在口常生活中“泵”隨處可見，人們對此并不陌生，例如常見的水泵、油泵和氣泵等。它們都有一個(gè)共同特點(diǎn)，即可以將流體介質(zhì)泵送到勢能更高或位能更高的地方，從本質(zhì)上講，它是一種提高介質(zhì)位置或壓力的機(jī)械裝置。正如古話所說“人往高處走，水往低處流”，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量總是從高處轉(zhuǎn)移到低處，比如水總是從高處流往低處，熱量總是從高溫物體傳到低溫物體。但通過“泵”可以將此過程逆轉(zhuǎn)，人們可以通過水泵將低處的水泵送到高處，而且也能通過熱泵將熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體中。“熱泵”顧名思義，是一種輸送熱量的泵，但是熱量不是像水一樣的流體，它沒有體積和質(zhì)量，輸送熱量必須依靠“載體”，這種載體我們稱之為“冷媒”。所以熱泵從溫度較低的周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給溫度較高的被加熱的對象，實(shí)際上是一種熱量提升裝置。
熱泵制熱技術(shù)的歷史相當(dāng)久遠(yuǎn)，1824年，法國的青年工程師卡諾發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象:增加氣體的壓力時(shí)能夠提高其溫度，反之，減小氣體的壓力會(huì)降低其溫度。他由此指出:利用這一現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。同年他還提出了“卡諾循環(huán)”，這一循環(huán)在理論上效率最高，但由于當(dāng)時(shí)的機(jī)械制造技術(shù)水平有限，卡諾本人并沒有提出可以具體實(shí)現(xiàn)的熱泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)的卡諾循環(huán)針對的是熱動(dòng)力機(jī)，而卡諾循環(huán)的反向循環(huán)，即為熱泵循環(huán)。熱泵機(jī)組工作時(shí)，蒸發(fā)器一段總是吸收熱量，而冷凝器一端總是釋放熱量，且兩個(gè)過程是同時(shí)運(yùn)行的。在理想狀態(tài)下，冷凝器一端釋放的熱量要大于蒸發(fā)器一端吸收的熱量。開爾文注意到一個(gè)現(xiàn)象:與電熱絲發(fā)熱相比，消耗同樣的電量，熱泵獲取的熱量要多很多倍，熱泵能流圖如圖2.1所示，當(dāng)時(shí)他把這樣的裝置稱為“能量倍增器”
熱泵熱水裝置原理如2.2圖所示，熱泵只需要消耗少量電能，就能從環(huán)境中的低溫?zé)嵩粗形沾罅棵赓M(fèi)熱能，輸送到水中用于加熱熱水。以某熱泵熱水裝置的典型運(yùn)行參數(shù)為例，當(dāng)環(huán)境空氣溫度為100攝氏度、所制取的熱水溫度為450 攝氏度時(shí)，熱泵僅需消耗掉1份電能Wc，即可從環(huán)境中吸收3.5份的低溫?zé)崮躋l，最終共同生成4.5份450 C的熱能Qh來制取熱水。
根據(jù)熱泵熱水裝置原理，并參照熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律，圖中的三個(gè)參數(shù)滿足:
Qh=Ql+Wc (2.1)
式中Qh——熱泵的制熱量，即用來加熱熱水的熱量;
Ql——熱泵從低溫?zé)嵩粗形盏臒崃?
Wc——熱泵消耗的電能。
熱泵熱水裝置的性能系數(shù)，也稱為制熱系數(shù)，是熱泵熱水裝置的熱效率或能源效率指標(biāo)，計(jì)算方式為熱水獲得的熱能與壓縮機(jī)消耗的電能之比，通常用
由式(2.3)可知，熱泵的性能系數(shù)COP值恒大于1，所以熱泵熱水裝置的熱效率必然大于100%，實(shí)際上熱泵的COP值通常為3.08.0，即熱泵熱水裝置的熱效率通常為300%到800%。而燃?xì)鉄崴骱碗姛崴鞯男室话阈∮?00%,太陽能熱水器的折合效率為300%，故使用熱泵熱水裝置能夠節(jié)約大量電能。
