热泵应用及热泵技术分析

热泵应用及热泵技术分析
原王瑞祥赵彬彬黄新伟邹德宝
出处：
【关键词】热泵
【论文摘要】热泵应用及热泵技术分析
热泵作为提供热量的要紧设备之一，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。

作用第一回忆了热泵的进展历史，介绍了热泵的种类、特点、使用场合及条件，对几种要紧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
热泵是一种以冷凝器放出的热量对被调剂环境进行供热的一种制冷系统[1]。

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，它是制冷机的一种专门使用型式[2]。

它与一样制冷机的要紧区别在于：
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，将被调剂对象作为高温热源；制冷机则是将环境温度作为高温热源，将被调剂对象作为低温热源。

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 热泵的由来及要紧应用型式
2.1 热泵的由来
随着工业革命的进展，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爱好。

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[3]。

1854年，W.Thomson教授（即大伙儿熟知的Lord Kelvin 勋爵）发表论文，提出了热量倍增器（Heat Multiplier）的概念，首次描述了热泵的设想[3]。

当时，热泵供暖的对象要紧是民用，供暖需求总量小，专门是对由于采暖方式及其对环境的阻碍尚没有足够的意识。

人们采暖的方式要紧是燃煤和木材，因而，热泵的进展长期明显滞后于制冷机的进展。

上世纪30年代，随着氟利昂制冷机的进展，热泵有了较快的进展。

专门是二战以后，工业经济的长足进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进展。

1973年的全球性能源危机，进一步促进了热泵在全世界范畴内的进展。

2.2 热泵的要紧应用型式
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要紧的应用型式。

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——水热泵等几种要紧应用型式。

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。

关于气体压缩式热泵系统，目前要紧以二氧化碳、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，以往要紧用于航天方面，例如作为飞机客舱的空气调剂用冷、热源设备。

关于使用湿空气作为工作介质的空调热泵系统在一般工业或民用建筑环境调剂应用的可能性，作者曾经作文探讨[4]。

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差不多相同，只是由蒸气喷射器代替压缩机。

这种热泵要紧用于热电厂综合热能利用中，与吸取式热泵相比，这种热泵效率较低，目前较少采纳。

④吸取式热泵
吸取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取剂）”、“氨-水（其中，以氨为工质，以水吸取剂）”、“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取剂）”。

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[5]。

热电式热泵具有无运动部件，工作可靠，寿命长，操纵调剂方便，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，因而要紧用于一些专门场合。

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、涡流管热泵等其它要紧用于一些专门场合的其它形式的热泵。

3 要紧问题及应用现状
蒸气压缩式热泵是目前商业化应用最为广泛的一种热泵。

要紧以空气、水或大地作为低温热源。

3.1 空气源热泵（Air Source Heat Pump）
以空气作为热源的热泵称为空气源热泵或气源热泵（Air Source Heat Pump，ASHP）。

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畴内达到保证。

由此，需要在性能上解决如此一对矛盾，确实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，作者举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[6]。

在确定机组的容量时，关于一样地区而言，由于空调负荷大于采暖负荷，因而，依照空调制冷负荷确定即可。

关于冰冷地区用户，在一定的时刻内，空调负荷可能不再大于采暖负荷。

在这种条件下，能够依照情形采取两种处理方法：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；二是仍旧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]举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1.5至2.0”时。

关于冬冷夏热的湿热地区，需要考虑的另外一个问题确实是ASHP机组室外侧换热器的结霜以及由此带来的一系列问题。

一样认为，环境温度在-5~5℃区间，为易结霜区[7][8]，需要专门关注。

3.2 水源热泵（Water Source Heat Pump）
以水作为热源的热泵称作为水源热泵（Water Source Heat Pump，WSHP）。

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的性能好而且稳固。

目前，以污水处理场凉水池的水作为低温热源的热泵系统差不多在实际工程中采纳，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。

