热泵

热泵（Heat Pump），又称冷机（Refrigerator），是在热力学第二定律基础上产生的一种高效加热装置，可将能量由低温处（低温热库）传送到高温处（高温热库）。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，多出的这部分热量是在运行能量的作用下从较低温处所取得的。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。在比较热泵的工作效率时，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和引擎马达相连驱动。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。因为卡诺效率（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远保持舒适温度的特性，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（英语：Seasonal energy efficiency ratio）（EESR）表示，两者都是用 B T U / ( h W ) {displaystyle {begin{smallmatrix}{BTU/(hW)}end{smallmatrix}}} 为单位（ 1 B T U / ( h W ) = 0.293 W / W {displaystyle {begin{smallmatrix}{1BTU/(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。法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于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，流入热泵的能量( Q c o l d + W {displaystyle Q_{cold}+W} )等于流出热泵的能量( Q h o t {displaystyle Q_{hot}} )。热泵的效率(从低温热源吸热量/外界输入的功)为效能系数(coefficient of performance)，缩写为C.O.P.。由于Carnot同时还证明了：因此可以得到：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：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。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。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来加热房屋，也可以在夏天来冷却房屋。（因为在地下处于恒温，而在特定深度的温度正好是舒适的温度）。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。