熱泵應(yīng)用及熱泵技術(shù)分析

1 熱泵與制冷機(jī)

    熱泵是一種以冷凝器放出的熱量對被調(diào)節(jié)環(huán)境進(jìn)行供熱的一種制冷系統(tǒng)。就熱泵系統(tǒng)的熱物理過程而言，從工作原理或熱力學(xué)的角度看，它是制冷機(jī)的一種特殊使用型式。它與一般制冷機(jī)的主要區(qū)別在于：

    ①使用的目的不同。熱泵的目的在于制熱，研究的著眼點是工質(zhì)在系統(tǒng)高壓側(cè)通過換熱器與外界環(huán)境之間的熱量交換；制冷機(jī)的目的在于制冷或低溫，研究的著眼點是工質(zhì)在系統(tǒng)低壓側(cè)通過換熱器與外界之間的換熱；

    ②系統(tǒng)工作的溫度區(qū)域不同。熱泵是將環(huán)境溫度作為低溫?zé)嵩矗瑢⒈徽{(diào)節(jié)對象作為高溫?zé)嵩?；制冷機(jī)則是將環(huán)境溫度作為高溫?zé)嵩矗瑢⒈徽{(diào)節(jié)對象作為低溫?zé)嵩?。因而，?dāng)環(huán)境條件相當(dāng)時，熱泵系統(tǒng)的工作溫度高于制冷系統(tǒng)的工作溫度。
   
    2 熱泵的由來及主要應(yīng)用型式

    2.1 熱泵的由來

    隨著工業(yè)革命的發(fā)展，19世紀(jì)初，人們對能否將熱量從溫度較低的介質(zhì)“泵”送到溫度較高的介質(zhì)中這一問題發(fā)生了濃厚的興趣。英國物理學(xué)家J.P.Joule提出了“通過改變可壓縮流體的壓力就能夠使其溫度發(fā)生變化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的Lord Kelvin勛爵）發(fā)表論文，提出了熱量倍增器（Heat Multiplier）的概念，首次描述了熱泵的設(shè)想。

    當(dāng)時，熱泵供暖的對象主要是民用，供暖需求總量小，特別是對由于采暖方式及其對環(huán)境的影響尚沒有足夠的意識。人們采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，熱泵的發(fā)展長期明顯滯后于制冷機(jī)的發(fā)展。

   上世紀(jì)30年代，隨著氟利昂制冷機(jī)的發(fā)展，熱泵有了較快的發(fā)展。特別是二戰(zhàn)以后，工業(yè)經(jīng)濟(jì)的長足發(fā)展帶來的對供熱的大量需求及相對能源短缺，促進(jìn)了大型供熱及工業(yè)用熱泵的發(fā)展。1973年的環(huán)球性能源危機(jī)，進(jìn)一步促進(jìn)了熱泵在全世界范圍內(nèi)的發(fā)展。

    2.2 熱泵的主要應(yīng)用型式

    按照熱泵系統(tǒng)的熱力循環(huán)型式，通常將熱泵分為如下六類：

    ①蒸氣壓縮式熱泵

    與制冷機(jī)一樣，蒸氣壓縮式系統(tǒng)也是熱泵較主要的應(yīng)用型式。按照低溫?zé)嵩磁c供熱介質(zhì)的組合方式不同，蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)又分為空氣——空氣熱泵、空氣——水熱泵、水——水熱泵、水——空氣熱泵、地?zé)?mdash;—空氣熱源熱泵和土壤熱源——水熱泵等幾種主要應(yīng)用型式。

    ②氣體壓縮式熱泵

    與蒸氣壓縮式系統(tǒng)熱泵不同的是，在這類熱泵系統(tǒng)中，工作介質(zhì)的工作區(qū)域為過熱區(qū)。對于氣體壓縮式熱泵系統(tǒng)，目前主要以二氧化碳、濕空氣作為工作介質(zhì)的熱泵系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)，是相關(guān)領(lǐng)域研究的兩類熱點課題。使用濕空氣作為工作介質(zhì)的空調(diào)熱泵系統(tǒng)及裝置，以往主要用于航天方面，例如作為飛機(jī)客艙的空氣調(diào)節(jié)用冷、熱源設(shè)備。對于使用濕空氣作為工作介質(zhì)的空調(diào)熱泵系統(tǒng)在普通工業(yè)或民用建筑環(huán)境調(diào)節(jié)應(yīng)用的可能性，作者曾經(jīng)作文探討。

