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关于热泵技术及其应用的综述

爱美绿·Lovinggreen 2009-8-25 Bookmark and Share

(源自解放军理工大学工程兵工程学院 朱培根)热泵机组由于其具有节能、环保及冷暖联供等优点,目前在国内广泛应用。本次收集了在全国各类报刊杂志、年会资料集及论文集有关热泵技术及应用这方面的论文共207篇。在此作为一个专题研讨,供在座的各位教员和同学们参考。有关问题综述如下:

一、空气源热泵

  空气源(风冷)热泵目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热水机组。热泵空调器已占到家用空调器销量的40~50%,年产量为400余万台。热泵冷热水机组自90年代初开始,在夏热冬冷地区得到了广泛应用,据不完全统计,该地区部分城市中央空调冷热源采用热泵冷热水机组的已占到20~30%,而且应用范围继续扩大并有向此移动的趋势。本次收集的空气源热泵方面论文有55篇,主要内容有:

1、关于空气源热泵能耗评价问题

  为了评价和比较热泵机组与其它冷暖设备的能耗,大约有30篇论文涉及此问题。介绍了适用于热泵机组能耗分析的理论与软件,根据空调冷负荷、室外干球温度、热泵出水温度等参数,采用温频数法,求解热泵供冷全年能耗。在求解热泵冬季能耗时,除考虑空调热负荷、热泵出水温度、室外干球温度外,还把室外相对湿度(即温湿频数)考虑到热泵供热性能中,软件经工程实例计算,与实际耗能量有较好的吻合,为能耗评价提供了一种方法。

2、风冷热泵机组的选用

  目前设计选用风冷热泵冷热水机组,常根据计算得到的冷热负荷,考虑同时使用系数及冷(热)量损耗系数后,按机组铭牌标定值选择机组台数。由于空气源热泵机组的产冷(热)量随室外参数的改变而变化,这种选择方法可能造成机组选得过大,造成浪费;或者选得过小,使供冷(热)量不足,达不到使用要求。为此建议采用空调的逐时冷热负荷和热泵机组的供热供冷能力的逐时变化曲线对照选择,会得到比较满意的结果。

3、热泵机组冬季除霜

  空气源热泵冬季供热运行时,最大的一个问题就是当室外气温较低时,室外侧换热器翅片表面会结霜,(需要采取除霜措施)。根据有关文献摘录,经二年的现场跟踪测试,其结果是除霜损失约占热泵总能耗损失的10.2%,而由于除霜控制方法问题,大约27%的除霜功能是在翅片表面结霜不严重,不需要除霜的情况下进入除霜循环的。目前常用的一些方法,或多或少都存在一些问题,如发生多余的除霜动作,或需要除霜时而不发出信号等弊病存在。有关文献提出的最佳除霜时间控制及最大平均供热量控制除霜等方法,从理论上讲很有新意,但实现起来比较困难。本人认为:采用自调整模糊除霜控制的思路及系统的基本结构,确定室内外大气温度、相对湿度之差及翅片温度的变化率等作为输入论域,经对输入量的模糊化和模糊推理方法,在高位机上实现模糊除霜控制的仿真,采用这种方法除霜经与实验数据对比,判别结果与实际情况较吻合。这种方法与常规除霜方法相比,不仅延长了制热工作时间,减少了除霜次数和除霜损失,而且使机组工作性能和可靠性得到了提高。

  在室外空气温度低的地方,由于热泵冬季供热量不足,需设辅助加热器。常用方法是在室内机出风口处设加热器,这种方法不仅传热效率低,安全性能差而且化霜时间长,室内温度下降大,采用氟里昂加热器可以明显克服以上缺陷,这种方法就是把室内侧换热器分前后两部分,在中间增加一个氟利昂辅助加热器,即热泵在冬天运行时,压缩机排出的高温氯利昂气体进入室内换热器前部分时已有部分气体被冷凝成液体。此时经氟利昂加热器的加热,使该部分液体再次蒸发成气体,然后再进入室内换热器的后半部分。这样,依靠整个室内换热器,将热泵室外换热器的吸收的热量,连同氟利昂加热器所产生的热量一并传给空调房间内,补足了由于室外环境温度低而引起的供热量不足。相关文献介绍在KFRd-70LW热泵空调器上试验,得到了很好的辅助加热效果,而且化霜时间由3min减少到1min(室外温度-1℃时);由10min减少到3min(室外温度-7℃时)。

4、热泵机组的噪声治理

  单台或多台热泵机组的噪声治理。分析风冷热泵机组的噪声传播特性,结合热泵机组的噪声治理工程实例,介绍了封闭式隔声消声装置的设计方法、设计要点和治理效果。

由于风冷式热泵的操作、管理及维修比较方使,具有制冷制热的双重功能,机组的散热又不需要冷却塔,因此,应用越来越多。但热泵机组的噪声易对周围环境产生一定的影响,近几年上海等地发生热泵噪声扰民的事件增多,已成为近期城市中一类带有普遍性的固定源噪声污染问题。因此了解单台或多台热泵的噪声传播特性,探讨热泵机组群噪声防治的方法,具有一定的普遍现实意义。

从热泵机组的噪声源、噪声特性、热泵机组的噪声治理实例、噪声控制及治理的技术角度看,热泵机组噪声治理工程实例有一定的推广价值和意义,在较好地解决了热泵机组通风散热、进排风问题、确保热泵正常运行的前提下,采用全封闭的隔声消声装置,把热泵的A声级噪声降低20 dB左右,为在某些特殊场合把热泵噪声降低至需要的程度的噪声治理工程设计提供了一个可以借鉴的成功实例,尤其是在热泵的排风余压较低或不了解具体的余压时,在设计隔声消声装置的进风排风系统时可以有一个具体的计算依据。

