第一章　热泵技术介绍

第一节　能源的品位

能量不仅有数量多少的不同，还有品质高低的差别。品质高的能源做功能力强，称为高品位能源，例如机械能、电能就可以完全转化为功，属于高品位能源；反之，品质低的能源做功能力弱，称为低品位能源，例如热能只有部分做功能力，只能部分转化为功，属于低品位能源。

不同状态的热能其品位是不同的，如高温高压水蒸气的品位比低温低压水蒸气的品位高。在高于环境温度的状态下，高温热能的品位比低温热能的品位高，越接近环境温度的热能，其品位越低，例如地下水、地下土壤以及江河湖海等地表水中的热能；与环境温度平衡的热能没有任何做功能力，其品位是最低的，例如空气中的热能。但如果热能的温度低于环境温度，它就又开始有了做功能力，这时温度越低的热能品位反而越高。

热力学有两个基本的定律，即热力学第一定律和热力学第二定律，这两个定律分别对能量在数量上和品质上的特性进行了概括。

热力学第一定律即能量守恒定律，它概括了能量在数量上的特有规律。在自然界里，能量的总量不变，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个地方跑到另一个地方。

热力学第二定律则概括了能量在品质上的特性。在自然状态下，热量只能自发地从高温物体传给低温物体，而不可能自发地从低温物体传给高温物体；进一步讲，高品位能量可以自发地转化为低品位能量，而低品位能量不可能自发地、完全地转化为高品位能量。

例如，机械能可以全部转化为热能，但热能却不能连续地全部转化为机械能；热能只能有一部分转化成更高品位的机械能，其余部分则要转化成更低品位（温度更低）的热能。

一、热能做功的能力

如图1-1所示，在利用热能做功时，热量（Q1）由高温热源（温度为T1）释放出来，一部分转化为功（W），就是机械能；另一部分（Q2）则传给低温热源（温度为T2）。由于T2低于T1，因此品位变得更低了，这部分低品位的热能通常也称为冷源损失。

由于能量是守恒的，因此

那么，利用温度为T1的热源可以将Q1这么多热量转化为机械能的数量是

要把热能转化为机械能，即用热能做功，不仅要有高温热源，即热能的来源，还要有一个低温的热源，即低品位热能的去处。那么，如果高温热源和低温热源确定以后，我们最多可以将多少高温热源的热量（Q1）转化为机械能（W）呢？或者说，最大转化效率（η）是多少呢？

这个问题早在1824年就由法国工程师卡诺给出了答案，这就是卡诺循环的效率：

也就是说，如果从高温热源中取出热量Q1，那么最多只有Q1这么多热量用于做功，转化为机械能，其余的热量都将传给低温热源。这里面的温度指的是热力学温度，单位是K。

不难看出，要让更多的热能转化为高品位的机械能，就要尽可能提高高温热源的温度T1，尽可能降低低温热源的温度T2。

在实践中，经常以环境大气（温度T0）作为低温热源，那么高温热源的温度越高，热能转化为机械能的效率就越高。

利用燃料燃烧做功也只能利用燃料所含热能的一部分，其余部分则要变成低品位的热能，这些低品位的热能最终扩散到大气环境中被浪费掉。通过热泵技术可以将这些被浪费掉的低品位热能利用起来。

二、有用能与无用能

根据能量的做功能力可以将它分为三种类型：

①可以完全转化为功的能量，如机械能、电能等，这些能量理论上可以百分之百地转化为功或其他形式的能量，其品位是最高的。

②可部分转化为功的能量，如热能、煤及天然气等化石燃料所拥有的化学能，这些能量只能部分转化为功或其他形式的能量。

③不能转化为功的能量，如大气环境温度状态下的热能以及上述电厂产生的乏汽中的热能，这种能量只有量，没有质，不能做任何功。

能量中可转化为功的部分就是有用能，热力学中称为“㶲”；能量中不能转化为功的部分就是无用能，称为“㷻”。“㷻”就是品位特别低的能源。

在燃煤发电厂中，煤所拥有的化学能以及它们燃烧产生的高温热能就属于第二种能量，即可部分转化为功的能量。这些热能绝大部分（90%左右）给了锅炉中产生的水蒸气，这些水蒸气中所含有的能量也属于第二种能量。它们通过蒸汽轮机做功后，一部分转化为电能，即可以完全转化为功的第一种能量，这部分能量就是水蒸气的“㶲”；另一部分则转化为乏汽的热能，即不能转化为功的第三种能量，这部分能量就是水蒸气的“㷻”。