    ③蒸氣噴射式熱泵

    蒸氣噴射式熱泵的工作與原理與蒸氣壓縮式熱泵基本相同，只是由蒸氣噴射器代替壓縮機(jī)。這種熱泵主要用于熱電廠綜合熱能利用中，與吸收式熱泵相比，這種熱泵效率較低，目前較少采用。

    ④吸收式熱泵

    吸收式熱泵是一種利用低品位熱源實現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩幢盟拖蚋邷責(zé)嵩吹难h(huán)系統(tǒng)。常用的工質(zhì)對是“水-溴化鋰（其中，以溴化鋰稀溶液為工質(zhì)，以溴化鋰濃溶液為吸收劑）”、“氨-水（其中，以氨為工質(zhì)，以水吸收劑）”、“水-氯化鈣（其中，以鋁化鈣稀溶液為工質(zhì)，以氯化鈣濃溶液為吸收劑）”。

    ⑤熱電式熱泵

    熱電式熱泵又稱為溫差電熱泵。它是利用Peltier效應(yīng)，即當(dāng)直流電通過了兩種不同導(dǎo)體組成的回路時，就會在回路的兩個連接端產(chǎn)生溫差現(xiàn)象。

    熱電式熱泵具有無運動部件，工作可靠，壽命長，控制調(diào)節(jié)方便，振動小，噪聲低，對環(huán)境污染小等特點，但熱電堆的成本較高而且效率較低，因而主要用于一些特殊場合。

    ⑥太陽能熱泵

    這種熱泵以太陽能集熱器作為熱源。圖3所示的是其中一種方案的太陽能熱泵流程。

    除上述幾種熱泵外，還有化學(xué)熱泵和吸附式熱泵、渦流管熱泵等其它主要用于一些特殊場合的其它形式的熱泵。

    3 主要問題及應(yīng)用現(xiàn)狀

    蒸氣壓縮式熱泵是目前商業(yè)化應(yīng)用較為廣泛的一種熱泵。主要以空氣、水或大地作為低溫?zé)嵩础?/p>

    3.1 空氣源熱泵（Air Source Heat Pump）

    以空氣作為熱源的熱泵稱為空氣源熱泵或氣源熱泵（Air Source Heat Pump，ASHP）。通常制作成能夠供冷、供熱的兩用循環(huán)系統(tǒng)。

    ASHP需要依據(jù)給定的氣候條件來設(shè)計，使其容量及效率在較寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)達(dá)到保證。由此，需要在性能上解決這樣一對矛盾，就是當(dāng)需要供量較大時的空氣源的溫度較低，同時機(jī)組的容量及效率也較低。

    此外，ASHP機(jī)組需要充分考慮不同循環(huán)條件下，節(jié)流機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇以及室內(nèi)外兩個換熱器之間的合理匹配問題。以機(jī)組生命周期內(nèi)的總費用較低為目標(biāo)，作者推薦了以空氣處理參數(shù)作為ASHP系統(tǒng)室內(nèi)外兩個換熱器之間的匹配的原則的方法。

    在確定機(jī)組的容量時，對于一般地區(qū)而言，由于空調(diào)負(fù)荷大于采暖負(fù)荷，因而，根據(jù)空調(diào)制冷負(fù)荷確定即可。對于寒冷地區(qū)用戶，在一定的時間內(nèi)，空調(diào)負(fù)荷可能不再大于采暖負(fù)荷。在這種條件下，可以根據(jù)情況采取兩種處理方法：一是以極端供熱負(fù)荷及其對應(yīng)的環(huán)境條件與機(jī)組的運行條件確定機(jī)組容量；二是仍然以空調(diào)制冷負(fù)荷確定機(jī)組容量，在機(jī)組供熱量不能滿足供熱的條件下，采取補(bǔ)充輔助加熱措施。文獻(xiàn)[7]推薦的確定起動輔助加熱措施的條件是“熱泵系統(tǒng)的運行效率約為1.5至2.0”時。

    對于冬冷夏熱的濕熱地區(qū)，需要考慮的另外一個問題就是ASHP機(jī)組室外側(cè)換熱器的結(jié)霜以及由此帶來的一系列問題。一般認(rèn)為，環(huán)境溫度在-5~5℃區(qū)間，為易結(jié)霜區(qū)，需要特別關(guān)注。