二、水源热泵

  虽然目前空气源热泵机组在我国有着相当广泛的应用,但它存在着热泵供热量随着室外气温的降低而减少和结霜问题,而水源热泵克服了以上不足,而且运行可靠性又高,近年来国内应用有逐渐扩大的趋势。本次共收集到这方面的论文15篇,主要内容综述如下:

1、开发和使用未利用能、发展水源热泵技术

  未利用能指的是还没有利用的能,大致包括自然类(如地热、温泉、河水、海水、湖水及地下水等)和城市基础设施类(如工场、发电厂、矿井、工业废弃物及公共浴室等等),如何利用这部分未用能作为生活用采暖、空调的热源、是应引起足够重视的问题,空调所对大连电力大厦采用发电厂循环水作为大厦水源热泵空调系统的热源,在技术上和经济上进行了分析,并进行了水面积的模拟试验,结果表明,采用水源热泵供热,其COP为4,每平方米采暖可以节约运行费5万元,节标煤5公斤。某作者还对利用某矿区现有的地下水(作热源),对单身18层职工公寓和住宅小区实施冷暖联供的四种方案进行了综合比较,结果是采用水源热泵的空调系统,不管是从投资上,还是从运行费上,都具有明显优势。

2、发展住宅的水源热泵系统

  随着我国住宅市场化改革,新建住宅小区迅速发展和居民对居住环境的改善需求,以及环保方面的要求,如何满足居住建筑的冷暖空调要求,是急需解决的问题。清华大学江亿提出采用深井回灌的水源热泵方式可能成为满足这种需求的住宅供热空调方式。

其原理,地下水从深井1中抽出进入板式换热器械2,与楼内循环水系统的水换热后,再通过深井2排到地下,循环水系统经住宅楼内管网送入各户,经各户的水源热泵产生热水(冬季)或冷水(夏季)送入末端装置,满足供热或空调的要求。 在对深井、水系统及水源热泵和末端装置进行了详尽讨论,最后进行了经济分析,结果表明,采用这种“一户一机、深进回灌”的水源热泵方式,优于目前的冬季燃煤锅炉采暖+夏季分体空调方式。同时系统管理方便,住户可很方便地单独对温度调节。这一方式全部能源由电提供,无任何污染,空调排热全部进入地下用于冬季供暖,不再对小环境造成热污染,并且遭受不悬挂室外机,美化了建筑外表面。由于地下水是全封闭式系统,因此既不消耗任何地下水源,又不会对其带来污染。目前需要政府部门制定相应政策,以支持这种节能、节水、保护环境的方式。

3、水源热泵应用测试分析

  空调所李先瑞等对大连发电总厂新建综合楼三层西侧一个房间()的水源热泵系统进行了一个冬季的实侧,得到如下结论:

(1)水源热泵是一种介于中央空调和分散空调之间的优化空调能源方式,它既具有中央空调能效高,成本低和安全、可靠等优点,又具有分散式调节灵活、方便和便于收费等优点,是一种适合民用建筑的采暖空调方式。

(2)由于余热水源热泵具有热回收率高的特点,因此,经济性、节能性十分明显,在有条件地方应大力推广。

(3)自来水水源热泵系统,冬季采暖需补助加热,其经济性与加热热源方式有关。采用热效率高的燃气加热方式或以价格较低的蒸汽加热水作为加热源等热源时,以它们作为补助加热热源是合理的。

4、水源热泵冷热水机组的经济性

  长沙铁道学院丁力行对湖南地区的中央空调系统,分别采用水源热泵冷热水机组、风冷热泵、溴化锂直燃机、水冷冷水机组+燃油锅炉四种方案进行了经济比较,结论是水源热泵冷热水机组具有初投资较小,且成本比其它三种中央空调小19~65%的优点。

5、中高温水源热泵用混合工质研究

  在地热利用中存在的主要问题是利用后排放的水温较高,一般为40~45℃。如利用这部分热水作为热泵热源,这就存在着一个使用甚么样的热泵工质问题,经采用CSD方程的大量计算,筛选出了一种低环害的非共沸混合工质,经实验测试,效果较好。采用此混合工质用以地热水(40~45℃)为低温热源的热泵系统,冷凝温度70℃左右,蒸发温度在20℃左右,冷凝压力在20以下,EER值在3.5~4之间,可以输出60℃左右的热水供用户使用。

三、地源热泵

  地源热泵是以大地为热源对建筑进行空调的技术,冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖,同时蓄存冷量,以备夏用;夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温,同时蓄存热量,以备冬用。由于其节能、环保、热稳定等特点,引起了世界各国的重视。欧美等发达国家地源热泵的利用已有几十年的历史,特别是供热方面已积累了大量设计、施工和运行方面的资料和数据。

  我国是发展中国家,由于多种原因,地源热泵的开发研究仅仅是近几年的事。有关地源热泵方面的论文共收集了13篇,表明国内对研究开发地源热泵系统已引起了足够重视。论文主要内容有:

1、垂直U形埋管地源热泵实验

  青岛建工学院1998年建设了垂直铺设的土壤源冷热两用闭式热泵系统,地面设备采用美国谷轮OM300热泵机组和立式风机盘管;地下垂直埋设一根d45*4mmU形聚乙烯塑料管,深53m,孔网直径1.10m,塑料管总长110m(包括水平埋管4m),为了测试土壤温度变化,距主井每隔0.8m打一深13m的辅井。1998年8月26日开始运行测试,整个试验包含了二个夏季,一个冬季和二个春秋季,共五个季节。通过试验得到了如下结论:

