低溫空氣源熱泵供熱原理及特點(diǎn)

張強(qiáng)

（大連市熱電集團(tuán)有限公司供熱公司，遼寧 大連 116000）

低溫空氣源熱泵供熱原理及特點(diǎn)

張強(qiáng)

（大連市熱電集團(tuán)有限公司供熱公司，遼寧 大連 116000）

空氣源熱泵是一種節(jié)能環(huán)保，使用效果良好的熱泵類型，也由于它的諸多優(yōu)勢(shì)得到了非常廣泛的應(yīng)用?？諝庠礋岜玫念愋头浅６啵蜏乜諝庠礋岜镁褪瞧渲械囊环N。尤其在寒冷地區(qū)，嚴(yán)冬的供暖離不開(kāi)低溫空氣源熱泵的技術(shù)支持。本文主要對(duì)低溫空氣源熱泵供熱的原理及其特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并探討幾個(gè)熱泵系統(tǒng)的問(wèn)題及解決方法。

空氣源；熱泵供熱；寒冬供暖

1 什么是空氣源熱泵技術(shù)

依靠電能的拖動(dòng)，迫使熱量從低位熱源向高位熱源流動(dòng)的裝置就是熱泵。就像水泵把水從低水頭壓送到高水頭，還有氣泵（氣體壓縮機(jī)），把氣體從低壓區(qū)送到高壓區(qū)，它們和熱泵的原理是一樣的，都是輸送能源的機(jī)械。熱泵技術(shù)作為一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保高效的技術(shù)，是因?yàn)樗軌虬巡荒転槿藗冎苯永玫牡推肺粺崮芡ㄟ^(guò)熱泵技術(shù)轉(zhuǎn)換為可以讓人們直接利用的高位能，比如可以把空氣、太陽(yáng)能、土壤、井水河水以及工業(yè)廢水等低品位熱能，通過(guò)熱泵技術(shù)將它們轉(zhuǎn)化為高位能，直接為人們所利用，并通過(guò)利用這些轉(zhuǎn)化來(lái)的高位能進(jìn)行工作作業(yè)，來(lái)有效的減少煤炭、燃?xì)狻㈦娔芤约笆瓦@類有限的高位能，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)約環(huán)保的目的，并有利于我國(guó)高位能資源的可持續(xù)利用。礦物資源越來(lái)越匱乏，環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重的情況下，合理有效的將低位能轉(zhuǎn)化為高位能的熱泵技術(shù)也將更廣泛的得到應(yīng)用。

空氣源熱泵的歷史是非常悠久的，壓縮式是最早研究發(fā)現(xiàn)的。但是早期由于技術(shù)能力有限，并且能源價(jià)格也不甚理想，熱泵的發(fā)展受到的很大的限制，以至于從18世紀(jì)初葉，也就是1824年卡諾循環(huán)的發(fā)表就奠定了熱泵研究的基礎(chǔ)，但卻因?yàn)榧夹g(shù)及能源價(jià)格的限制因素，導(dǎo)致熱泵的發(fā)展史非常的緩慢，但是熱泵技術(shù)本身的環(huán)保及高效優(yōu)勢(shì)，使它有很好的發(fā)展前景。現(xiàn)在能源價(jià)格不斷提高，科技水平也是飛速發(fā)展，熱泵的研究也日益被關(guān)注。熱泵技術(shù)發(fā)展至今，主要的方向就是高溫高效，也就是說(shuō)開(kāi)發(fā)高溫?zé)岜貌⑶彝瑫r(shí)最大程度的提高COP（性能系數(shù) Coefficient of Performance）值，在此基礎(chǔ)上積極的發(fā)展吸收和化學(xué)熱泵等等。

熱泵熱水機(jī)組的能源利用的是空氣+電這樣的清潔無(wú)污染并且可以再生的原料，使用的氣體是絕對(duì)環(huán)保并且機(jī)組產(chǎn)生的氣體也是完全無(wú)公害的，絲毫不會(huì)造成大氣污染，并且也有效的減少了溫室效應(yīng)?，F(xiàn)在廣泛的利用熱泵熱水機(jī)組來(lái)制取熱水，既大大的減少了電力能源的投入，又使供熱效益得到了巨大的提升，在電力資源短缺的情況下，為電力能源的發(fā)展提供了有效的幫助。在熱泵熱水機(jī)組的廣泛利用下，直接省卻了專用鍋爐房，把機(jī)組放在建筑物的頂層或者室外的平臺(tái)上，就可以直接工作，這樣的設(shè)備結(jié)構(gòu)有效的實(shí)現(xiàn)了水、電分離，在使用中直接減少了安全隱患，使用戶在使用過(guò)程中更加的安全。

