空氣源熱泵原理及關鍵技術分析

發布時間: 2018-10-08
所屬欄目: 空氣能學院
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首先,什么是熱泵?它是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能,經過電力做功,提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。簡潔地說,熱泵就是對自然界的能量進行“搬運”,供應在我們所需要的地方的技術,比如供暖。

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熱泵根據其吸收能量的來源(熱源)不同,可以分為空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵等。而空氣源熱泵,以其各種優勢,已經廣泛地被認為是未來最有發展潛質的新能源技術之一。

熱泵工作原理

190年前,法國工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾,構造了在加熱器與冷凝器之間的一個理想循環:汽缸與加熱器相連,汽缸內的工作物質水和飽和蒸汽就與加熱器的溫度相同,汽缸內的蒸汽如此緩慢地膨脹著,以致在整個過程中,蒸汽和水都處于熱平衡。然后使汽缸與加熱器隔絕,蒸汽絕熱膨脹到溫度降至與冷凝器的溫度相同為止。然后活塞緩慢壓縮蒸汽,經過一段時間后汽缸與冷凝器脫離,作絕熱壓縮直到回復原來的狀態。

這一由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的循環,即后來所稱的“卡諾循環”。

熱泵工作原理

逆卡諾循環,是卡諾循環的逆過程,低溫時做功吸熱,高溫時做負功放熱,將功轉換為熱。也是包括空氣源熱泵在內的所有熱泵的工作原理。同時,這也是我們日常生活中常見的空調、冰箱等制冷系統的工作原理。逆卡諾循環也包括四個步驟,都為可逆過程:絕熱膨脹,在這個過程中系統對環境作功,降溫;等溫膨脹,在這個過程中系統從低溫環境中吸收熱量,同時對環境做與該熱量等量的功;絕熱壓縮,在這個過程中系統對環境作負功,升溫;等溫壓縮,系統恢復原來狀態,在這個過程中系統向高溫環境中放出熱量,同時環境向系統做與該熱量等量的功,即負功。

以空氣源熱泵應用于供暖(水地暖)為例,熱泵機組設備內專置一種吸熱介質——冷媒,它在液化的狀態下低于零下20℃,與外界溫度存在著溫差,因此,冷媒可吸收外界的熱能,在蒸發器內部蒸發汽化,通過熱泵機組中壓縮機的工作提高冷媒的溫度,再通過冷凝器使冷媒從汽化狀態轉化為液化狀態,在轉化過程中,釋放出大量的熱量,傳遞給水箱中的儲備水,使水溫升高,達到制熱水的目的。之后,冷媒經過膨脹閥的節流后,再次變為低溫液態被運送至蒸發器內,進行下一個循環。

理論上講,只要冷媒液化溫度值和環境溫度間存在著溫度差,就能夠吸收熱量。但是,在實際運用過程中,還受到很多因素的制約。

熱泵關鍵技術

從空氣源熱泵工作原理中,我們可以找出幾個關鍵詞:冷媒,蒸發器,壓縮機,冷凝器,熱交換器,膨脹閥等。這也是構成熱泵機組的幾個關鍵性部件。對冷媒大家并不陌生,最常見的就是一度與臭氧層破壞聯系起來的氟利昂。冷媒的作用就是在密閉系統內通過自身物理特性的轉變吸收、釋放溫度。目前,空氣源熱泵機組中,最常見的冷媒是二氟一氯甲烷即R22、R410a、R134A、R407c等四種。冷媒的選擇,以具備無毒、不爆炸、對金屬及非金屬無腐蝕作用、不燃燒、泄漏時易于察覺、化學性安定、對潤滑油無破壞性、具有較高的蒸發潛熱、對環境無害等特點為最理想。

壓縮機,是熱泵機組的“心臟”,理想的熱泵壓縮機能在最低大約-25℃的寒冷環境中穩定運行,并確保在冬季能提供55℃以上乃至60℃的熱水。在反應壓縮機性能方面,噴氣增焓技術是不得不提的。