(1)垂直埋管系统既可作为冬季采暖的热源,又可作为夏季空调的冷源,一机两用是可行的,它同水平敷设的系统比较,只占用极小的室外场地。

(2)采用一个单井作热泵冷热源时。夏季储热和冬季的储冷不明显,从设计角度可不予考虑。

(3)经过整个夏天(或冬天)的长期运行,埋管周围温度场发生变化,其作用半径大约3m左右。

(4)塑料埋管同地下的热交换能力如下:

a.向地下放热(制冷工况):按管长计算:20m/kw;按井深计算10m/kw;按管路外表面积计算;2.5m2/kw;

b.从地下吸热(制热工况):按管长计算:35m/kw;按井深计算:17~18m/kw;按管路外表面积计算:4.5m2/kw。

设计管路系统可按冬季工况设计,对夏季工况进行校核。

(5)在选择R22蒸发器和冷凝器时,建议参数如下:冷凝温度≤60℃,蒸发温度-2~7℃,制热时取低值,地下埋管充液按能抵抗-7℃的低温。地下流体流动温升6~8℃,蒸发器传热平均温差6~12℃,制热时取低值。冷凝器传热平均温差8~14℃,室内液体一般可不充防冻液。

(6)引进西方国家钻井下管一条成施工作业;开发特殊塑料管件:U型管件,二管接管技术。引进和开发特殊钻井回填填料,西方国家采用特殊的回填料可提高传热效果。

2、垂直套管式埋管地源热泵试验及传热模型

  重庆建筑大学通过竖埋单管试验,地下套管式换热器较U形管换热器传热效率高20~25%,在单管试验的基础上,建设了10kw的地下套管式地源热泵系统,该系统地下部分为5排15根,深10m的竖埋套管,错排布置,间距1.5m,孔网与套管之间的缝隙用钻孔回收的岩浆回填,套管直径DN75~90mm,水管直径dN15~25mm,管材均为PVC塑料管。地上部分为水-空气热泵空调器;水-水热泵,末端采用立式风机盘管和冷暖地板。

热泵自98年10月投入使用,经过了两个冬季,两个夏季四个过渡季的连续运行测试,系统运行正常。冬季保持室温18℃以上,夏季保持室温28℃以下,热泵系统间歇运行,平均运行时间每天8~9个小时。通过2年的使用,积累了大量测试数据,并得到了一些有价值的结论。

(1)冬季运行,地下埋管,进水温度5.5~7.5℃(平均7.15℃),出水温度11.5~13℃(平均12.13℃,温差5℃左右),热泵压缩机吸气压力0.45~0.5Mpa(t0在3~6℃);水-空气热泵排气压力1.4~1.65Mpa(tk在40~45℃);水-水热泵排气压力1.60~1.80Mpa(tk在45~50℃)。热泵运行7~10天后,进出水温度趋于稳定。

(2)冬季运行室内保持18~22℃(平均19.39℃),热泵间歇运行,月平均运行小时数7.58h,地下埋管单位温度换热量平均为77.93w/m,平均传热系数9.45w/mk。热泵性能系数COP=3.06kw/kw。

(3)夏天运行,地下埋管进水温度34~43℃(平均41.48℃),出水温度27~34℃(平均32.3℃),温差9℃左右,排气压力1.6~1.8Mpa(tk在45~50℃),热泵压缩机吸气压力,水-空气热泵P吸=0.45~0.5Mpa(t0在3~6℃),水-水热泵P吸=0.40~0.45Mpa(t0在1~3℃)。热泵运行20天后,进出水温度趋于稳定。

(4)夏季运行,室内保持21~27℃(平均23.38℃),热泵间歇运行,月平均运行小时数8.88h,地下埋管深度换热量90.6w/m,平均传热系数5.70w/mk,热泵制冷系数5.70w/mk,热泵制冷能效比EER=3.46kw/kw。

(5)地下埋管支路是三根竖管串联,经测试各竖管温差平均为1.9、1.5、1.6℃,表明各竖管传热基本均匀。

(6)地下埋管系统流量大小对埋管换热器的传热有重要影响,经变水量测试,每个支管环路1200kg/h左右为最佳流量,此流量相当供水支管水流速1m/s,本管内水流速0.1m/s。在最佳水流量下单位埋管深度换热量和EER到达最大值。

(7)经重庆几个工程实例比较,地源热系统造价比家用分体空调器造价要高40~50%,用节约的电费偿还期约为4~5年。

(8)经测试分析地下埋管内热短路现象严重,测试结果为0.3~0.4℃,占埋管换热量的20%左右,如何减小热短路,提高竖埋管的传热效率是需进一步研究的手段。

(9)建立完善的地下埋管传热模型,以确定不同地区,不同岩土性质下的最佳地下埋管换热器尺寸,继推广和发展地源热泵的关键技术,作为参照V.C.Wei地下埋管传热理论,采用系统能量平衡结合热传导方程建立了二维温度场数学模型,其中包括单管间歇(或连续)运行传热模型,串联套管传热模型,管群换热模型。该模型经验证,比实测值偏低10%左右,若经进一步完善和修正,对地源热泵系统设计及运行具有重要的参考及应用价值。

(10)正确了解热泵冬(夏)季运行终止至夏(冬)季热泵运行开始,这个过渡季期间内,大地温度的变化情况,是建立地下埋管传热模型的重要边界条件,也是保证地源热泵长期有效运行的重要数据。作为采用按径向和管长方向建立二维传热模型计算大地温度恢复情况,并编制了相应的程序,计算值与实测结果有很好的吻合性。