2 熱泵的工作原理是什么

自然界中，水往低處流是一種自然現(xiàn)象，所以，如果沒(méi)有人為的干擾，水就會(huì)一直順應(yīng)自然從高處流向低處，同樣，自然條件下的熱量傳遞也是由高溫傳遞向低溫的。但是由于人為的干擾加上技術(shù)的利用，人們用水泵實(shí)現(xiàn)了水往高處流，將低處的水提升到高處，由此原理，熱泵也同樣利用技術(shù)將熱量傳遞的順序變?yōu)閺牡蜏責(zé)崃總鬟f到高溫?zé)崃?，所以，熱泵就是基于逆卡諾循環(huán)原理實(shí)現(xiàn)的一種熱量提升裝置。熱泵的作用就是從裝置周圍的環(huán)境中吸取地?zé)帷⒖諝?、太?yáng)能等能量的熱量，并把這些熱量傳遞給溫度較高的媒質(zhì)，以高溫媒質(zhì)為加熱對(duì)象。

熱泵熱水裝置主要的四大部件是蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥。使環(huán)境中的熱量不斷的轉(zhuǎn)移到水中，主要是通過(guò)讓工質(zhì)不停的進(jìn)行蒸發(fā)→壓縮→冷凝→節(jié)流→再蒸發(fā)這樣的熱力循環(huán)過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。

熱泵熱水機(jī)組是一種節(jié)能環(huán)保并且工作高效的熱泵產(chǎn)品，在熱泵系統(tǒng)的工作循環(huán)中，運(yùn)用熱泵技術(shù)的原理，把免費(fèi)的空氣熱能能源輸送至水里，以實(shí)現(xiàn)將冷水加熱成熱水的目的。熱泵熱水機(jī)組不僅節(jié)能環(huán)保，且效率極高，它的熱效率最高可以達(dá)到590%，年平均熱效率也能達(dá)到360%。

3 超低溫空氣源熱泵有什么特點(diǎn)

空氣源熱泵主要是通過(guò)利用熱泵設(shè)備里的吸熱介質(zhì)即冷媒，從自然環(huán)境或者空氣中直接采集熱能，在運(yùn)用壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮之后來(lái)使冷媒的溫度得以提高，同時(shí)，通過(guò)熱交換器冷媒放出熱量來(lái)使冷水溫度提高，加熱后釋放出冷氣，以此技術(shù)制取的熱水可以通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)直接服務(wù)于人們，可以直接作為熱水供應(yīng)，也可以輸送至用戶進(jìn)行采暖。

超低溫空氣源熱泵，主要是它的運(yùn)行環(huán)境溫度更低，但是效率和穩(wěn)定性卻更高，這與普通的空氣源熱泵類型就有很大的區(qū)別。由于我國(guó)北方冬天溫度更低，所以超低溫空氣源熱泵在北方的市場(chǎng)是非常廣闊的，并且如今已經(jīng)發(fā)展為大部分地區(qū)煤改電的指定用品了，在實(shí)際使用中更是得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)世界上許多專家學(xué)者都做了大量的調(diào)查研究工作，以提高空氣源熱泵在低溫環(huán)境中的適用性，主要研究針對(duì)在環(huán)境溫度低至-20℃甚至低至-25℃的情況下還可以正常工作實(shí)現(xiàn)制熱。

機(jī)組運(yùn)行還是以逆卡諾循環(huán)原理為基本的原理依據(jù)：液態(tài)的工質(zhì)先在蒸發(fā)器里通過(guò)吸收空氣中的熱量之后汽化，汽化潛熱就是我們所要回收的熱量，在經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮之后，形成高溫高壓氣體，隨即進(jìn)入冷凝器內(nèi)液化，通過(guò)液體把吸收到的熱量輸送給需要加熱的冷水中，液態(tài)的工質(zhì)經(jīng)過(guò)膨脹閥降壓膨脹之后又重新回到膨脹閥內(nèi)，吸收熱量蒸發(fā)從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的循環(huán)過(guò)程，如此循環(huán)往復(fù)，通過(guò)不停的吸收低溫能源的熱量來(lái)傳送給需要加熱的冷水中，加熱冷水達(dá)到理想的溫度。超低溫?zé)岜门c普通熱泵相比，超低溫?zé)岜枚嗔艘粭l聯(lián)通壓縮機(jī)的噴射增焓支路，普通熱泵在-10℃以及更低溫的環(huán)境下，會(huì)由于蒸發(fā)溫度低導(dǎo)致蒸發(fā)量下降，從而使壓縮機(jī)回氣量比較少，冷凝放熱的效果會(huì)大大降低，但是使用超低溫?zé)岜煤?，由于增加過(guò)聯(lián)通壓縮機(jī)的噴射增焓支路，它能在壓縮機(jī)回氣不足的情況下直接給壓縮機(jī)進(jìn)行補(bǔ)氣，使冷凝器的放熱量得以提升，所以超低溫?zé)岜迷?25℃的環(huán)境下也能正常工作實(shí)現(xiàn)制熱。在超低溫?zé)岜脧V泛的應(yīng)用中也可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度低至-20℃時(shí)它的綜合COP還高達(dá)2．0左右，溫度低至-25℃的時(shí)候也能正常運(yùn)作，由此看來(lái)，機(jī)組最低運(yùn)行環(huán)境溫度-25℃的時(shí)候是可以正常運(yùn)作制熱的。