噴氣增焓系統,是由噴氣增焓壓縮機、噴氣增焓技術、高效過冷卻器組成的新型系統,這三個技術的組合可提供高效的性能,是一個有機的整體。噴氣增焓壓縮機是采用兩級節流中間噴氣技術,采用閃蒸器進行氣液分離,實現增焓效果。它通過中低壓時邊壓縮邊噴氣混合冷卻,然后高壓時正常壓縮,提高壓縮機排氣量,達到低溫環境下提升制熱能力的目的。高效過冷卻器在整個系統中也起到了關鍵性的作用,一方面對主循環回路冷媒進行節流前過冷,增大焓差;另一方面,對輔助回路(這路冷媒將由壓縮機中部導入直接參與壓縮)中經過電子膨脹閥降壓后的低壓低溫冷媒進行適當的預熱,以達到合適的中壓,提供給壓縮機進行二次壓縮。

噴氣增焓壓縮機由谷輪提出,廣泛用在渦旋式壓縮機上,2013年應美芝突破了結構的限制,噴氣增焓也應用在旋轉式壓縮機上。在超低溫空氣源熱泵機組中,噴氣增焓技術有著突出的意義。

可見,每一個部件的質量和效率都很重要,但作為一種清潔能源技術,最終決定空氣源熱泵工作效能的,并不是某一部分的優劣,而是最終取決于各個部件之間能否最優化設計組合、從而實現最高的COP值。

舉例說明,假設在北方霜凍地區,一臺空氣源熱泵配備了國際最先進的壓縮機,能夠保證機組在零下十幾度的環境下啟動制熱,但是,假如在運行了一段時間之后,由于其除霜技術并不智能,那么就有可能出現頻繁除霜導致室內供暖溫度極不均衡甚至直接停止制熱的后果。因此,越來越多的企業已經深刻認識到系統化思維在熱泵生產應用中的必要性和重要性。

此外,考慮到消費者在使用空氣源熱泵采暖時的整體舒適性,機組在降低風機運行噪音方面,同樣是非常重要的。

熱泵相對優勢

空氣源熱泵機組的熱效率一般為300%-500%,以溫升40℃計算,生產一噸熱水約耗電9-15度。而普通電加熱方式需要耗電52度——節能、節省使用費用是空氣源熱泵供暖的重要優勢所在,也是對于消費市場首要的吸引因素。

以目前空氣源熱泵的平均市場售價而言,其初期投資成本相對于燃油、燃氣鍋爐是比較高的,但由于它特殊的節能效果,一般會在一年半以內通過節能方式將成本收回,鍋爐等其它供熱方式一般使用壽命在8—10年,而熱泵機組的使用壽命可長達15年。

空氣源熱泵機組

采用空氣源熱泵來做獨立供暖系統,相對于燃氣等其他采暖方式,在安全性,綜合造價,使用壽命,使用條件限制方面具有明顯優勢,特別是一套空氣源熱泵系統既能滿足冬季的取暖需求,又能滿足夏季的空調制冷需求;使用的能源是最為普及的電力,相比之下,燃氣爐受供氣量,供氣管網等諸多限制;而且從環保性來講,燃氣爐畢竟還是有二氧化碳的排放,而且消耗的是可以做其他用途的高品位能源,而空氣源熱泵消耗的是電力,雖然目前中國的大部分的電力來自非清潔能源——煤,但是,隨著核電、風電、太陽能發電和水電的進一步發展,中國的電力也將變得越來越清潔。另一方面,就目前的應用狀況而言,空氣源熱泵的最大缺點是其制熱量和能效比隨熱源側(室外環境)的溫度下降而衰減。理論情況下,當室外溫度降至零下25度時,大部分空氣源熱泵機組的能效比在180%左右,能效狀況并不理想。但是,目前市場上存在的專門針對嚴寒地區的超低溫空氣源熱泵機組,已經能夠實現在零下15度以上的環境下實現300%以上的能效比,大大拓寬了空氣源熱泵供暖系統的應用范圍。

綜合分析,雖然存在一定的缺陷和限制,但空氣源熱泵作為獨立供暖系統的熱源,具有巨大優勢和廣闊的發展前景。

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