(11)经模型计算,地源热泵连续运行30天热影响最远的距离(即传热远边界半径)为6m左右,但经计算其不同距离埋管对竖管干扰引起的大地热阻变化已变小,其干扰程度已小于2%,因此认为埋管间距采用3m是可行的,这与实测结果是一致的。

3、土壤及其黄砂混合物导热系数的实验研究

  发展和推广地源热泵关键问题是要根据不同气候条件下及土壤的蓄、放热能力,选择热泵系统的合理容量和土壤中放热量的最佳间距和深度从而确定出最佳安装方案以便得到最大的经济和环境效益。本研究采用针对我国华东地区的有代表性土壤及不同比例的沙土混合物进行测试,其结论是:

(1)湿土壤及土沙混合物的导热系数,随密度P和含水率W的增加而增加。

(2)实验的纯土壤、纯黄沙,土沙比分别为1:2的混合物四种不同的测试对象中,以土壤混合物为1:2的导热系数最大,其关联式为K=2.38*10-10W0.79P2.79w/mk。

4、地源热泵采用蓄热水箱的夏季工况分析

一般地源地下埋管均为直流式水系统,当热泵间歇运行时,会造成压缩机起动负荷大,采用蓄热水箱就是在室外侧水系统上并联一个蓄热水箱,当热泵停止运行的间歇期,室外侧循环水泵继续运行使水流过蓄热水箱,以降低水箱及室外侧水系统的温度,经实验检验和数值模拟计算,采用为上方式可以明显降低水温,也即降低压缩机起动阶段的冷凝温度最终达到节能效果。

四、复合热泵

  为了弥补单一热源热泵存在的局限性和充分利用低位能量,运用了各种复合热泵。如空气-空气热泵机组、空气-水热泵机组、水-水热泵机组、水-空气热泵机组、太阳-空气源热泵系统、空气回热热泵、太阳-水源热泵系统、热电水三联复合热泵、土壤-水源热泵系统等。有关复合热泵方面的论文共收集了12篇,论文主要内容有:

1、太阳-空气热源热泵系统

  太阳-空气热源热泵系统是在传统的空气热源热泵系统的基础上,利用太阳能热源而新开发的系统。它可以制冷、供热、供生活热水,是一种利用自然能源、无污染、适用性广、效率高的新型冷热源系统。

北京市建筑设计院关磊设计的太阳-空气热源热泵系统。由压缩机组、冰(水)蓄热槽、设在屋顶上的集热/放热板及冷媒管道组成。制冷运行是在夜间进行,一是利用夜间电力,二是利用屋顶上的放热板在夜间向室外散热。供热运行在白天进行,它利用太阳热及空气对流热作为采热源,进行热泵制热工况的。首先冷媒被压缩机压缩成高压高温气体,然后进入蓄热水槽(与冰蓄热槽共用)的盘管冷凝放热,冷凝后的液体再通过膨胀阀变成低压低温的液体进入设在屋顶处的集热板吸收太阳热及空气对流热,又成为气体返回压缩机,如此反复形成热泵制热循环。与此同时,利用蓄热水槽内的热水对建筑供热。

系统的特点有:节约能源、经济、高效率、适应性广。

  该系统适用于办公楼、医院、温水游泳池、疗养院、学校、研究所、工厂等建筑。同一般太阳能利用系统相比,集热板面积已经大幅度减少,但由于受屋顶设置面积的限制,一般适用于5层以下的建筑。对于5层以上的建筑采用该系统时,应考虑设其它辅助热源设备。

2、土壤-水热泵系统

  土壤-水热泵(下称土壤热泵)可利用低品位的土壤热能提供热水或向建筑物供暖。美国、德国及瑞典等北欧国家,已有上万台此类热泵装置在运行,土壤热泵技术已趋成熟,并迅速地加以推广使用。目前正在制订土壤热泵用于供暖的技术规范。

天津商学院制冷技术研究所高诅锟介绍了无污染、低品位的土壤热源热泵实现冬季供暖的技术,提供了土壤热交换的设计参数和室内供暖的匹配方法,并指出,与空气热源热泵的全年电费相比较,土壤热源热泵节电10%~12%。

  房间供暖一般只需要较低的温度,从的观点来看,用煤的高品位化学能取暖是很大的浪费,而且煤是很多产品的宝贵原料。而利用土壤热泵提供的40~45℃热水供暖(尤其是地板供暖)则把本来难以利用的低品位、无污染的能源利用起来,是节能的途径之一。

冬季土壤热源的温度不仅高于空气,而且较为稳定,如在天津市和河北省地区,在整个供暖期,地下1.6m深处土壤温度在13~10℃之间变化。空气热源的温度则不可能这样稳定,而且空气热泵不适于在7~-4℃范围内工作,它需要复杂的除霜装置,如空气热泵在外界温度-4℃以下工作时,蒸发温度较低,热泵性能系数明显下降。

  在供暖季末期,由于供暖负荷的减少和土壤供热量的降低,土壤热泵的输出与负荷有较合适的匹配。冬季热交换器盘管附近土壤的湿润和结冰能为热泵提供附加热量。夏季可以将土壤热泵转换为空调运行工况,可以达到节水目的,同时为冬季供暖贮热。在其它季节里可以提供生活用热水。

根据本文提供的参数,可以很快地进行设计计算。如已知供暖面积F2,选择热交换器型式所对应的匹配系数n,可以立刻知道土壤热泵系统各设备的负荷及土壤热交换器的占地面积及其结构和尺寸。

