制冷又制热!吸收式热泵这么厉害,原理你知道吗?

(文章来源《院士讲科学》,该书由《知识就是力量》杂志社总策划,科学普及出版社出版)

专家:江亿,建筑环境工程专家,中国工程院院士。现为ECBCS理事会中国代表,Annex59主持人,清华大学建筑节能研究中心主任,国务院能源咨询专家委员会委员,中国气候变化专家委员会委员,IPCC第五版第三卷第九章(建筑节能减排)写作组成员,主要研究领域为建筑节能。

我们都知道,根据热力学第二定律,热只能从温度高的地方向温度低的地方传递。而如果我们想要让这个过程逆转,要怎么办呢?

聪明的科学家们找到一个好办法!!那就是——使用热泵技术。先进的吸收式热泵,可以在无需机械做功的情况下实现热泵功能。它这被认为是一种有利于建筑物节能的技术,也是未来城市建筑节能的发展趋势。

打破热力学第二定律

热量也能从低温向高温传

热力学第二定律告诉我们,热只能从温度高的地方向温度低的地方传递。所以,将一桶热水放在室温下,它只会越来越凉,让屋子的温度略有上升,而不是反过来,让屋子温度更低而水变得更热。在日常生活中,这样的热传递随时随地都在发生,而在这些热传递背后,都有热力学第二定律的影子。

但有没有办法调转热传递的顺序,让热量从低温向高温传呢?答案是肯定的,热泵的功用便是如此。近年来,很多追求节能的建筑物都会用到热泵技术,它可以把热量从温度较低的地方传输到较高的地方去,就像水泵从低处抽水到高处,改变了“水往低处流”的自然规律一样,“热泵”之名因此而来。生活中比较常见的热泵是电动压缩式热泵,比如空气源热泵和水源热泵。这些热泵的原理,是通过机械做功,从较低温度下提取热量,在较高的温度下排放。

不需要其他能源的吸收式热泵

相比于传统的制热方式,压缩式热泵已经比较节能,但它同样需要电能。那么,是否有可能制造一种完全不需要电能的热泵呢?吸收式热泵便是一种这样的设备。它的原理,是让一部分高温下的热量传递到较低温度下释放,形成驱动能力,使另一部分热量从低温提升,在较高温度下释放,从而不用机械做功便实现热泵的功能。也就是说,吸收式热泵是由热能本身直接驱动的,无需其他能源。

“以热制冷”,吸收式热泵的原理

一台吸收式热泵,包括了发生器、冷凝器、吸收器和蒸发器4个部分。以最常见的使用“溴化锂-水”为工质对的吸收式热泵为例,热水或者蒸汽首先进入发生器中的盘管,盘管外面与发生器外壳之间则是真空的,装有溴化锂的水溶液。在真空条件下,水会更容易沸腾,盘管中的热会使(一部分)水被蒸发出来,成为水蒸气。由水蒸气凝结成的水滴,又进入了蒸发器。蒸发器与吸收器之间是连通的,在真空环境下,蒸发器中的纯水会再次汽化,与吸收器中的溴化锂结合,重新成为稀溶液。在这个过程中,由于纯水的再次汽化,蒸发器盘管中的水被冷却了,确切地说,它的热量被吸入了吸收器。于是,人们实现了“以热制冷”的目标。

吸收式热泵的基本原理就是如此。它以一部分热量从高温往低温传输为代价,使得另外一股热量能够从低温往高温传输,而且整个过程没消耗电或者机械功。