4 空氣源熱泵在低溫環(huán)境下能效如何

空氣源熱泵主要是通過(guò)吸收環(huán)境空氣中的熱量并經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)做功產(chǎn)熱的節(jié)能設(shè)備，它的效率跟周圍環(huán)境的溫度高低有著直接的關(guān)系，如圖1所示。

圖1

通過(guò)空氣源熱泵的廣泛應(yīng)用及使用效果來(lái)看，它在低至-25℃乃至-50℃的環(huán)境條件下都是可以正常運(yùn)行制熱的。熱泵的類型有很多，現(xiàn)在比較常見(jiàn)的有超低溫空氣熱源泵、高溫?zé)岜?、常?guī)熱泵以及泳池?zé)岜玫鹊?。我們?cè)谌粘Ｊ褂弥校灰鶕?jù)不同地區(qū)不同環(huán)境的不同溫度來(lái)選擇合適類型的熱泵，都能保證在該溫度范圍內(nèi)熱泵都可以正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)制熱的目的。

空氣源熱泵能效指的是熱泵系統(tǒng)可以達(dá)到的制熱量和輸出功率的比值，當(dāng)工況不變的情況下，比值跟熱泵系統(tǒng)的效率是成正比的，也就是比值越大，效率越高，也就越節(jié)約能源。所以在比較制熱系統(tǒng)COP值之前，一定要確保各熱泵系統(tǒng)的工況是沒(méi)有差異的，這樣得出的比值才更準(zhǔn)確。衡量機(jī)組的節(jié)能程度以及用戶需求的滿足度的決定性標(biāo)準(zhǔn)就是能效的高低。專家們也針對(duì)此做了一系列的實(shí)驗(yàn)，并得到以下數(shù)據(jù)如表1。

從上面圖表中的數(shù)據(jù)能直觀的看出，能效的高低不僅和環(huán)境溫度有關(guān)，還和機(jī)組的進(jìn)出水溫度有關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度比較高的時(shí)候，能效和制熱效果也是比較好的，而隨著環(huán)境溫度的下降，能效和制熱效果也是越來(lái)越差的；同時(shí)，當(dāng)進(jìn)水溫度比較高的時(shí)候，能效也是比較高的，隨著進(jìn)水溫度的下降，能效也同時(shí)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由此，我們可以利用這樣的特性，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際情況合理的進(jìn)行調(diào)整，使它的能效得到最大程度的實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

從本文可以看出，低溫空氣源熱泵供熱方式與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐集中供熱以及直接電暖供熱方式相比擁有巨大的優(yōu)勢(shì)，不僅能源消耗低，二氧化碳的排放量也非常小，如此節(jié)能環(huán)保的技術(shù)應(yīng)加大利用，并進(jìn)行多方面的研究和創(chuàng)新。

表1 空氣源熱泵低溫環(huán)境的能效測(cè)試表

[1]柴沁虎，馬國(guó)遠(yuǎn)． 空氣源熱泵低溫適應(yīng)性研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]．能源工程，2003，( 5) : 26-32．

[2]饒榮水，谷波，周澤，等． 寒冷地區(qū)用空氣源熱泵技術(shù)進(jìn)展[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2005，( 04) : 24-28，81．

[3]陳駿驥，楊昌儀，蔡佰明．低溫強(qiáng)熱型空氣源熱泵熱水器試驗(yàn)研究[M]．流體機(jī)械，2010，30（01）：72－74．

[4] 俞麗華，馬國(guó)遠(yuǎn)，徐榮保． 低溫空氣源熱泵的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．建筑節(jié)能，2007，( 03) : 54-57．

[5]李元哲，于濤，陳天俠． 空氣源熱泵地板供暖系統(tǒng)在北方寒冷地區(qū)應(yīng)用的節(jié)能性與適用性[J]． 暖通空調(diào)，2012，( 02) : 62-65．

TU831

A

1671-0711（2017）08（下）-0161-03