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热泵的应用形式及优缺点剖析
热泵的应用形式及优缺点剖析
来源:制冷快报(bao.hvacr.cn)    2010-11-9
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  众所周知,热泵作为提供热量的主要设备之一,以其对环境友善及节约能源等特点,在许多领域得到了广泛的应用。在本文中。空调制冷大市场专家首先向我们介绍了热泵的发展历史,介绍了热泵的种类、特点、使用场合及条件,对几种主要热泵在应用过程中存在的问题进行了讨论,分析了热泵技术的研究进展、应用现状及相关新技术。

 

  1、热泵与制冷机

 

  1、热泵与制冷机

 

  热泵是一种以冷凝器放出的热量对被调节环境进行供热的一种制冷系统。就热泵系统的热物理过程而言,从工作原理或热力学的角度看,它是制冷机的一种特殊使用型式。它与一般制冷机的主要区别在于:

 

  ①使用的目的不同。热泵的目的在于制热,研究的着眼点是工质在系统高压侧通过换热器与外界环境之间的热量交换;制冷机的目的在于制冷或低温,研究的着眼点是工质在系统低压侧通过换热器与外界之间的换热;

 

  ②系统工作的温度区域不同。热泵是将环境温度作为低温热源,将被调节对象作为高温热源;制冷机则是将环境温度作为高温热源,将被调节对象作为低温热源。因而,当环境条件相当时,热泵系统的工作温度高于制冷系统的工作温度。

 

  2、热泵的由来及主要应用型式

 

  2.1热泵的由来

 

  随着工业革命的发展,19世纪初,人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家J.P.Joule提出了“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1854年,W.Thomson教授(即大家熟知的LordKelvin勋爵)发表论文,提出了热量倍增器(HeatMultiplier)的概念,首次描述了热泵的设想。

 

  当时,热泵供暖的对象主要是民用,供暖需求总量小,特别是对由于采暖方式及其对环境的影响尚没有足够的意识。人们采暖的方式主要是燃煤和木材,因而,热泵的发展长期明显滞后于制冷机的发展。

 

  上世纪30年代,随着氟利昂制冷机的发展,热泵有了较快的发展。特别是二战以后,工业经济的长足发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺,促进了大型供热及工业用热泵的发展。1973年的全球性能源危机,进一步促进了热泵在全世界范围内的发展。

 

  2.2热泵的主要应用型式

 

  按照热泵系统的热力循环型式,通常将热泵分为如下六类:

 

  ①蒸气压缩式热泵

 

  与制冷机一样,蒸气压缩式系统也是热泵最主要的应用型式。按照低温热源与供热介质的组合方式不同,蒸气压缩式热泵系统又分为空气——空气热泵、空气——水热泵、水——水热泵、水——空气热泵、地热——空气热源热泵和土壤热源——水热泵等几种主要应用型式。

 

  ②气体压缩式热泵

 

  与蒸气压缩式系统热泵不同的是,在这类热泵系统中,工作介质的工作区域为过热区。对于气体压缩式热泵系统,目前主要以二氧化碳、湿空气作为工作介质的热泵系统及相关技术,是相关领域研究的两类热点课题。使用湿空气作为工作介质的空调热泵系统及装置,以往主要用于航天方面,例如作为飞机客舱的空气调节用冷、热源设备。对于使用湿空气作为工作介质的空调热泵系统在普通工业或民用建筑环境调节应用的可能性,作者曾经作文探讨。

 

  ③蒸气喷射式热泵

 

  蒸气喷射式热泵的工作与原理与蒸气压缩式热泵基本相同,只是由蒸气喷射器代替压缩机。这种热泵主要用于热电厂综合热能利用中,与吸收式热泵相比,这种热泵效率较低,目前较少采用。

 

  ④吸收式热泵

 

