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热泵技术发展及行业应用
发布日期:2017/7/7 10:43:36


韩京彤 北京建筑大学

 

摘 要:将热泵技术按照冷热源的选择不同而进行分类,并对各自的运行原理加以分析,相互之间进行比较,得到各个形式的热泵的优缺点。除此之外,通过与传统的供热和制冷方式进行各方面的比较,论述热泵技术的先进性,并从该技术对于人类生活带来的改变的角度出发,论述其在建筑行业中的应用。最后分析了热泵技术在工农业生产中的应用以及该技术对这些行业的发展乃至社会的进步所起到的作用。

 

关键词:热泵技术;能量;太阳能供暖

 

0 引 言

 

  热泵,是一种使热量从低位热源流向高位热源的装置。通俗的来讲,热泵就是被用来将低温物体的热能传递到高温物体中,然后高温物体来加热水或采暖,使热量得到充分应用。由此可见,热泵运行需要消耗一定量的高位能。不过,它所供给的热量是远远大于消耗的能量的,二者的比值一般可以到2 到5,甚至更高。所以说,热泵实质上是一种热量提升装置。

 

  除了节能,热泵还具有环保,冷暖联供等优势,因而其应用十分广泛,对于人们生活所起到的作用也越来越明显。基于上述内容,本文将围绕热泵的优势和先进性以及他在建筑行业中发挥的巨大作用等方面展开论述。

 

1 热泵的分类及各自特点

 

  1.1 水源热泵

 

  水源热泵是利用地球水所储藏的太阳能资源作为冷、热源,并进行热转换的空调技术。顾名思义,其工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中;而在冬季,则从温度相对恒定的水源中提取热量用于供暖。由此可见,水源热泵的制冷和制热过程所利用的是清洁的可再生能源,充分做到了节能,这是其一大优势。除此之外,在一年四季的变化过程中,水体的温度波动范围要远远小于空气,这也在一定程度上决定了其运行比较稳定。加之可以做到一机多用,替代锅炉和空调两套装置,以及自身运行过程不会造成任何污染(如图1),水源热泵近年来的应用范围越来越广,对老百姓生活发挥的作用越来越大。

 

图1 (夏天1,3,5,7 阀门关,2,4,6,8 阀门开;冬天2,4,6,8 阀门关,1,3,5,7 阀门开)

 

  1.2 空气源热泵

 

  空气源热泵是以电能驱动的,利用蒸汽压缩制冷循环的工作原理,通过冷凝器,蒸发器,循环系统等将空气中的热量转移到建筑物中,满足用户需求。由于冬季北方大多仍采用传统方式供暖,所以空气源热泵现在主要应用于夏季的制冷中。

 

  空气源热泵的主要优势是系统的冷热源合一,并且不需要专门的锅炉房和冷冻机房,既增加了建筑的有效使用面积,同时也在一定程度上减少了烟气的排放,也就减少了对环境的污染。当然,由于一年四季的空气温度变化比较大,空气源热泵机组的工作效率可能会随着冬季温度的降低而有所下降。这也是空气源热泵目前存在的一大问题。

 

  1.3 地源热泵

 

  地源热泵是以大地为热源对建筑物进行供热制冷的技术,冬季通过热泵将大地中的低位热能提升对建筑物供暖,同时将冷量储存起来,以备夏季使用;夏季则通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑物进行降温,同时蓄存热量,以备冬季使用。

 

  地源热泵通常采用土壤,地下水,或地表水作为冷热源,冬季从土壤,地表水或者地下水中取热对建筑物供暖,夏季放热起到制冷作用。除此之外,地源热泵的运行安全可靠,费用低,环保作用也很明显。不过其在冬夏两季向大地取热量和排热量的不平衡性在一定程度上限制了它的发展。其流程图如图2。

 

图2 地源热泵的运行流程图

  1.4 复合型热泵

 

  从上述的三种热泵形式可以看出,热源单一的热泵都普遍存在着一定的局限性,而且对于低位能量的利用也存在着缺失的情况。由此可以看出,如果我们将几种热泵形式结合起来,就可以在一定程度上增加能量的利用效率。在利用太阳能热源的基础上,常用的复合型热泵有以下几种:太阳– 空气源热泵系统,太阳– 水源热泵系统,空气– 空气热泵机组,空气– 水热泵机组,水– 空气热泵机组,水–水热泵机组,空气回热热泵,热电冷三联产复合热泵,土壤– 水源热泵系统等。[1]

 

  1.5 其他热泵形式

 

  喷射式热泵,吸收式热泵等热泵系统也是先进热泵技术的体现。其中吸收式热泵是回收利用低位热能的有效装置,具有节约能源、保护环境的双重作用。其中以溴化锂吸收式热泵的应用最为广泛。其机组外形图如图3。

 

图3 溴化锂吸收式热泵机组外形图

 

2 热泵技术带来的改变

 

  随着科学技术的飞速发展,人类的生活水平也在不断地提高。然而生活质量的提高,也伴随着对能源的巨大消耗以及生态环境的不断恶化。而热泵技术自身的力量虽然很小,还不能从根本上解决这些问题,但对于环保和节能的贡献依然不可忽视。

 

  2.1 对于环境的保护作用

 

