空氣源熱泵原理及應(yīng)用

虞良偉

摘要：空氣源熱泵是一種利用可再生能源的高效節(jié)能無(wú)污染的新興產(chǎn)品，全年的平均能效比將近400%，文章介紹了空氣源熱泵的工作原理，并結(jié)合寧波XX賓館的空氣源熱泵的應(yīng)用實(shí)例，展望其廣泛的應(yīng)用前景。

Abstract： Air source heat pump is an energy-efficient and pollution-free emerging product that utilizes renewable energy. The average energy efficiency ratio is nearly 400% throughout the year. The article introduces the working principle of air source heat pump and combines the application examples of air source heat pump of Ningbo XX Hotel，looking forward to its broad application prospects.

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；逆卡諾循環(huán)；能效比；新能源

Key words： air source heat pump；inverse Carnot cycle；energy efficiency ratio；new energy

中圖分類號(hào)：TU831.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）32-0153-03

0 引言

空氣源熱泵是目前世界上最先進(jìn)、能效比最高的熱水設(shè)備之一，在不同的工況下，熱泵每消耗1kW電能就從低溫?zé)嵩粗形?～6kW的免費(fèi)熱量，節(jié)能效果非常顯著。它根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，采用電能驅(qū)動(dòng)，通過(guò)傳熱工質(zhì)把自然界低溫?zé)嵩粗袩o(wú)法被利用的低品熱能有效吸收，并將吸收回來(lái)的熱能提升至可用的高品位熱能并釋放到水中。

1 空氣源熱泵工作原理及能效比

1.1 卡諾循環(huán)

空氣源熱泵、空調(diào)、冰箱等制冷、制熱設(shè)備基本上都是利用了逆卡諾循環(huán)的原理，逆卡諾循環(huán)是卡諾循環(huán)的逆循環(huán)。法國(guó)工程師卡諾通過(guò)研究蒸汽機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，拋開所有非主要因素，從理想循環(huán)著手，用普遍理論的方法，作出了如下結(jié)論：消耗熱可以得到機(jī)械功。他指出，熱機(jī)一定要在高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作（見圖1-a），“凡是有溫度差的地方就能夠產(chǎn)生動(dòng)力；反之，凡能夠消耗這個(gè)力的地方就能夠形成溫度差，就可能破壞熱質(zhì)的平衡。”他構(gòu)造了一個(gè)在冷凝器和加熱器之間的理想循環(huán)：汽缸和加熱器連通，使加熱器的溫度與汽缸內(nèi)的工作物質(zhì)水和飽和蒸汽溫度相等，讓汽缸內(nèi)的蒸汽緩慢地膨脹，保持在整個(gè)過(guò)程中，蒸汽和水都處于熱平衡。接著讓汽缸和加熱器互相隔絕，使蒸汽絕熱膨脹，直到溫度和冷凝器的溫度相等。然后活塞緩慢地壓縮蒸汽，一段時(shí)間后冷凝器與汽缸脫離，作絕熱壓縮一直恢復(fù)到初始的狀態(tài)。這循環(huán)是由兩個(gè)等溫過(guò)程與兩個(gè)絕熱過(guò)程組成的循環(huán)，叫作“卡諾循環(huán)”。

卡諾循環(huán)由四個(gè)過(guò)程組成：等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮（見圖1-b）。

①等溫膨脹，在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)從高溫?zé)嵩粗形諢崃縌h（過(guò)程為A點(diǎn)到B點(diǎn)，AB線為等溫線，溫度為Th）

②絕熱膨脹，在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作功（過(guò)程為B到C點(diǎn)，BC線為絕熱線）

③等溫壓縮，在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)向低溫?zé)嵩粗蟹懦鰺崃縌l（過(guò)程為C點(diǎn)到D點(diǎn)，CD線為等溫線，溫度為Tl）

④絕熱壓縮，系統(tǒng)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作負(fù)功（過(guò)程為D到A點(diǎn)，DA線為絕熱線）

1.2 逆卡諾循環(huán)

逆卡諾循環(huán)就是通過(guò)輸入一定的動(dòng)力W，把熱能Ql從低溫?zé)嵩匆苿?dòng)到高溫?zé)嵩刺帲ㄒ妶D2-a），從而使低溫?zé)嵩礈囟雀?，高溫?zé)嵩礈囟雀?。若低溫?zé)嵩捶秶鸀闊o(wú)限大，高溫?zé)嵩捶秶鸀橛邢薮?，此時(shí)能造成高溫?zé)嵩礈囟认鄬?duì)大的提升，這就是空氣源熱泵、制熱空調(diào)的制熱原理；若高溫?zé)嵩捶秶鸀闊o(wú)限大，低溫?zé)嵩捶秶鸀橛邢薮螅藭r(shí)能造成低溫?zé)嵩礈囟认鄬?duì)大的降低，這就是冰箱、制冷空調(diào)的制冷原理。

