qū)動方式：壓縮式熱泵的驅(qū)動方式主要是壓縮機，利用壓縮機實現(xiàn)蒸汽的加壓驅(qū)動。具體工作過程為：蒸發(fā)器從低溫端吸熱產(chǎn)生高溫低壓蒸汽，經(jīng)壓縮機壓縮形成高溫高壓蒸汽，并在冷凝器中進一步向加熱端放熱產(chǎn)生的低溫高壓廢氣經(jīng)過節(jié)流部分后返回蒸發(fā)器，工質(zhì)在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，實現(xiàn)連續(xù)運行。

特點：根據(jù)工作介質(zhì)，壓縮式熱泵可分為蒸汽壓縮式和空氣壓縮式兩者的區(qū)別在于，蒸汽壓縮式利用冷凝過程進行熱交換，可以實現(xiàn)更大的功率。

吸收式熱泵

構成：吸收式熱泵類似于壓縮式熱泵，用一個溶液回路代替壓縮機，溶液回路由吸收器溶液泵組成、發(fā)電機和溶液節(jié)流閥。

驅(qū)動方式：它通過消耗溶液回路中的熱能來實現(xiàn)蒸汽的壓縮，具體過程如下：溶液回路的蒸發(fā)器吸收來自蒸發(fā)器的高溫蒸汽，由溶液泵送至發(fā)生器，發(fā)生器吸收外界熱量使工質(zhì)蒸汽沸騰形成高溫高壓蒸汽。其余的熱過程與壓縮熱泵一致。

特點：低溫熱源，如工廠的廢蒸汽和廢熱可用作熱源，旋轉(zhuǎn)部件少，耗電少，無噪音；但熱效率低。

蒸汽噴射式

構成：用噴射泵代替壓縮機驅(qū)動系統(tǒng)工作，噴射泵由噴嘴組成、混合室、擴壓管組成。

驅(qū)動方式：熱泵工作時，來自鍋爐等蒸汽發(fā)生器的高壓蒸汽通過噴嘴減壓獲得高速，高速蒸汽吸入蒸發(fā)器中的工質(zhì)蒸汽使其高速流動，從而實現(xiàn)對工質(zhì)的壓縮。其余過程與壓縮熱泵相同。

特點：通過消耗熱能提取低位熱源中的熱量，結構簡單、幾乎沒有機械運動部件、價格低廉、操作方便、耐用，但熱泵性能系數(shù)較低。

其他驅(qū)動方式

熱電式熱泵：它使用帕爾貼效應——，即當直流電施加于由兩個不同導體形成的回路時，它在一個節(jié)點變冷，在另一個節(jié)點變熱；熱能通過電流從低位熱源傳遞到高位熱源。

化學熱泵：基于某些化學效應可以吸收和釋放熱量的原理，它首先將低級熱能轉(zhuǎn)化為化學能進行儲存，然后將儲存的化學能轉(zhuǎn)化為高級熱能。

熱源種類

空氣源熱泵：以空氣為低位熱源的熱泵

優(yōu)點：空氣取之不盡用之不竭，空氣熱源熱泵裝置的安裝和使用也很方便。

缺點：不穩(wěn)定——受室外溫度影響較大，室外溫度較低時，熱泵產(chǎn)生的熱量較少；

制熱性能和可靠性差——當室外溫度過低時，熱交換器的表面可能會結霜，從而影響熱泵的可靠性和制熱能力；該設備規(guī)模大且噪音大空氣的比熱小，需要大規(guī)模的風扇來提供足夠的空氣，因此該裝置規(guī)模大且噪音大。

水熱源熱泵：利用地表水、地下水、以工業(yè)廢熱水為熱源的熱泵。

優(yōu)點：水的熱容量大，傳熱性能好，因此換熱設備緊湊；水溫相對穩(wěn)定，使熱泵的運行工況相對穩(wěn)定。

缺點：熱泵裝置必須靠近水源或配備一定的儲水裝置；其次，對水質(zhì)有一定的要求，水質(zhì)分析后應采用合適的換熱器材料，以防止腐蝕問題。

土壤熱源熱泵：以土壤為低溫熱源的熱泵

熱泵

優(yōu)點：土壤溫度變化不大，有一定的儲熱功能熱交換器基本不需要除霜，以土壤為熱源的熱泵裝置不需要風機降低噪音。地熱源熱泵的工況與土壤的性質(zhì)有關，土壤的性質(zhì)隨地區(qū)和季節(jié)的不同而變化。全年地溫波動較小，冬季土壤溫度高于氣溫，因此熱泵的制熱性能系數(shù)較高。

由于土壤溫度波動小，且具有一定的蓄熱功能，熱泵具有較高的制熱性能系數(shù)。另外，當以土壤為熱源時，風扇可以不使用，幾乎不產(chǎn)生噪音。

缺點：①由于土壤傳熱系數(shù)小，需要消耗大量金屬來增加傳熱面積，提高與土壤的傳熱。②土壤會腐蝕金屬換熱管，因此需要額外的防銹處理。

太陽能熱泵：以太陽能為熱源的熱泵

優(yōu)點：太陽能是取之不盡的、無污染、清潔的優(yōu)點；而且太陽能熱泵系統(tǒng)不需要除霜裝置，結構簡單，收集率高。

缺點：投資大。

其他分類

根據(jù)設備的集中程度：中央系統(tǒng)——是一個熱泵，通過熱泵站向該區(qū)域集中供熱；分布式系統(tǒng)——是用于單個房間或樓層供暖的熱泵，其機組通常放置在房間內(nèi)。

按用途分類：熱泵可分為民用熱泵、工業(yè)用熱泵、農(nóng)業(yè)用熱泵等。

按供熱溫度分類：熱泵可分為低溫熱泵和高溫熱泵。

按能源品位分類：熱泵可以分為第一種類型、第二類熱泵。

按功能分類：熱泵可分為僅用于加熱的熱泵、冷熱交替熱泵、同時制冷和制熱的熱泵。

按壓縮機分類：熱泵可分為活塞式、渦旋式、滾動轉(zhuǎn)子式、螺桿式、離心式熱泵。

采暖和供熱水

熱泵最常見的應用之一是用于居民、商業(yè)建筑提供熱泵，為了提高熱泵的運行經(jīng)濟性，通常采用兼具供熱和制冷功能的熱泵系統(tǒng)。

農(nóng)產(chǎn)干燥領域

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常有許多濕物料（如木材，紙張、谷物、茶葉、魚類）需要烘干通常在生產(chǎn)過程中，采用加熱空氣和強制通風來加速干燥過程，干燥過程的能耗巨大。使用熱泵干燥系統(tǒng)可以節(jié)省大量能耗，還可以進行低溫干燥。

海水淡化

在沒有天然淡水的地方，海水淡化技術非常重要海水淡化不僅需要消耗大量的熱量來加熱和蒸發(fā)水，還需要冷凍過程來分離鹽水和冰。利用開式熱泵循環(huán)，一方面可以保持冷凍室的負壓以形成鹽水和冰，另一方面也可以提供熱量以加熱和形成水蒸氣。

化工蒸發(fā)蒸餾

制鹽、制糖、牛奶濃縮、化工母液蒸發(fā)等工藝都是靠加熱來蒸發(fā)水分，消耗的能量非常巨大。這些過程可以與熱泵循環(huán)很好地結合起來，并發(fā)揮出極高的性能和優(yōu)越的經(jīng)濟性。