  传统供热方式需要通过化石燃料的燃烧产生热量进行供暖。燃烧的过程中,也就不可避免地产生二氧化碳,二氧化硫,以及一些粉尘等颗粒污染物。其中,二氧化碳的大量产生更是直接导致了温室效应的加剧,并在一定程度上加速了全球变暖的进程。具体来讲,热力电厂排放的循环冷却水所携带的热量对水环境热影响是很大的。因此,对其产生的热能进行回收,既是电力行业节约能源,提高效率的重要一环,也是保护水域环境,避免增温带来危害的不可或缺的步骤。而热泵技术的运用恰恰是热能回收利用的一个重要途径。以污水源热泵为例,它是以城市污水作为提取和储存能量的冷热源,在热泵机组内通过制冷剂的循环以及电能的消耗,向城镇居民建筑进行供冷供热。这种技术可以在很大程度上吸收和利用了工业废水和生活污水,并对其加以利用,造福人类的生活。同时伴随着污水源热泵技术的进步,二氧化碳和许多氮氧化物,硫化物的排放都得到了抑制,可谓对于环境保护做出了巨大的贡献。

 

  2.2 热泵的节能作用

 

  根据热力学第一定律以及热泵自身的运行特点,可以发现,热泵是从外界吸收一部分有用的能量E,同时再从低温热源吸收能量Qc(以汽化潜热或凝结热的形式),然后将二者一起输送至高温热源。假定高温热源获得的能量为Qh,则有:Qh=Qc+ E

 

  热泵的能量传递过程示意图详见图4。

 

  性能系数COP 是指输出能量与输入的有用能量之比,则有:COP=Qh/ E

 

  一般的压缩式热泵,性能系数值都大于1,其数值范围普遍为2 到5,理论值甚至可以达到8 以上。也就是说,输入一份有用能,可以得到2 到5 倍甚至更高的热能输出。由此可见,热泵的节能效果十分明显。例如,电动热泵用于暖通空调,在向用户供应相同热量情况下,与燃油锅炉比可以节省40%左右的燃烧,节能效果显著。[2]

 

  2.3 从供暖和制冷效果上看热泵技术的先进性

 

  正如论述开头提到的水源热泵及其示意图(如图1),目前的热泵冷热水机组往往可以通过四通换向阀的切换,实现一机多用,既可用于制冷,也可用于供热。当前世界环保和节能形势的严峻性,也使得对于新型环保高效的热泵工质的研究进入了一个重要阶段。环保高效的热泵工质蒸发潜热将非常大,单位容积制冷量相当高,并且具有良好的输运和传热特性。由此可见,热泵的供热和制冷效果也会有一个明显的提升。[3]

 

3 热泵技术与太阳能的结合

 

  在我国许多光照比较充足的地方,利用太阳能进行供热的方法已经十分普遍。不过,太阳能资源的利用也存在着一个很大的问题,那就是受天气和气温等因素的影响,太阳能供热系统并不能保证全天都稳定运行,并且无多建筑屋顶的空间并不充足。而通过采用热泵热水机组作为太阳能热水器的辅助热源,可以最大程度的解决这个问题。这是由于热泵热水机组的节能效果显著,占地面积小。而且在当今国家建设部和整个太阳能行业提倡太阳能与建筑结合, 不允许不规范安装的太阳热水器破坏城市景观的情况下,热泵技术与太阳能利用相结合无疑是最好的选择。这种结合既可以在充分利用太阳能资源的基础上,达到节能和环保的效果,而且其对于环境的适应力好,也具有很大的开发空间。[4]

 

4 热泵技术在工农业中的应用

 

  随着热泵技术的不断发展,其在工业和农业发展中也开始起到一定的作用。首先,热泵在运行过程中能够有效地回收热湿空气中的低品位热能,并除去热湿空气中的部分水蒸气,由此可见,热泵可以在一定程度上起到干燥设备的作用,它的干燥效果甚至可以在传统干燥方式的基础上有一定的提高。现在很多木材厂便采用电驱动高效热泵干燥机来达到工厂节能的目的。不仅是木材,许多谷物,果蔬的干燥都应用了热泵技术。除此之外,也有许多石化厂采用蒸汽喷射式热泵,用于回收生产过程中产生的余热,具有不错的经济效益。[5]

 

5 结语

 

  热泵技术的发展,对于整个世界的进步,人类生活水平的提高,都起到了不可忽视的作用。不管是在工业上,农业上,还是在与我们生活最密不可分的建筑物上。虽然热泵还存在着性能系数COP 受气候影响大,机组造价高,寿命还不够长等制约其发展的因素,但是这种技术还是存在着很大的发展潜力的。

 

参考文献

 

  [1] 李德英,供热工程[M], 中国建筑工业出版社,2004.

  [2] 贺益英,生态环境保护与热泵技术[A],“水电开发与绿色未来”首届新华论坛[C],2003.

  [3] 彭金梅,罗会龙,崔国民,李超,刘显瑞,热泵技术应用现状及发展动向[J],昆明理工大学学报(自然科学版),2012(5).

  [4] 范亚云, 夏朝凤, 李军凯, 韦小岿, 宋洪川,热泵技术在太阳能利用中的实验研究[J],太阳能学报,2002(5).

  [5] 李先瑞,郎四维,热泵的现状与展望[J],北京节能,1994(4).

 

来源《建筑环境与能源》杂志

(戎马传媒·《热泵市场》杂志社 订阅热线:0755-26781737)
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