  在自然界和工业废汽、废热、废水中,低品位热源不少,往往未加利用,从观点分析,它们是冬季供暖的合适热源。土壤热泵可以把低品位的土壤热能利用起来,其性能系数可达2.5~3.0,是有效的节能技术。

  从年度电费上与空气热泵相比,土壤热泵可以节省电费10%~12%(注:年度电费比较是土壤热泵、空气热泵夏天用于空调、冬天用于供暖时全年用电费用比较)。

3、太阳能-水源热泵空调系统

  太阳能水源热泵系统由三部分组成,即太阳能集热系统、水源热泵系统和热水供应系统。其系统是将建筑物的消防水池作为蓄水供应系统。以解决太阳能的间歇性和不稳定性。当环路水温高于35℃时,水源热泵空调系统同消防水池断开,冷却塔投入运行,当环路水温在15~35℃之间时,太阳能作为冷却塔停止运行,生活热水供应的热源收集的太阳能用来加热生活用水;当环路水温低于15℃时,环路与消防水池连通,太阳能水源热泵空调系统吸收太阳能。若仍有多余的太阳能时,可继续加热生活用水。

  作者对哈尔滨、上海、乌鲁木齐等六城市应用该系统进行了详尽的模拟计算和预测分析,得出了如下结论:

(1)太阳能水源热泵空调系统是一种节能系统,应用前景广阔。其系统拓宽了水源热泵空调系统的应用范围,使目前内部余热小或无余热的建筑物也可采用水源热泵空调系统节能。

(2)初步得到太阳能水源热泵空调系统在我国各地的应用运行情况,并分别指出,对于不同的热源设备形式及能源形式,该系统在各地区的运行能耗情况和节能特性。

(3)在我国大部分地区运用太阳能水源热泵空调系统,都会收到良好的节能效果,尤其是对于年太阳辐射总量较高,冬季日照率高的地区,该系统是一种理想选择。

空调所郑瑞澄根据全玻璃真空管太阳能集热器的热性能和上海、南京、武汉、济南四地的太阳能辐射资源,通过计算得出了太阳能水源热泵空调系统,该四地所需的太阳能集热器面积,经效益分析,以供暖面积100m2的水源热泵机组为计算对象,太阳能集热系统运行100天可节约的常规能源量为上太阳能集热系统供应生活热水(以住宅建筑面积100m2为例)可节约的年常规能源为天然气636.5Nm3,电5550kwh。以现阶段太阳能集热系统平均200元/m2和北京现行电价计算,太阳能利用增加的投资可在6年左右回收,之后的节能费用,即是用户的净效益。

4、热泵复合热电冷三联产的系统优化分析

  随着能源供需矛盾的日益突出,能源的综合利用得到国内外广泛关注,从热电分产到热电联产乃至热、电、冷三联产的提出和运用,无不说明人们对节能进行了有益的探索,而实践证明,这些研究带来了较好的经济效益和社会效益。

热电分产就是供电和供热相互独立的供电供热方式,由于这种系统的经济性差,不利于能源的分级利用而逐渐发展为热电联产,在热电联产系统中较高参数的蒸汽首先用来作功发电,然后用汽轮机的排汽和抽汽供热,这样就减少有用功的损失,达到能源分级利用的目的,从而使有用功效率得到提高。随着生活水平的提高,夏季供冷、冬季供热的要求越来越强烈,而集中供热供冷由于它的优越性而偌受青睐,另外在热电联产中,由于夏季热负荷的降低,汽轮机抽汽量减少,整个系统的经济性下降,所以进一步发展成热、电、冷三联产系统。所谓热、电、冷三联产是指锅炉产生的蒸汽通过汽轮机发电做功后,汽轮机的排汽和抽汽作为吸收式制冷机的工作蒸汽,这样提高了夏季汽轮机的抽汽份额,同时也向用户提供了所需的冷量,从而大大减轻了空调制冷负荷对电网的压力,缓解了用电高峰的峰值负荷。另一方面,从环保角度上考虑,由于热、电、冷三联产一般不采用CFC工质,不破坏臭氧层,而且三联产系统充分利用品质较差的低位热源而不象压缩机制冷一样需高品质的电能,这样更有利于提高能源的综合利用率,但目前的热、电、冷联产系统从整个系统的优化方面考虑是有潜力可挖的,本文通过对目前的热、电、冷三联产系统的分析,提出用蒸喷式热泵以及吸收式冷热机组对热、电、冷三联产系统的优化方案,并对其优化效果进行分析。

  东南大学动力系张小松等通过对热、电、冷三联产的系统分析,提出用蒸喷式热泵以及吸收式冷热机组对热、电、冷三联产系统的优化方案,并对其经济性进行分析,通过对CC25-8.83/0.98/0.12机组的系统进行实例计算,可知优化后在相同的供热条件下该机组的联产系统发电量增加5.2%。

  文中讨论了直接抽汽供热、供冷的热、电、冷三联产系统的原理,热泵优化热、电、冷三联产系统,对蒸喷式热泵对三联产系统的优化、吸收式冷热机组对三联产系统的优化进行研究,得到如下结论:

(1)目前的热、电、冷三联产常规系统在供热经济性方面是有潜力可挖的。通过采用蒸喷式热泵和吸收式冷热机组对热、电、冷三联产的系统优化,在相同的供热条件下可以使三联产的发电量增加几个百分点。

(2)蒸喷式热泵和吸收式冷热机组对热、电。冷三联产的系统优化适合于企业自备电厂以及区域供热热电厂的建设和系统改造,在与常规的热、电、冷三联产系统投资差别不大的情况下能高效地满足冷用户、不同压力等级热用户的供冷、供热要求。

