管道水熱泵應(yīng)用范圍和熱泵技術(shù)分析

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2015-01-05 16:31:58點(diǎn)擊率：

　　離心熱泵作為提供熱量的主要設(shè)備之一，以其對環(huán)境友善及節(jié)約能源等特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在本文中。作用首先回顧了熱泵的發(fā)展歷史，介紹了熱泵的種類、特點(diǎn)、使用場合及條件，對幾種主要熱泵在應(yīng)用過程中存在的問題進(jìn)行了討論，分析了熱泵技術(shù)的研究進(jìn)展、應(yīng)用現(xiàn)狀及相關(guān)新技術(shù)。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;

　?、谙到y(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?。因而，?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。熱泵的由來及主要用途

　　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)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，教授(即大家熟知的勛爵)發(fā)表論文，提出了熱量倍增器的概念，描述了熱泵的設(shè)想當(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年的全球性能源危機(jī)，進(jìn)一步促進(jìn)了熱泵在全世界范圍內(nèi)的發(fā)展。

　　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：

　?、僬魵鈮嚎s式熱泵與制冷機(jī)一樣，蒸氣壓縮式系統(tǒng)也是熱泵主要的應(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)峥諝鉄嵩礋岜煤屯寥罒嵩此疅岜玫葞追N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?yàn)檫^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(diǎn)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。

　?、壅魵鈬娚涫綗岜谜魵鈬娚涫綗岜玫墓ぷ髋c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(shí)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)熱電式熱泵又稱為溫差電熱泵。它是利用效應(yīng)，即當(dāng)直流電通過了5.兩種不同導(dǎo)體組成的回路時(shí)，就會在回路的兩個(gè)連接端產(chǎn)生溫差現(xiàn)象。熱電式熱泵具有無運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠，壽命長，控制調(diào)節(jié)方便，振動(dòng)小，噪聲低，對環(huán)境污染小等特點(diǎn)，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。

　?、尢柲軣岜眠@種熱泵以太陽能集熱器作為熱源。圖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。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)用為廣泛的一種熱泵。主要以空氣、水或大地作為低溫?zé)嵩??？諝庠礋岜靡钥諝庾鳛闊嵩吹臒岜梅Q為空氣源熱泵或氣源熱泵。通常制作成能夠供冷、供熱的兩用循環(huán)系統(tǒng)。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)需要供量大時(shí)的空氣源的溫度，同時(shí)機(jī)組的容量及效率也。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：一是以極端供熱負(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。水源熱泵以水作為熱源的熱泵稱作為水源熱泵。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(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?，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(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?。土壤熱源熱泵土壤熱源熱泵，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。存在如下不足：

　?、僭靸r(jià)昂貴，施工條件苛刻;

　?、诳赡苄孤?，以引起土地污染;

　?、劭赡芤鹜恋氐拇竺娣e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。太陽能熱泵太陽能熱泵以太陽能集熱器作為熱泵系統(tǒng)的低溫溫度。圖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)嵩础Ｈ绻麅λ廴萘吭O(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。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：

　?、偈彝鈧?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。

　?、诖髩翰?、非穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行條件。

　?、蹮岜米赃m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)。

　?、菘晌腩w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。

　?、奕諝鉄岜眉夹g(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(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高效吸收填料。

　?、喔咝?、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。

　?、釤岜脡嚎s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。

　?、馔鶑?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。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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