  吸收式热泵是一种利用低品位热源实现将热量从低温热源泵送向高温热源的循环系统。常用的工质对是“水-溴化锂(其中,以溴化锂稀溶液为工质,以溴化锂浓溶液为吸收剂)”、“氨-水(其中,以氨为工质,以水吸收剂)”、“水-氯化钙(其中,以铝化钙稀溶液为工质,以氯化钙浓溶液为吸收剂)”。

 

  ⑤热电式热泵

 

  热电式热泵又称为温差电热泵。它是利用Peltier效应,即当直流电通过了两种不同导体组成的回路时,就会在回路的两个连接端产生温差现象。

 

  热电式热泵具有无运动部件,工作可靠,寿命长,控制调节方便,振动小,噪声低,对环境污染小等特点,但热电堆的成本较高而且效率较低,因而主要用于一些特殊场合。

 

  ⑥太阳能热泵

 

  这种热泵以太阳能集热器作为热源。图3所示的是其中一种方案的太阳能热泵流程。

 

  除上述几种热泵外,还有化学热泵和吸附式热泵、涡流管热泵等其它主要用于一些特殊场合的其它形式的热泵。

 

  3、主要问题及应用现状

 

  蒸气压缩式热泵是目前商业化应用最为广泛的一种热泵。主要以空气、水或大地作为低温热源。

 

  3.1空气源热泵(AirSourceHeatPump

 

  以空气作为热源的热泵称为空气源热泵或气源热泵(AirSourceHeatPumpASHP)。通常制作成能够供冷、供热的两用循环系统。

 

  ASHP需要依据给定的气候条件来设计,使其容量及效率在较宽的环境温度范围内达到保证。由此,需要在性能上解决这样一对矛盾,就是当需要供量最大时的空气源的温度最低,同时机组的容量及效率也最低。

 

  此外,ASHP机组需要充分考虑不同循环条件下,节流机构的参数选择以及室内外两个换热器之间的合理匹配问题。以机组生命周期内的总费用最低为目标,作者推荐了以空气处理参数作为ASHP系统室内外两个换热器之间的匹配的原则的方法。

 

  在确定机组的容量时,对于一般地区而言,由于空调负荷大于采暖负荷,因而,根据空调制冷负荷确定即可。对于寒冷地区用户,在一定的时间内,空调负荷可能不再大于采暖负荷。在这种条件下,可以根据情况采取两种处理方法:一是以极端供热负荷及其对应的环境条件与机组的运行条件确定机组容量;二是仍然以空调制冷负荷确定机组容量,在机组供热量不能满足供热的条件下,采取补充辅助加热措施。文献[7]推荐的确定起动辅助加热措施的条件是“热泵系统的运行效率约为1.52.0”时。

 

  对于冬冷夏热的湿热地区,需要考虑的另外一个问题就是ASHP机组室外侧换热器的结霜以及由此带来的一系列问题。一般认为,环境温度在-5~5℃区间,为易结霜区,需要特别关注。

 

  3.2水源热泵(WaterSourceHeatPump

 

  以水作为热源的热泵称作为水源热泵(WaterSourceHeatPumpWSHP)。通常以海水、河水、湖水及井水作为低温热源。由于水的温度变化较小,水源热泵的性能通常要比ASHP的性能好而且稳定。目前,以污水处理场凉水池的水作为低温热源的热泵系统已经在实际工程中采用,而且经济性能良好。

 

  以海水、河水或湖水作为低温热的热泵,一方面受自然条件的制约,另一方面,需要在热泵系统中,采取水处理及防腐措施。

 

  目前,以井水作为低温热源的热泵系统,是水源热泵机组和系统研究及应用的热点。井水特别是深井水,全年温度基本稳定而且水质良好,是热泵系统比较理想的低温热源,在工程中采用较多。但是这种系统有可能存在回水困难、回水污染及破坏地下水生态资源等环境问题。从可持续发展的角度,这是一种不宜采用的方式。实际上,在许多国家地区,已有相应的法律,禁止采用地下水资源作为热泵系统的低温热源。

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