热泵的工作原理及应用

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根据热力学第二定律，热量可以自发地从高温物体传递到低温物体。我们都知道，在自然状态下，我们不能将外部寒冷环境中的热量带到更加温暖的室内环境中。但科技的发展则是通过理论及相关设备将自然状态下不可能发生的事情实现，而这项将热量从冷环境传送到热环境的热泵技术已存有150多年了。

热泵本身并不生产热，只是热的搬运工，基于逆卡诺循环原理，用少量电能驱动机组，通过热泵系统中的工作介质进行变相循环，把低品位热能吸收压缩升温后加以利用。热泵作为绿色低碳的热能供应方案，具备环保节能、能效比高、运行费用低等优势，可广泛应用于建筑、工业、农业及交通等领域，有巨大的环境效益和社会效益，是大力推动节能减排、助力全球“碳达峰、碳中和”进程的必然路径。

热泵系统的核心原理是一个封闭循环的回路，其中的介质被称为冷媒或制冷剂，它在此循环回路中被连续地压缩和膨胀。在每次被压缩和膨胀时（即每一轮工作状态），制冷剂将热量从低温环境中‘抽取’并传送到高温环境中。空气并未作为冷媒使用，尽管它不会造成污染且无成本，因为其每轮工作状态的热效率相当低，实际使用的冷媒是能够在吸收热量时蒸发，散发热量时冷凝的液体。液体形态的改变过程能够在每一轮工作循环中极大地提高热效率。将循环方式调转，这类设备既可用于供热也可用于制冷。

然而，热泵并不是绝对意义的环保，问题主要出在制冷剂。早年对制冷剂的环保要求是， 不要损害臭氧层，考核指标是 ODP（全球变暖潜能值）；随着第三代制冷剂（HFCs-不 消耗臭氧）逐渐占据主流（基本做到不破坏臭氧层），2016 年《基加利修正案》通过， 对制冷剂的环保要求，从 ODP 升级到了 GWP（全球升温潜能值）。目前主流热泵用的制冷剂仍是 R410A，属于第三代制冷剂范畴，GWP 值达到 2088，并不低，甚至高于其替代对象 R22 的 GWP。所以，到目前为止，热泵还难以做到绝对意义上的环保。

目前，初具下一代制冷剂潜质的主要是 HFOS 和天然制冷剂，都拥有超低 GWP，但都还不完美。HFOS 在一定程度上兼顾了安全性，但其系统性能总体有所下降。天然制冷剂除了 CO2（R-744）外，要么毒性较大，要么可燃易爆，安全问题比较突出；CO2 虽然安全性较好，制热性能也非常优秀，但其工作压力明显高于其他制冷剂，对压缩机及其配件系统的要求较高，需要进行相应调整。从全球暖通龙头大金的战略来看，R32和R290 是综合安全性、碳排放以及产品性能考虑，下一阶段投入使用的主要制冷剂选择。

6.1 向环保、全场景节能、极端环境适用性等方面发展。研发新型替代工质、高效热泵空调系统及其部件，如超临界CO2热泵空调、新型高效补气压缩机、高效微通道换热器，解决制热能耗大、能力不足等问题。研发适用于极端环境等地区的新型热泵空调，提升整车的适用性。

6.2 向整车热管理方向发展，满足整车需求，负责电池系统、电机与功率器件等的热管理保证系统运行在最佳温度区间，提升系统节能效果和可靠性。

6.3 向智能化方向发展，对环境温湿度、车内温湿度、出风温度、电池温度、水温、工质温度和压力、车内空气指数等进行监控并自适应调控电动执行机构，以实现系统的节能性和舒适性。

随着更优良的环保型工质的应用、压缩机能效的提升、换热器性能、空调管路、系统设计的优化，特别是超临界CO2热泵技术的突破，将不断提升电动汽车的环境适用性、舒适性和智能化水平，未来电动汽车用热泵空调将迎来高速发展，成为电动汽车产业发展的重要推动力。