摘要：空气源热泵是一种利用可再生能源的高效节能无污染的新兴产品，全年的平均能效比将近400%，文章介绍了空气源热泵的工作原理，并结合宁波XX宾馆的空气源热泵的应用实例，展望其广泛的应用前景。

Abstract： Air source heat pump is an energy-efficient and pollution-free emerging product that utilizes renewable energy. The average energy efficiency ratio is nearly 400% throughout the year. The article introduces the working principle of air source heat pump and combines the application examples of air source heat pump of Ningbo XX Hotel，looking forward to its broad application prospects.

關键词：空气源热泵；逆卡诺循环；能效比；新能源

Key words： air source heat pump；inverse Carnot cycle；energy efficiency ratio；new energy

中图分类号：TU831.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0153-03

0 引言

空气源热泵是目前世界上最先进、能效比最高的热水设备之一，在不同的工况下，热泵每消耗1kW电能就从低温热源中吸收2～6kW的免费热量，节能效果非常显著。它根据逆卡诺循环原理，采用电能驱动，通过传热工质把自然界低温热源中无法被利用的低品热能有效吸收，并将吸收回来的热能提升至可用的高品位热能并释放到水中。

1 空气源热泵工作原理及能效比

1.1 卡诺循环

空气源热泵、空调、冰箱等制冷、制热设备基本上都是利用了逆卡诺循环的原理，逆卡诺循环是卡诺循环的逆循环。法国工程师卡诺通过研究蒸汽机的基本结构和工作过程，抛开所有非主要因素，从理想循环着手，用普遍理论的方法，作出了如下结论：消耗热可以得到机械功。他指出，热机一定要在高温热源和低温热源之间工作（见图1-a），“凡是有温度差的地方就能够产生动力；反之，凡能够消耗这个力的地方就能够形成温度差，就可能破坏热质的平衡。”他构造了一个在冷凝器和加热器之间的理想循环：汽缸和加热器连通，使加热器的温度与汽缸内的工作物质水和饱和蒸汽温度相等，让汽缸内的蒸汽缓慢地膨胀，保持在整个过程中，蒸汽和水都处于热平衡。接着让汽缸和加热器互相隔绝，使蒸汽绝热膨胀，直到温度和冷凝器的温度相等。然后活塞缓慢地压缩蒸汽，一段时间后冷凝器与汽缸脱离，作绝热压缩一直恢复到初始的状态。这循环是由两个等温过程与两个绝热过程组成的循环，叫作“卡诺循环”。

卡诺循环由四个过程组成：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩（见图1-b）。

①等温膨胀，在这个过程中系统从高温热源中吸收热量Qh（过程为A点到B点，AB线为等温线，温度为Th）

②绝热膨胀，在这个过程中系统对环境作功（过程为B到C点，BC线为绝热线）

③等温压缩，在这个过程中系统向低温热源中放出热量Ql（过程为C点到D点，CD线为等温线，温度为Tl）

④绝热压缩，系统恢复原来状态，在这个过程中系统对环境作负功（过程为D到A点，DA线为绝热线）

1.2 逆卡诺循环

逆卡诺循环就是通过输入一定的动力W，把热能Ql从低温热源移动到高温热源处（见图2-a），从而使低温热源温度更低，高温热源温度更高。若低温热源范围为无限大，高温热源范围为有限大，此时能造成高温热源温度相对大的提升，这就是空气源热泵、制热空调的制热原理；若高温热源范围为无限大，低温热源范围为有限大，此时能造成低温热源温度相对大的降低，这就是冰箱、制冷空调的制冷原理。

逆卡诺循环由四个过程组成：绝热膨胀、等温膨胀、绝热压缩、等温压缩（见图2-b）。

①绝热膨胀，在这个过程中系统对环境作功（过程为A到D点，AD线为绝热线）

②等温膨胀，DC在这个过程中系统从低温热源中吸收热量Ql（过程为D点到C点，DC线为等温线，温度为Tl）

③绝热压缩，在这个过程中系统对环境作负功（过程为C到B点，CB线为绝热线）

④等温压缩，BA在这个过程中系统向高温热源中放出热量Qh（过程为B点到A点，BA线为等温线，温度为Th）

1.3 空气源热泵

空气源热泵热水器内置了一种吸热的介质——制冷剂（冷媒），它液体的状态下温度低于零下20℃，一般与外界自然温度存在着温差，故此，制冷剂可以吸收外界自然的温度，在蒸发器内部产生压力并且蒸发汽化，通过热泵的循环，使制冷剂从汽体状态转化成液体状态，它携带的热量便释放给了热泵热水器机组水箱中的储用水。（图3）

空气源热泵工作过程包括以下四个步骤：

①低温低压的液态制冷剂经膨胀阀节流降压（此过程原理为图2-b中AD段）；

②制冷剂通过降压后，接着进入交换机中蒸发，从而在空气中吸收大量的热量Q1，制冷剂转为气态（此过程原理为图2-b中DC段）；

③气态制冷剂进入压缩机被压缩，变成高温高压的制冷剂（此过程原理为图2-b中CB段）；

④压缩后的高温高压气态制冷剂进入热交换器后，把它所含的热量释放出来，将冷凝器中的冷水加热（此过程原理为图2-b中BA段），冷水被高温高压制冷剂加热到55℃（最高可以到65℃）进入保温水箱，此时制冷剂也由气态转变为液态。

如此一直循环，源源不断地从空气中吸收热量给冷水，使冷水温度升高。

1.4 空气源热泵能效比（COP）

COP理论值：不考虑外界因素的理论效率为：COP0=（环境温度T+273）/温升Δt。考虑空气源热泵实际运行的各种因素，电动机效率为0.95，压缩机效率为0.8，换热器效率为0.9，系统效率为0.8，则理论能效比为COP=0.95*0.8*0.9*0.8*COP0=0.55*（T+273）/Δt。

COP实际值：热泵的实际制热量与实际输入功率的比值。

根据宁波XX宾馆在2017年1月15日、4月15日、7月15日、10月15日的实测数据，进行COP计算，如表1所示，以1月15日数据为例，计算过程如下：

理论COP=0.55*（7+273）/（55-6）=3.14

实际COP=[4187*30*1000*（55-6）/86400]/（602*1000/24）=2.84

其他COP同理可计算得出，见表1所示，该空气源热泵全年平均实际COP值为3.66。

2 结束语

空气源热泵是一种高效、节能、环保、适用性较强的制热技术，较传统的加热方式有明显的优势，空气源热泵在宁波港内部已普遍运用于集体宿舍、员工食堂等公共场所、随着国家对节能减排政策的进一步落实，空气源热泵必将得到快速的发展。

参考文献：

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[3]颜松.空气源热泵热水器简介及其经济性分析[A].大众科技，2009，123.