五、其它热泵

  热泵除上述四类以外,还有喷射式热泵、吸收式热泵、工质变浓度容量调节式热泵及以CO2为工质的热泵系统。

1、喷射式热泵

  随着现代工业和人类社会的发展,人们对节能与环境净化给予高度重视,国外对机械式和蒸汽喷射式热泵的应用已使用得比较成熟。国内对蒸喷式热泵的应用也作了一些工作。蒸喷式热泵具有结构简单,工作可靠的特点,但效率较低、应用范围受蒸汽压力的限制,尽管如此,它在一定条件下,特别是用于蒸发单元,具有较好的节能效果。四川联合大学化工系刘代俊、王钟鸣、李军等用计算机对蒸汽喷射式热泵的热力过程进行变工况计算,分析了性能,指出了应用范围。以便我们对蒸喷式热泵的工作性能及应用范围有一个较为清楚的了解。

2、氨-水GAX吸收式热泵

  早在1884年,就发现了液氢能汽化产生制冷作用,并通过氯化银对氨蒸气的强烈吸收作用形成制冷循环,此后,产生了许多以原理为基础的氨制冷设备,并一直沿用至今。氨-水和溴化锂-水一起被认为是最常用的、对环境无害的绿色制冷工质对。同溴化锂-水工质对相比,氨-水工质对的显著优点是能制取0℃以下冷量,不易结晶,可用于热泵供暖;氨-水工质对对铜以外的金属基本无腐蚀性;系统体积较小。缺点是蒸发压力较高,大量泄漏时,对人体有害。此外,氨与水的沸腾温差较小,需用精馏器、分离器以去除冷剂氨中的水蒸气。氨-水单效循环的制冷效率也较低。因此,氨-水工质对被认为是最适用于家用及小型吸收式热泵的工质对,如美国公司自1927年起就生产小型直燃式氨-水吸收式制冷机,该公司在60年代研制的风冷式小型燃气氨-水单效制冷机一直销售至今。在日本、中国等地也有此类产品销售。

  由于电费的增长、用电高峰期电力的短缺和全球环保意识的日益增强,采用无公害工质的热能驱动吸收式热泵再次引起人们的关注。基于发生器-吸收器热交换(GAX)原理,具有较高制冷热力系数(COP),并能用于热泵式供暖的直燃型氨-水吸收式热泵再次成为美、日、韩及欧洲发达国家的研究热点。

  同济大学机械学院热能系张敏华介绍了利用计算机仿真、设计及优化技术研制直燃型氨-水GAX(发生器-吸收器热交换)吸收式热泵的过程,并阐述了氨-水单效及GAX吸收系统的原理、结构及运行工况。

  与氨-水单效吸收制冷机机组相比,在相同条件下,高效氨-水GAX吸收式热泵的制冷COP比前者提高约58%,即便在外界气温为-6℃条件下,其实际供暖COP也高达93.7%;当外界气温在-3.9℃时,其实际供暖COP则高达104%,远远高于普通锅炉供暖。而且改良型热泵结构简单,运行可靠,确为理想的节能、环保型直燃吸收式热泵。

3、热泵空调系统工质变浓度容量调节方式试验研究

  天津大学热能研究所杨昭、马一太和河北建筑工程学院赵三元、张少凡等提出了冷热泵容量调节的物理模型,建立混合工质变浓度容量调节制冷系统试验装置,进行了相同工况下变浓度对比测试及多工况变浓度稳态试验。证明所建立的混合工质变浓度试验装置及所选择的工质可以基本满足预定的容量调节要求,并可明显提高装置的节能效比。

  比较相同工况下浓度调节前后的结果,说明此变浓度容量调节系统可以在运行中进行一定范围内的浓度变化和容量变化,系统内工质量基本稳定并可稳定运行。

  由多工况稳态试验结果可见,采用本试验装置进行混合工质变浓度容量调节,可以使系统容量输出较好地跟随负荷的变化,R22/Rl42b及R32/124的可适应环境温度分别为℃及℃,以R22标准工况制冷量为基准,容量可调节范围分别为57.3%~91.8%及71.5%~101%。室内温度波动在1.2℃以内。在部分负荷区,R22/142b有着理想的变浓度容量调节特性,且明显地提高了稳态能效比。两种调节方式的季节能效比测试结果与理论分析在定性上是一致的。

  初步试验证明了本文建立的混合工质变浓度实验装置及工质R22/R142b及R32/R124可以基本满足预定的容量调节要求,并可明显提高装置的季节能效比。与R22开停调节相比,工质对R22/142b和R32/R124的季节能效比分别提高28.3%和17.7%。可基本满足容量与负荷的匹配关系。压缩机不必作任何改动,这是变频调节所不能比的。

  为了更有效地提高季节性能系数及容量调节的品质,对风冷系统应增加管排数以接近逆流换热。对精馏系统的设计有待更加工程化和实用化,应配以合适的控制系统。如采用电子膨胀阀和相关控制技术,这些问题有待于进一步的研究。

4、以CO2为工质的热泵系统的研究

  由于(H)CHC的逐步禁用,工质替代成为人们越来越关心的问题。在寻找新的制冷剂的同时,许多人将目光又重新投向了C02。在本世纪初期,CO2曾经广泛应用于空调及船舶的制冷系统,直到50年代,在船舶制冷系统中,CO2仍是占统治地位的工质。后来由于氟里昂的出现,CO2逐渐被取代。同氟里昂相比,CO2在常温下的冷凝压力特别高,因而导致装置很笨重。但CO2也有其优点:不燃、无毒、容易获取、与润滑油不反应、对装置无腐蚀作用。而且CO2的比容小,单位容积制冷量比R22大5倍,从而系统制冷剂流量小,装置可以做得比较小。此外由于CO2具有良好的热物理性质,传热性能好,而且其压比及压力损失比较小,所以压缩的效率高。由于这些原因,热泵系统具有较高的效率。