    3.2 水源熱泵（Water Source Heat Pump）

    以水作為熱源的熱泵稱作為水源熱泵（Water Source Heat Pump，WSHP）。通常以海水、河水、湖水及井水作為低溫?zé)嵩?。由于水的溫度變化較小，水源熱泵的性能通常要比ASHP的性能好而且穩(wěn)定。目前，以污水處理場涼水池的水作為低溫?zé)嵩吹臒岜孟到y(tǒng)已經(jīng)在實際工程中采用，而且經(jīng)濟(jì)性能良好。

以海水、河水或湖水作為低溫?zé)岬臒岜?，一方面受自然條件的制約，另一方面，需要在熱泵系統(tǒng)中，采取水處理及防腐措施。

    目前，以井水作為低溫?zé)嵩吹臒岜孟到y(tǒng)，是水源熱泵機(jī)組和系統(tǒng)研究及應(yīng)用的熱點。井水特別是深井水，全年溫度基本穩(wěn)定而且水質(zhì)良好，是熱泵系統(tǒng)比較理想的低溫?zé)嵩?，在工程中采用較多。但是這種系統(tǒng)有可能存在回水困難、回水污染及破壞地下水生態(tài)資源等環(huán)境問題。從可持續(xù)發(fā)展的角度，這是一種不宜采用的方式。實際上，在許多國家地區(qū)，已有相應(yīng)的法律，禁止采用地下水資源作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩础?/p>

    3.3 土壤熱源熱泵（Soil Heat Pump）

    土壤熱源熱泵（Soil Heat Pump，SHP）以大地作為其低溫?zé)嵩?。通常是將制冷盤管理入地下，盤管與土壤進(jìn)行熱量交換，熱泵系統(tǒng)自成封閉式系統(tǒng)。根據(jù)埋管的形式不同，這種系統(tǒng)又分為橫埋和豎埋（又稱為直埋）兩種方式。

    SHP存在如下不足：

    ①造價昂貴，施工條件苛刻；
    ②可能泄漏，以引起土地污染；
    ③可能引起土地的大面積龜裂。

    在工程上，一個可以借鑒的做法是，把管長約100米、直徑約15厘米的管子作為一組，埋入地下。并通過一組小的內(nèi)套管將水送到大管子的底部。

    3.4 太陽能熱泵（Solar Heat Pump）

    太陽能熱泵（Solar Heat Pump）以太陽能集熱器作為熱泵系統(tǒng)的低溫溫度。圖3是一種方案的太陽能熱泵系統(tǒng)流程示意。這是一種能夠從更低溫度的環(huán)境中有效吸取熱量的系統(tǒng)。在系統(tǒng)做熱泵運行時，儲水槽中的水作為系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?。如果儲水槽容量設(shè)計合理的話，即使水溫降低到5℃時，仍然可以有效使用，而且，由于水溫較低，使得太陽能集熱器能夠在較低的溫度下工作，從而增加了它的熱吸收率。

    太陽能熱泵的不足在于它無法同時實現(xiàn)有效制冷循環(huán)而成為實際上的單用系統(tǒng)。

    此外，如果太陽能熱泵同時提供生活用熱水的話，需要考慮兩個系統(tǒng)的分配與轉(zhuǎn)換問題。同時，在高緯度地區(qū)使用時，存在生活用水溫度太高的可能性，為此，在系統(tǒng)中必須考慮采取防高溫水灼傷等措施。

    4 部分熱泵新技術(shù)簡介

    熱泵新技術(shù)研究主要是圍繞提高熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)效率、提高熱泵系統(tǒng)的環(huán)境友善程度和處理空氣品質(zhì)等方面展開的。部分技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于相關(guān)產(chǎn)品及系統(tǒng)中。相關(guān)新技術(shù)主要包括：

    ①室外側(cè)換熱器結(jié)霜控制、表面納米材料及其表面修飾工藝技術(shù)
    通過對室外側(cè)換熱器的外表面進(jìn)行納米材料修飾，使得霜水呈球狀凝結(jié)，從而減小凝霜或凝水在換熱器外表面凍結(jié)的機(jī)會。

    ②大壓差、非穩(wěn)定運行條件下高效熱泵壓縮機(jī)技術(shù)
    主要包括渦旋壓縮機(jī)柔性導(dǎo)入結(jié)構(gòu)、機(jī)體噴液降溫及吸排氣壓力自我辨識和自適應(yīng)分液調(diào)節(jié)技術(shù)，從而適應(yīng)大壓差、非穩(wěn)定運行條件。

