幾種熱泵的應(yīng)用發(fā)展及技術(shù)特點分析

1、幾種熱泵的應(yīng)用發(fā)展及技術(shù)特點分析（家電英才網(wǎng))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， 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、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)。1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：使用的目的不同。 熱泵的目的在于制熱， 研究的著眼點是工質(zhì)在系統(tǒng)高壓側(cè)通過換熱器與

2、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；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)嵩矗?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)嵩矗瑢⒈徽{(diào)節(jié)對象作為低溫?zé)嵩?。因而，?dāng)環(huán)境條件相當(dāng)時，熱泵系統(tǒng)的工作溫度高于制冷系統(tǒng)的工作溫度。2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

3、.Thomson 教授（即大家熟知的LordKelvin 勛爵）發(fā)表論文，提出了熱量倍增器（Heat Multiplier）的概念，首次描述了熱泵的設(shè)想。當(dāng)時，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。2.2熱泵的主要應(yīng)用型式按照熱泵系

4、統(tǒng)的熱力循環(huán)型式，通常將熱泵分為如下六類：蒸氣壓縮式熱泵與制冷機(jī)一樣， 蒸氣壓縮式系統(tǒng)也是熱泵最主要的應(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。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)域為過熱區(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

5、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。蒸氣噴射式熱泵蒸氣噴射式熱泵的工作與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。吸收式熱泵吸收式熱泵是一種利用低品位熱源實現(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）”。熱電式熱泵熱電式熱泵又稱為溫差電熱泵

6、。它是利用 Peltier 效應(yīng)，即當(dāng)直流電通過了兩種不同導(dǎo)體組成的回路時，就會在回路的兩個連接端產(chǎn)生溫差現(xiàn)象。熱電式熱泵具有無運動部件，工作可靠，壽命長，控制調(diào)節(jié)方便，振動小，噪聲低，對環(huán)境污染小等特點，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。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。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)用最為廣泛的一種熱泵。 主要以空氣、 水或大地作為低溫?zé)嵩础?.1空氣源熱泵（Air Source H

7、eat Pump）以空氣作為熱源的熱泵稱為空氣源熱泵或氣源熱泵（AirSource 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， 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)需要供量最大時的空氣源的溫度最低，同時機(jī)組的容量及效率也最低。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)的總費用最低為目標(biāo)， 作者推薦了以空氣處理參數(shù)作為 ASHP 系統(tǒng)室內(nèi)外兩個換熱器之間的匹配的原則的方法。在確定機(jī)組

8、的容量時，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推薦的確定起動輔助加熱措施的條件是“熱泵系統(tǒng)的運行效率約為1.5至2.0”時。對于冬冷夏熱的濕熱地區(qū)，需要考慮的另外一個問題就是 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-55區(qū)間，為易結(jié)霜區(qū)，需要

9、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 （WaterSourceHeatPump， WSHP） 。 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。井水特別是深井水，全年溫度基本穩(wěn)定而且水質(zhì)

10、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?.3土壤熱源熱泵（Soil Heat Pump）土壤熱源熱泵（SoilHeatPump，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：造價昂貴，施工條件苛刻；可能泄漏，以引起土地污染；可能引起土

11、地的大面積龜裂。在工程上，一個可以借鑒的做法是，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（SolarHeatPump）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)做熱泵運行時，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)計合理的話，即使水溫降低到5時，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實

12、現(xiàn)有效制冷循環(huán)而成為實際上的單用系統(tǒng)。此外， 如果太陽能熱泵同時提供生活用熱水的話， 需要考慮兩個系統(tǒng)的分配與轉(zhuǎn)換問題。同時，在高緯度地區(qū)使用時，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：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。大壓差、非穩(wěn)定運行條件下

13、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)定運行條件。熱泵自適應(yīng)空況控制技術(shù)根據(jù)熱泵系統(tǒng)熱動力運行特性， 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。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。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)

14、、 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。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。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)

15、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。高效率、 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，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。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。實驗證明，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。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)壓力脈動的主要因素之一， 由它產(chǎn)生的氣流脈動可以從低壓側(cè)傳輸?shù)礁邏簜?cè)。采用回