逆卡諾循環(huán)由四個(gè)過(guò)程組成：絕熱膨脹、等溫膨脹、絕熱壓縮、等溫壓縮（見圖2-b）。

①絕熱膨脹，在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作功（過(guò)程為A到D點(diǎn)，AD線為絕熱線）

②等溫膨脹，DC在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)從低溫?zé)嵩粗形諢崃縌l（過(guò)程為D點(diǎn)到C點(diǎn)，DC線為等溫線，溫度為Tl）

③絕熱壓縮，在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作負(fù)功（過(guò)程為C到B點(diǎn)，CB線為絕熱線）

④等溫壓縮，BA在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)向高溫?zé)嵩粗蟹懦鰺崃縌h（過(guò)程為B點(diǎn)到A點(diǎn)，BA線為等溫線，溫度為Th）

1.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵熱水器內(nèi)置了一種吸熱的介質(zhì)——制冷劑（冷媒），它液體的狀態(tài)下溫度低于零下20℃，一般與外界自然溫度存在著溫差，故此，制冷劑可以吸收外界自然的溫度，在蒸發(fā)器內(nèi)部產(chǎn)生壓力并且蒸發(fā)汽化，通過(guò)熱泵的循環(huán)，使制冷劑從汽體狀態(tài)轉(zhuǎn)化成液體狀態(tài)，它攜帶的熱量便釋放給了熱泵熱水器機(jī)組水箱中的儲(chǔ)用水。（圖3）

空氣源熱泵工作過(guò)程包括以下四個(gè)步驟：

①低溫低壓的液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓（此過(guò)程原理為圖2-b中AD段）；

②制冷劑通過(guò)降壓后，接著進(jìn)入交換機(jī)中蒸發(fā)，從而在空氣中吸收大量的熱量Q1，制冷劑轉(zhuǎn)為氣態(tài)（此過(guò)程原理為圖2-b中DC段）；

③氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，變成高溫高壓的制冷劑（此過(guò)程原理為圖2-b中CB段）；

④壓縮后的高溫高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入熱交換器后，把它所含的熱量釋放出來(lái)，將冷凝器中的冷水加熱（此過(guò)程原理為圖2-b中BA段），冷水被高溫高壓制冷劑加熱到55℃（最高可以到65℃）進(jìn)入保溫水箱，此時(shí)制冷劑也由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。

如此一直循環(huán)，源源不斷地從空氣中吸收熱量給冷水，使冷水溫度升高。

1.4 空氣源熱泵能效比（COP）

COP理論值：不考慮外界因素的理論效率為：COP0=（環(huán)境溫度T+273）/溫升Δt。考慮空氣源熱泵實(shí)際運(yùn)行的各種因素，電動(dòng)機(jī)效率為0.95，壓縮機(jī)效率為0.8，換熱器效率為0.9，系統(tǒng)效率為0.8，則理論能效比為COP=0.95*0.8*0.9*0.8*COP0=0.55*（T+273）/Δt。

COP實(shí)際值：熱泵的實(shí)際制熱量與實(shí)際輸入功率的比值。

根據(jù)寧波XX賓館在2017年1月15日、4月15日、7月15日、10月15日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行COP計(jì)算，如表1所示，以1月15日數(shù)據(jù)為例，計(jì)算過(guò)程如下：

理論COP=0.55*（7+273）/（55-6）=3.14

實(shí)際COP=[4187*30*1000*（55-6）/86400]/（602*1000/24）=2.84

其他COP同理可計(jì)算得出，見表1所示，該空氣源熱泵全年平均實(shí)際COP值為3.66。

2 結(jié)束語(yǔ)

空氣源熱泵是一種高效、節(jié)能、環(huán)保、適用性較強(qiáng)的制熱技術(shù)，較傳統(tǒng)的加熱方式有明顯的優(yōu)勢(shì)，空氣源熱泵在寧波港內(nèi)部已普遍運(yùn)用于集體宿舍、員工食堂等公共場(chǎng)所、隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排政策的進(jìn)一步落實(shí)，空氣源熱泵必將得到快速的發(fā)展。

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