  由于压缩后的CO2处于跨临界状态,与一般系统不同,所以在随后的冷却过程中,CO2状态变化也不同。一般系统中,工质在冷凝过程中发生相变,冷凝温度由冷凝压力所决定。而在CO2系统中,在冷却器中,CO2从过临界状态放热,温度降低,处于一种似液体的气体状态,因此冷却器中CO2温度下是由其压力所决定的。在冷却过程中,CO2的温度变化很大,所以当作热泵用时,可把需加热介质的温度提高很多。例如在CO2热泵型热水器中,水可被加热到80℃,而在普通的热泵系统中,热水温度一般只能达到55℃。

  西安交通大学制冷教研室朱瑞琪等分析了以为工质的热泵循环及系统的特点,显示了CO2单级压缩跨临界循环系统当做热水器应用时所具有的优点和需要解决的主要问题。

在系统中设置回热器,用以蒸发从低压储液器中流出的液体,使润滑油回到压缩机。在系统中设置一个低压储液器,这样可以保证蒸发器合适的供液量,有较高的平均传热系数,使蒸发器保持良好的工作性能,减小蒸汽出口过热度。而且,它能使系统高压侧的压力保持一个最佳值(高压侧压力对系统敏能的影响很大)。此外,储液器的设置还能使系统在对泄漏也不会太敏感。

综合各种因素,影响压缩机性能的最主要因素是气缸泄漏,所以必须采取有效的密封措施来设法减少泄漏。

六、热泵技术在我国的运用及发展

  热泵在我国起步较早。50年代,天津大学的一些学者已开始从事热泵的研究工作。60年代开始在我国暖通空调中应用热泵。例如,从1963年起原华东建筑设计院与上海冷气机厂就开始研制热泵式空调器;1965年上海冰箱厂研制成我国第一台制热量为3720kw的CKT-3A热泵型窗式空调器。1965年天津大学与天津冷气机厂研制成国内第一台水冷式热泵空调机。1966年又与铁道部四方车辆研究所共同合作进行干线客车的空气-空气式热泵试验。1966年原哈尔滨建筑工程学院与哈尔滨空调机厂研制成功LHR-20恒温恒湿热泵式空调机,首次提出冷凝废热用作恒温恒湿空调机的二次加热的新流程。但是,由于我国能源价格的特殊性,以及一些其他因素的影响,热泵空调在我国的应用与发展始终很缓慢。直至70年代末期,才又为热泵空调的发展与应用提供了机遇。80年代初至90年代末在我国暖通空调领域掀起一股热泵热。热泵空调在我国的应用日益广泛,发展速度很快、主要表现在以下几点。

1、热泵空调的学术交流活动十分活跃

1978年至2001年,中国制冷学会第二专业委员会主办过9届“全国余热制冷与热泵技术学术会议”,今年十月将在杭州举办底10届“全国余热制冷与热泵技术学术会议”。1988年中国科学院广州能源研究所主办了“热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”。自90年代起,中国建筑学会暖通空调委员会、中国制冷学会第五专业委员会主办的各届“全国暖通空调制冷学术年会”上专门增设“热泵专题”交流。每届热泵学术会上都广泛地交流了大量的学术论文,这充分反映了我国热泵技术的发展和进步。

2、积极开展热泵空调技术的研究工作

(1)热泵空调技术在我国运用的可行性研究

  1986年北京公用事业科学研究所开展了“燃气吸收式热泵供热制冷系统可行性研究“;1988年天津大学热泵研究所开展了京津地区运用热泵兼暖空调节能可行性的研究;1988年中国科学院广州能源研究所开展热泵在我国应用与发展问题的研究;1992年中国建筑科学研究院空调所开展了中、高档旅馆利用热泵技术节约能源的可行性研究;1991年开始,哈尔滨建筑大学开展了在我国应用电动热泵站、吸收式热泵站的可行性研究并进行了闭式环路水环热泵空调系统和太阳能开式环路水源热泵空调系统在我国应用的评价;1996年青岛建筑工程学院开展了青岛东部开发区建设以海水为热源的大型热泵站可行性研究。

(2)空气-空气小型热泵试验装置的研究

  国际上公认的房间热平衡试验方法是小型空气-空气热泵性能测试最精确的方法。哈尔滨建筑工程学院于1980年建成国内第一台标定型房间热平衡法试验装置。空调所于1987年建成国内第一台平衡型房间热平衡法试验装置。某空调器检测中心于1986年底建成了由国外全套引进的平衡型房间热平衡法试验台。

建成试验装置后,开展了下述各项工作:

①为国家商检部门标定进口空调器性能,把好质量关;

②为开发空气-空气热泵新产品,对进口热泵空调器进行详细的实验研究;

③标定国产空调器性能;

④我国小型空气-空气热泵除霜问题的研究;

⑤我国小型空气-空气热泵供热季节性能系数的实验研究;

⑥探索提高标定型房间量热计的测试精度的技术措施;

⑦开拓房间热平衡法试验装置用途的研究。

(3)热泵空调的计算机模拟技术的研究与应用

浙江大学开发了一个风冷热泵全年性气候工作的计算机模拟软件,以此研究了风冷热泵运行特性。同济大学等作了直燃型氨-水GAX吸收式热泵的计算机仿真研究和吸收式热泵计算机模块化仿真设计和优化技术的研究。

