空气源热泵原理及关键技术分析

发布时间: 2018-10-08
所属栏目: 空气能学院
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首先,什么是热泵?它是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能,经过电力做功,提供可被人们所用的高品位热能的装置。简洁地说,热泵就是对自然界的能量进行“搬运”,供应在我们所需要的地方的技术,比如供暖。

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热泵根据其吸收能量的来源(热源)不同,可以分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵等。而空气源热泵,以其各种优势,已经广泛地被认为是未来最有发展潜质的新能源技术之一。

热泵工作原理

190年前,法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺,构造了在加热器与冷凝器之间的一个理想循环:汽缸与加热器相连,汽缸内的工作物质水和饱和蒸汽就与加热器的温度相同,汽缸内的蒸汽如此缓慢地膨胀着,以致在整个过程中,蒸汽和水都处于热平衡。然后使汽缸与加热器隔绝,蒸汽绝热膨胀到温度降至与冷凝器的温度相同为止。然后活塞缓慢压缩蒸汽,经过一段时间后汽缸与冷凝器脱离,作绝热压缩直到回复原来的状态。

这一由两个等温过程和两个绝热过程组成的循环,即后来所称的“卡诺循环”。

热泵工作原理

逆卡诺循环,是卡诺循环的逆过程,低温时做功吸热,高温时做负功放热,将功转换为热。也是包括空气源热泵在内的所有热泵的工作原理。同时,这也是我们日常生活中常见的空调、冰箱等制冷系统的工作原理。逆卡诺循环也包括四个步骤,都为可逆过程:绝热膨胀,在这个过程中系统对环境作功,降温;等温膨胀,在这个过程中系统从低温环境中吸收热量,同时对环境做与该热量等量的功;绝热压缩,在这个过程中系统对环境作负功,升温;等温压缩,系统恢复原来状态,在这个过程中系统向高温环境中放出热量,同时环境向系统做与该热量等量的功,即负功。

以空气源热泵应用于供暖(水地暖)为例,热泵机组设备内专置一种吸热介质——冷媒,它在液化的状态下低于零下20℃,与外界温度存在着温差,因此,冷媒可吸收外界的热能,在蒸发器内部蒸发汽化,通过热泵机组中压缩机的工作提高冷媒的温度,再通过冷凝器使冷媒从汽化状态转化为液化状态,在转化过程中,释放出大量的热量,传递给水箱中的储备水,使水温升高,达到制热水的目的。之后,冷媒经过膨胀阀的节流后,再次变为低温液态被运送至蒸发器内,进行下一个循环。

理论上讲,只要冷媒液化温度值和环境温度间存在着温度差,就能够吸收热量。但是,在实际运用过程中,还受到很多因素的制约。

热泵关键技术

从空气源热泵工作原理中,我们可以找出几个关键词:冷媒,蒸发器,压缩机,冷凝器,热交换器,膨胀阀等。这也是构成热泵机组的几个关键性部件。对冷媒大家并不陌生,最常见的就是一度与臭氧层破坏联系起来的氟利昂。冷媒的作用就是在密闭系统内通过自身物理特性的转变吸收、释放温度。目前,空气源热泵机组中,最常见的冷媒是二氟一氯甲烷即R22、R410a、R134A、R407c等四种。冷媒的选择,以具备无毒、不爆炸、对金属及非金属无腐蚀作用、不燃烧、泄漏时易于察觉、化学性安定、对润滑油无破坏性、具有较高的蒸发潜热、对环境无害等特点为最理想。

压缩机,是热泵机组的“心脏”,理想的热泵压缩机能在最低大约-25℃的寒冷环境中稳定运行,并确保在冬季能提供55℃以上乃至60℃的热水。在反应压缩机性能方面,喷气增焓技术是不得不提的。

喷气增焓系统,是由喷气增焓压缩机、喷气增焓技术、高效过冷却器组成的新型系统,这三个技术的组合可提供高效的性能,是一个有机的整体。喷气增焓压缩机是采用两级节流中间喷气技术,采用闪蒸器进行气液分离,实现增焓效果。它通过中低压时边压缩边喷气混合冷却,然后高压时正常压缩,提高压缩机排气量,达到低温环境下提升制热能力的目的。高效过冷却器在整个系统中也起到了关键性的作用,一方面对主循环回路冷媒进行节流前过冷,增大焓差;另一方面,对辅助回路(这路冷媒将由压缩机中部导入直接参与压缩)中经过电子膨胀阀降压后的低压低温冷媒进行适当的预热,以达到合适的中压,提供给压缩机进行二次压缩。

喷气增焓压缩机由谷轮提出,广泛用在涡旋式压缩机上,2013年应美芝突破了结构的限制,喷气增焓也应用在旋转式压缩机上。在超低温空气源热泵机组中,喷气增焓技术有着突出的意义。

可见,每一个部件的质量和效率都很重要,但作为一种清洁能源技术,最终决定空气源热泵工作效能的,并不是某一部分的优劣,而是最终取决于各个部件之间能否最优化设计组合、从而实现最高的COP值。

举例说明,假设在北方霜冻地区,一台空气源热泵配备了国际最先进的压缩机,能够保证机组在零下十几度的环境下启动制热,但是,假如在运行了一段时间之后,由于其除霜技术并不智能,那么就有可能出现频繁除霜导致室内供暖温度极不均衡甚至直接停止制热的后果。因此,越来越多的企业已经深刻认识到系统化思维在热泵生产应用中的必要性和重要性。

此外,考虑到消费者在使用空气源热泵采暖时的整体舒适性,机组在降低风机运行噪音方面,同样是非常重要的。

热泵相对优势

空气源热泵机组的热效率一般为300%-500%,以温升40℃计算,生产一吨热水约耗电9-15度。而普通电加热方式需要耗电52度——节能、节省使用费用是空气源热泵供暖的重要优势所在,也是对于消费市场首要的吸引因素。

以目前空气源热泵的平均市场售价而言,其初期投资成本相对于燃油、燃气锅炉是比较高的,但由于它特殊的节能效果,一般会在一年半以内通过节能方式将成本收回,锅炉等其它供热方式一般使用寿命在8—10年,而热泵机组的使用寿命可长达15年。

空气源热泵机组

采用空气源热泵来做独立供暖系统,相对于燃气等其他采暖方式,在安全性,综合造价,使用寿命,使用条件限制方面具有明显优势,特别是一套空气源热泵系统既能满足冬季的取暖需求,又能满足夏季的空调制冷需求;使用的能源是最为普及的电力,相比之下,燃气炉受供气量,供气管网等诸多限制;而且从环保性来讲,燃气炉毕竟还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,而空气源热泵消耗的是电力,虽然目前中国的大部分的电力来自非清洁能源——煤,但是,随着核电、风电、太阳能发电和水电的进一步发展,中国的电力也将变得越来越清洁。另一方面,就目前的应用状况而言,空气源热泵的最大缺点是其制热量和能效比随热源侧(室外环境)的温度下降而衰减。理论情况下,当室外温度降至零下25度时,大部分空气源热泵机组的能效比在180%左右,能效状况并不理想。但是,目前市场上存在的专门针对严寒地区的超低温空气源热泵机组,已经能够实现在零下15度以上的环境下实现300%以上的能效比,大大拓宽了空气源热泵供暖系统的应用范围。

综合分析,虽然存在一定的缺陷和限制,但空气源热泵作为独立供暖系统的热源,具有巨大优势和广阔的发展前景。

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