“㷻”虽然品位特别低，但数量却特别巨大。所有我们使用过的能量，不论是用于加热的，还是用来做功的、发电的、发光的，其实数量一点都没有少，只不过最后都变成了“㷻”。

利用热能做功时，低温热源的温度（T2）越低越好，而在自然界中，大气环境是我们能够选择的最低温度的低温热源。这是因为大气环境是最基本的状态，所有能量在经过相关转化过程后最终都释放到大气环境中，要想得到比大气环境温度更低的热源，我们需要消耗额外的能量。为了衡量某种能量中可用能也就是㶲的多少，我们用这种能量从某一状态可逆地变化到环境温度状态时对外界所能做的最大功来表示㶲的大小。

当热源温度T1高于环境温度T0时，从热源T1中取得热量Q1，通过可逆过程对外界能够做出的最大功就是热量Q1中含有的㶲Ex。根据公式（1-3），则有：

上述可逆变化是指从初始状态变化到最终状态后，还能从最终状态沿着原来的变化路线再回到初始状态。可逆变化不会产生任何能量损失，是一种理想状态；自然界中不存在可逆的变化过程，所有变化过程都是不可逆的。如果在能量转化过程中产生摩擦、散热、温差、压差等情况，这些过程就不可逆了。例如，如果100℃的热水通过换热器将热量传给50℃的热水，即使没有任何热量损失，也是不可逆的变化过程，因为50℃的热水已经不可能再将热量传给100℃的热水了。

三、能量贬值原理

热力学第二定律指出，在自然状态下，热量只能从高温物体传给低温物体，高品位能量只能自动转化为低品位能量；所以在使用能量的过程中，能量的品位总是不断地降低。因此热力学第二定律也称为能量的贬值原理。

在使用各种设备利用能量的过程中，无论是加热还是做功，都会不可避免地产生各种能量损失。能量的损失大体可以分为四种：设备散热、设备生热、设备排热和能量品位下降。

1.设备散热

设备内部的热能会通过辐射、对流、热传导等传热方式从设备的表面向外散失，这些能量最后都扩散到大气环境中，成为品位最低的无用能（㷻）。

2.设备生热

这部分损失就是设备的内耗。设备的摩擦、设备内部压力和温度的波动、设备的频繁启停等都会使品位较高的机械能变成品位很低的热能，这些热能不但没有用处，有时候还要设置专门的冷却装置将它们带走。

3.设备排热

设备产生的各种烟气、灰渣、冷却水等都会带走大量的热量，例如锅炉和工业炉的烟气、炉渣，汽轮机的排汽以及各种工业半成品和产成品等。这些热量的排出比较集中，有利于回收利用，而设备的散热和生热一般是无法回收利用的。

4.能量品位下降

这部分损失的实质就是对能量“降格”使用。

例如，在城市集中供热的系统中，先用电厂200℃左右的蒸汽将一次热网的循环水加热至100～130℃，再用一次热网循环水将二次热网循环水加热至60～80℃，最后，由二次热网循环水向建筑室内供热。在这个过程中，如果不考虑换热设备和管道的散热，就没有其他能量损失；能量的总量没变，但是能量的品位下降了，需要的是80℃的热量，提供的是200℃的热量，热量被人们主动地降格使用，浪费了能量。

再如，在锅炉或工业炉中，如果冷空气侵入炉膛，就会使炉内烟气温度降低，热能的总量虽然没变，但热能的品位下降，烟气做功和加热的能力也随之下降。这种情况下能量是被动地“降格”，也浪费了能量。

这种造成可用能损失的过程是不可逆的过程，所以这种可用能的损失也称为不可逆损失。不可逆损失有以下几种：

①热量从高温传向低温，直至接近环境温度。

②液体从压力高处流向压力低处，直至接近与环境相平衡的压力。

③物质从浓度高处扩散转移到浓度低处，直至接近与环境相平衡的浓度。

④物体从高的位置降落到稳定的位置。

⑤电荷从高电位迁移到接近于环境的电位。

由于能量是守恒的，因此能量的品位虽然总是不断降低，但是总量并没有减少。我们无论以哪种方式利用燃料燃烧所产生的热能，这些能量都没有消失，只是温度越来越低，最终被释放到大气环境中，变成品位最低的环境温度（T0）状态的热能了。这些热能在被释放到大气环境之前，虽然还有一定的品位，但品位很低，通常无法直接利用。要想利用它们，就要借助一定的设备和手段，例如热泵技术。热泵技术是一种典型的利用低品位能源的技术，利用它可以回收能量的各种边角料，但需要以消耗一定的高品位能源为代价。