(4)国内一些研究单位、高校对土壤源热泵十分感兴趣,作了一些实验研究工作。重庆建筑大学对垂直布置的U型管换热器进行了实验研究哈尔滨建筑大学和青岛建筑工程学院对水平布置的地下盘管换热器进行实验研究和计算机数值模拟。

3、热泵空调新产品、新技术不断涌现,产品不断更新换代

  早在60年代我国开发了窗式热泵空调器,80年代初开发了分体式热泵空调器,质量不断提高,现已推出变频控制和模糊控制新技术。近年来,我国又先后开发了整体式风冷热泵式冷热水机组、模块式风冷热泵冷热水机组、水源热泵空调器等。例如,上海实业空调机有限公司研制成RF系列热泵空调机,采用全新的制冷系统,改进了热泵融霜、防冻结等功能;上海富田空调冷冻有限公司、厦门国本公司等经过几年的努力,不断改进产品质量,基本解决了低温启动、融霜等问题。1994年又研制出全电脑控制双螺杆型空气源热泵式冷热水机组,其性能已达到国外同类产品水平。上海台佳机电有限公司的螺杆采用第三代齿形,效率比活塞式压缩机高15%。合众-开利30GQ空气-水热泵机组采用多台06E半封闭压缩机,多回路设计,高效换热管,低噪声风机等,并微电脑控制,使机组始终处于最佳运行工况、该厂在1999年推出30HT新型空气-水热泵机组。

目前,空气源热泵冷热水机组市场空前繁荣,生产厂家已由1995年的十几家发展到现在40多家。产品规格齐全,据不完全统计,国内销售的机组共有45个品牌,其中国产机组约占25%左右,其余为合资产品、台资产品和进口产品。例如,美国特灵、开利、约克、麦克维尔,法国的西亚特,意大利的阿尔西;国产台资产品有上海富田、厦门国本、福州的扬帆等。合资的有上海合众-开利、上海新晃、广东吉荣等。根据国内空气源热泵冷热水机组样本及资料的统计,在额定工况下,空气源热泵冷热水机组的制热性能系数基本大于3,有的高达4以上。

4、热泵在空调工程中的应用日益广泛

  早在1980年上海手工业局设计室与上海冷气机厂为上海某商场设计了国内第一套空气-水热泵空调系统,运行效果一直良好。近年来随着国内空调技术的飞速发展,热泵空调系统获得广泛的应用、主要表现在:

(1)自90年代起窗式热泵空调器、分体式热泵空调器有了突飞猛进的发展,开始步入我国百姓家庭。据国家有关信息中心预测统计,房间空调器在北京、上海、广州、深圳四城市居民家庭普及率达 42.8%,其中约有三分之一以上是热泵型的。

(2)热泵应用的重要方向是解决长江流域建筑物中央空调的冷热源问题。我国部分地区的气候特点是夏热冬冷。上海、浙江、江西、湖南、湖北全境,江苏、安徽、四川大部,陕西、河南南部,贵州东部,福建、广东、广西北部,甘肃南部的部分地区均属于夏热冬冷的气候。在这些地区很适宜应用空气源热泵冷热水机组,解决建筑物中央空调冷热源的问题。同时,再考虑到热泵的地球环保效益,使空气源热泵冷热水机组在这些地区的大、中、小城市中获得广泛的应用。目前,空气源热泵冷热水机组的地区应用范围仍有继续向北移动的趋势。例如,1993年在天津沃特文化游乐总汇第一期空调工程的KTV歌舞厅和餐厅雅座的新风系统中,选配了2台SJC-05H型空气源热泵冷热水机组(制冷量15.1kw,制热量17.9kw)。夏季供冷,过渡季节作为热源,为新风机组提供40~50℃热水,使用效果很好。因此,1994年第二期改造工程的客房空调设计又选2台SJC-15H(制冷量45.3kw,制热量53.8kw)作为空调的冷热源装置。1996年,烟台第一百货商场扩建工程中,也选用了空气源热泵冷热水机组作为空调冷热源,全年运行,效果也不错。

(3)近年来,在我国一些大中城市的现代办公楼和大型商场建筑中开始采用闭式环路水源热泵空  调系统,以回收建筑物内的余热,效果很好,发展速度很快。

  80年代初,我国在一些外商投资的建筑中采用了闭式环路水源热泵空调系统。这些工程显示出闭式环路水源热泵空调系统回收建筑物内余热的特有功能以及节省或减小常规空调系统的冷热源设备和机房,便于分户计费,便于安装、管理等优点。因此,90年代便得到广泛地应用。据统计,1997年国内采用闭式环路水源热泵空调系统的工程共52项;从“天龙”水源热泵空调中国地区一览表(共15项工程)看,不仅上海、北京、天津、广州、深圳等大城市中一些工程采用它,而且如佛山、绍兴等中、小城市也开始采用。据有关文献的预测分析,闭式环路水源热泵空调系统是一种很有前途的节能型空调系统,在我国将会有广阔的应用前景。

  节能始终是空调领域中的重要研究课题之一。热泵技术能提高能源利用率,是合理用能的典范。正因为热泵的节能效益,才使热泵在20世纪70年代后,在空调领域中获得广泛地应用与发展。有关文献将这一时期称为热泵发展的第一兴旺期。并预言,由于全球温暖化问题成为世人瞩目的焦点,人们要求减少温室效应。也就是说,空调能源效率再次变得最重要,这不是由于经济问题,而是出于环境原因,我们暧通空调工作者将会经历热泵发展的第二次兴旺期。为此,暖通空调工作者应做好思想准备,加强有关热泵空调方面的研究工作,积极推广应用热泵空调。

参考链接:
1、关于热泵技术及其应用的综述


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