熱泵應(yīng)用型式及技術(shù)分析

  1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，描述了熱泵的設(shè)想[3]。
    當(dāng)時(shí)，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年的性能源危機(jī)，進(jìn)一步促進(jìn)了熱泵在*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    ①蒸氣壓縮式熱泵 ②氣體壓縮式熱泵    ③蒸氣噴射式熱泵 ④吸收式熱泵⑤熱電式熱泵    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。

2 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(diǎn)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(diǎn)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?，將被調(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?，將被調(diào)節(jié)對象作為低溫?zé)嵩础Ｒ蚨?，?dāng)環(huán)境條件相當(dāng)時(shí)，熱泵系統(tǒng)的工作溫度高于制冷系統(tǒng)的工作溫度。

 

    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)用的一種熱泵。主要以空氣、水或大地作為低溫?zé)嵩础?br />    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(jì)，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zui大時(shí)的空氣源的溫度zui低，同時(shí)機(jī)組的容量及效率也zui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(gè)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(fèi)用zui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(gè)換熱器之間的匹配的原則的方法。
    在確定機(jī)組的容量時(shí)，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(shí)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：一是以供熱負(fù)荷及其對應(yīng)的環(huán)境條件與機(jī)組的運(yùn)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(dòng)輔助加熱措施的條件是“熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率約為1.5至2.0”時(shí)。
    對于冬冷夏熱的濕熱地區(qū)，需要考慮的另外一個(gè)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)嵩础Ｓ捎谒臏囟茸兓^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(shí)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)岬臒岜茫环矫媸茏匀粭l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(diǎn)。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(shí)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?br />    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(jià)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(gè)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(yùn)行時(shí)，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(jì)合理的話，即使水溫降低到5℃時(shí)，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(shí)實(shí)現(xiàn)有效制冷循環(huán)而成為實(shí)際上的單用系統(tǒng)。
    此外，如果太陽能熱泵同時(shí)提供生活用熱水的話，需要考慮兩個(gè)系統(tǒng)的分配與轉(zhuǎn)換問題。同時(shí)，在高緯度地區(qū)使用時(shí)，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(yùn)行條件下熱泵壓縮機(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(yùn)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(dòng)力運(yùn)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(xiàng)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(xiàng)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(dòng)。
    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)。空氣同時(shí)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*的環(huán)境友善性能。
    ⑦納米催化吸收技術(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(shí)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吸收填料。
    ⑧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(shí)，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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)的主要因素之一，由它產(chǎn)生的氣流脈動(dòng)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(dòng)，并使壓縮機(jī)的效率有所提高。