    ③熱泵自適應(yīng)空況控制技術(shù)
    根據(jù)熱泵系統(tǒng)熱動力運行特性，確定系統(tǒng)的自我狀況診斷和自適應(yīng)空況調(diào)節(jié)控制。從該項技術(shù)在ASHP系統(tǒng)中應(yīng)用效果看，能夠明顯提高系統(tǒng)的SEER指標(biāo)。配合新的流程[11]，該項技術(shù)在保證ASHP系統(tǒng)低溫環(huán)境條件下的有效供熱方面，效果明顯。

    ④納米填料靜音技術(shù)

    通過納米材料及微納米填料，消除工質(zhì)在節(jié)流過程、冷凝過程及蒸發(fā)過程中由于相變而導(dǎo)致相界間能量傳遞產(chǎn)生的噪聲和振動。

    ⑤可吸入顆粒物納米催化及分解技術(shù)

    通過在熱泵與空調(diào)系統(tǒng)空氣處理末端進(jìn)、出風(fēng)界面上進(jìn)行綱伙材料修飾，使空氣中的可吸入顆粒物經(jīng)過納米催化分解而使空氣得以凈化。

    ⑥全空氣熱泵技術(shù)

    采用濕空氣的跨臨界膨脹的熱力循環(huán)的全空氣熱泵空調(diào)系統(tǒng)?？諝馔瑫r作為工作介質(zhì)和能量交換介質(zhì)。采用無油壓縮設(shè)備及工藝技術(shù)，將使得此系統(tǒng)有著極好的環(huán)境友善性能。

    ⑦納米催化高效吸收技術(shù)

    利用具有均勻性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度多孔性納米材料作為吸收器和發(fā)生器的填料，可以提高吸收效率和發(fā)生效率及速率，從而使得吸收時制冷機(jī)或吸收式熱泵機(jī)組的小型化稱為可能。以三氯化鐵和氫氧化鈉為原料，利用溶膠-凝膠過程和超臨界干燥技術(shù)，經(jīng)過鐵基氣溶膠基本粒子b-FeOOH，再經(jīng)高溫處理后轉(zhuǎn)化為a-Fe2O3-SiO2為基質(zhì)的低密度多孔性納米材料是一種可能的納米催化高效吸收填料。

    ⑧高效率、低污染燃燒技術(shù)

    燃燒器表面經(jīng)過鈦基納米粒子修飾后，在納米粒子的催化作用，可以對燃燒反應(yīng)條件進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，從而使天然氣的燃燒更快、更充分，與此同時，抑制氮氧之間的反應(yīng)，從而使燃燒反應(yīng)中間產(chǎn)物（及污染物）減少，提高燃燒效率。

    ⑨熱泵壓縮機(jī)柔性吸、排氣靜音技術(shù)

    壓縮機(jī)式制冷或熱泵系統(tǒng)噪聲與振動的主要源泉。壓縮機(jī)吸、排氣環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的噪聲頻率特性以其結(jié)構(gòu)及材料不同而不同。實驗證明，采用柔性吸、排氣通道結(jié)構(gòu)，可以減少制冷或熱泵機(jī)組噪聲，并改善它在系統(tǒng)中的傳輸特性。

    ⑩往復(fù)式壓縮機(jī)吸氣回流增阻技術(shù)等。

    對于往復(fù)式壓縮機(jī)來說，在壓縮機(jī)吸氣側(cè)的工質(zhì)回流是造成壓縮機(jī)吸氣側(cè)腔內(nèi)工質(zhì)壓力脈動的主要因素之一，由它產(chǎn)生的氣流脈動可以從低壓側(cè)傳輸?shù)礁邏簜?cè)。采用回流增阻結(jié)構(gòu)的吸氣通道，可以降低壓縮機(jī)產(chǎn)生的噪聲及振動，并使壓縮機(jī)的效率有所提高。

    (11)礦物油極性強(qiáng)化技術(shù)

    礦物油極性較弱，與同樣弱極性的CFCS類工作介質(zhì)相溶性良好，是工質(zhì)替代問題出現(xiàn)之前應(yīng)用廣泛的制冷系統(tǒng)用潤滑油。作為CFCS類工質(zhì)的的主要替代物，HFCS類工質(zhì)的化學(xué)極性較強(qiáng)，因而需要使用具有較強(qiáng)極性的潤滑油（如POE油），由此帶來許多問題。
礦物油極性強(qiáng)化技術(shù)使之用于采用HFCS類工質(zhì)（及以HFCS類工質(zhì)為主要成分的混合類工質(zhì)）的制冷系統(tǒng)成為可能。

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