井水专门是深井水，全年温度差不多稳固而且水质良好，是热泵系统比较理想的低温热源，在工程中采纳较多。

然而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。

从可连续进展的角度，这是一种不宜采纳的方式。

实际上，在许多国家地区，已有相应的法律，禁止采纳地下水资源作为热泵系统的低温热源。

3.3 土壤热源热泵（Soil Heat Pump）
土壤热源热泵（Soil Heat Pump，SHP）以大地作为其低温热源。

通常是将制冷盘治理入地下，盘管与土壤进行热量交换，热泵系统自成封闭式系统。

依照埋管的形式不同，这种系统又分为横埋和竖埋（又称为直埋）两种方式。

SHP存在如下不足：
①造价昂贵，施工条件苛刻；
②可能泄漏，以引起土地污染；
③可能引起土地的大面积龟裂。

在工程上，一个能够借鉴的做法是，把管长约100米、直径约15厘米的管子作为一组，埋入地下。

并通过一组小的内套管将水送到大管子的底部。

3.4 太阳能热泵（Solar Heat Pump）
太阳能热泵（Solar Heat Pump）以太阳能集热器作为热泵系统的低温温度。

图3是一种方案的太阳能热泵系统流程示意。

这是一种能够从更低温度的环境中有效吸取热量的系统。

在系统做热泵运行时，储水槽中的水作为系统的低温热源。

假如储水槽容量设计合理的话，即使水温降低到5℃时，仍旧能够有效使用，而且，由于水温较低，使得太阳能集热器能够在较低的温度下工作，从而增加了它的热吸取率。

太阳能热泵的不足在于它无法同时实现有效制冷循环而成为实际上的单用系统。

此外，假如太阳能热泵同时提供生活用热水的话，需要考虑两个系统的分配与转换问题。

同时，在高纬度地区使用时，存在生活用水温度太高的可能性，为此，在系统中必须考虑采取防高温水灼伤等措施。

4 部分热泵新技术简介
热泵新技术研究要紧是围绕提高热泵系统的热力学效率、提高热泵系统的环境友善程度和处理空气品质等方面展开的。

部分技术差不多应用于相关产品及系统中。

相关新技术要紧包括：
①室外侧换热器结霜操纵、表面纳米材料及其表面修饰工艺技术
通过对室外侧换热器的外表面进行纳米材料修饰，使得霜水呈球状凝聚，从而减小凝霜或凝水在换热器外表面冻结的机会。

②大压差、非稳固运行条件下高效热泵压缩机技术[9]
要紧包括涡旋压缩机柔性导入结构、机体喷液降温及吸排气压力自我辨识和自适应分液调剂技
术，从而适应大压差、非稳固运行条件。

③热泵自适应空况操纵技术[10][11]
依照热泵系统热动力运行特性，确定系统的自我状况诊断和自适应空况调剂操纵。

从该项技术在ASHP系统中应用成效看，能够明显提高系统的SEER指标。

配合新的流程[11]，该项技术在保证ASHP系统低温环境条件下的有效供热方面，成效明显。

④纳米填料静音技术
通过纳米材料及微纳米填料，排除工质在节流过程、冷凝过程及蒸发过程中由于相变而导致相界间能量传递产生的噪声和振动。

⑤可吸入颗粒物纳米催化及分解技术
通过在热泵与空调系统空气处理末端进、出风界面上进行纲伙材料修饰，使空气中的可吸入颗粒物通过纳米催化分解而使空气得以净化。

⑥全空气热泵技术
采纳湿空气的跨临界膨胀的热力循环的全空气热泵空调系统。

空气同时作为工作介质和能量交换介质。

采纳无油压缩设备及工艺技术，将使得此系统有着极好的环境友善性能。

⑦纳米催化高效吸取技术
利用具有平均性网络结构的低密度多孔性纳米材料作为吸取器和发生器的填料，能够提高吸取效率和发生效率及速率，从而使得吸取时制冷机或吸取式热泵机组的小型化称为可能。

以三氯化铁和氢氧化钠为原料，利用溶胶-凝胶过程和超临界干燥技术，通过铁基气溶胶差不多粒子
b-FeOOH，再经高温处理后转化为a-Fe2O3-SiO2为基质的低密度多孔性纳米材料[12]是一种可能的纳米催化高效吸取填料。

⑧高效率、低污染燃烧技术
燃烧器表面通过钛基纳米粒子修饰后，在纳米粒子的催化作用，能够对燃烧反应条件进行操纵和调剂，从而使天然气的燃烧更快、更充分，与此同时，抑制氮氧之间的反应，从而使燃烧反应中间产物（及污染物）减少，提高燃烧效率。

⑨热泵压缩机柔性吸、排气静音技术[13][14]
压缩机式制冷或热泵系统噪声与振动的要紧源泉。

压缩机吸、排气环节所产生的噪声频率特性以其结构及材料不同而不同。

实验证明，采纳柔性吸、排气通道结构，能够减少制冷或热泵机组噪声，并改善它在系统中的传输特性。

⑩往复式压缩机吸气回流增阻技术[14]等。

关于往复式压缩机来说，在压缩机吸气侧的工质回流是造成压缩机吸气侧腔内工质压力脉动的要紧因素之一，由它产生的气流脉动能够从低压侧传输到高压侧。

采纳回流增阻结构的吸气通道，能够降低压缩机产生的噪声及振动，并使压缩机的效率有所提高。

(11)矿物油极性强化[15][16]技术
矿物油极性较弱，与同样弱极性的CFCS类工作介质相溶性良好，是工质替代问题显现之前应用广泛的制冷系统用润滑油。

作为CFCS类工质的的要紧替代物，HFCS类工质的化学极性较强，因而需要使用具有较强极性的润滑油（如POE油），由此带来许多问题。

矿物油极性强化技术使之用于采纳HFCS类工质（及以HFCS类工质为要紧成分的混合类工质）的制冷系统成为可能。