熱泵應(yīng)用及熱泵技術(shù)分析

Word版本，下載可自由編輯熱泵應(yīng)用及熱泵技術(shù)分析熱泵應(yīng)用及熱泵技術(shù)分析是怎樣的？原理是什么？請(qǐng)看我編輯的文章。

熱泵作為提供熱量的主要設(shè)備之一，以其對(duì)環(huán)境友善及節(jié)省能源等特點(diǎn)，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進(jìn)展歷史，介紹了熱泵的種類(lèi)、特點(diǎn)、使用場(chǎng)合及條件，對(duì)幾種主要熱泵在應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題舉行了研究，分析了熱泵技術(shù)的討論發(fā)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(duì)被調(diào)整環(huán)境舉行供熱的一種制冷系統(tǒng)。就熱泵系統(tǒng)的熱物理過(guò)程而言，從工作原理或熱力學(xué)的角度看，它是制冷機(jī)的一種特別使用型式。它與普通制冷機(jī)的主要區(qū)分在于：

①使用的目的不同。熱泵的目的在于制熱，討論的著眼點(diǎn)是工質(zhì)在系統(tǒng)高壓側(cè)利用換熱器與外界環(huán)境之間的熱量交換；制冷機(jī)的目的在于制冷或低溫，討論的著眼點(diǎn)是工質(zhì)在系統(tǒng)低壓側(cè)利用換熱器與外界之間的換熱；

②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)嵩矗瑢⒈徽{(diào)整對(duì)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)整對(duì)象作為低溫?zé)嵩?。因而，?dāng)環(huán)境條件相當(dāng)初，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(lái)及主要應(yīng)用型式

2.1熱泵的由來(lái)

隨著工業(yè)革命的進(jìn)展，19世紀(jì)初，人們對(duì)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(wèn)題發(fā)生了深厚的愛(ài)好。英國(guó)物理學(xué)家J.P.Joule提出了“利用轉(zhuǎn)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.Thomson教授發(fā)表論文，提出了熱量倍增器的概念，首次描述了熱泵的設(shè)想。

當(dāng)初，熱泵供暖的對(duì)象主要是民用，供暖需求總量小，特殊是對(duì)因?yàn)椴膳绞郊捌鋵?duì)環(huán)境的影響尚沒(méi)有足夠的意識(shí)。人們采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，熱泵的進(jìn)展長(zhǎng)久顯然滯后于制冷機(jī)的進(jìn)展。

上世紀(jì)30年月，隨著氟利昂制冷機(jī)的進(jìn)展，熱泵有了較快的進(jìn)展。特殊是二戰(zhàn)以后，工業(yè)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)足進(jìn)展帶來(lái)的對(duì)供熱的大量需求及相對(duì)能源短缺，增進(jìn)了大型供熱及工業(yè)用熱泵的進(jìn)展。1973年的全球性能源危機(jī)，進(jìn)一步增進(jìn)了熱泵在全世界范圍內(nèi)的進(jìn)展。

2.2熱泵的主要應(yīng)用型式

根據(jù)熱泵系統(tǒng)的熱力循環(huán)型式，通常將熱泵分為如下六類(lèi)：

①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。根據(jù)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)帷諝鉄嵩礋岜煤屯寥罒嵩础疅岜玫葞追N主要應(yīng)用型式。

②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(lèi)熱泵系統(tǒng)中，工作介質(zhì)的工作區(qū)域?yàn)檫^(guò)熱區(qū)。對(duì)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)域討論的兩類(lèi)熱點(diǎn)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)整用冷、熱源設(shè)備。對(duì)于使用濕空氣作為工作介質(zhì)的空調(diào)熱泵系統(tǒng)在一般工業(yè)或民用建造環(huán)境調(diào)整應(yīng)用的可能性，曾經(jīng)作文探討。

③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通過(guò)中，與汲取式熱泵相比，這種熱泵效率較低，目前較少采納。

④汲取式熱泵

汲取式熱泵是一種通過(guò)低品位熱源實(shí)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(duì)是“水-溴化鋰”、“氨-水”、“水-氯化鈣”。

⑤熱電式熱泵

熱電式熱泵又稱(chēng)為溫差電熱泵。它是通過(guò)Peltier效應(yīng)，即當(dāng)直流電利用了兩種不同導(dǎo)體組成的回路時(shí)，就會(huì)在回路的兩個(gè)銜接端產(chǎn)生溫差現(xiàn)象。

熱電式熱泵具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，工作牢靠，壽命長(zhǎng)，控制調(diào)整便利，振動(dòng)小，噪聲低，對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，但熱電堆的成本較高而且效率較低，因而主要用于一些特別場(chǎng)合。

⑥太陽(yáng)能熱泵

這種熱泵以太陽(yáng)能集熱器作為熱源。圖3所示的是其中一種計(jì)劃的太陽(yáng)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別場(chǎng)合的其它形式的熱泵。

3主要問(wèn)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?/p>

3.1空氣源熱泵

以空氣作為熱源的熱泵稱(chēng)為空氣源熱泵或氣源熱泵。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(lái)設(shè)計(jì)，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(duì)沖突，就是當(dāng)需要供量最大時(shí)的空氣源的溫度最低，同時(shí)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)挑選以及室內(nèi)外兩個(gè)換熱器之間的合理匹配問(wèn)題。以機(jī)組生命周期內(nèi)的總費(fèi)用最低為目標(biāo)，推舉了以空氣處理參數(shù)作為ASHP系統(tǒng)室內(nèi)外兩個(gè)換熱器之間的匹配的原則的辦法。

在確定機(jī)組的容量時(shí)，對(duì)于普通地區(qū)而言，因?yàn)榭照{(diào)負(fù)荷大于采暖負(fù)荷，因而，按照空調(diào)制冷負(fù)荷確定即可。對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)用戶(hù)，在一定的時(shí)光內(nèi)，空調(diào)負(fù)荷可能不再大于采暖負(fù)荷。在這種條件下，可以按照狀況實(shí)行兩種處理辦法：一是以極端供熱負(fù)荷及其對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件與機(jī)組的運(yùn)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(mǎn)足供熱的條件下，實(shí)行補(bǔ)充輔助加熱措施。文獻(xiàn)[7]推舉確實(shí)定起動(dòng)輔助加熱措施的條件是“熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率約為1.5至2.0”時(shí)。

對(duì)于冬冷夏熱的濕熱地區(qū)，需要考慮的另外一個(gè)問(wèn)題就是ASHP機(jī)組室外側(cè)換熱器的結(jié)霜以及由此帶來(lái)的一系列問(wèn)題。普通認(rèn)為，環(huán)境溫度在-5~5℃區(qū)間，為易結(jié)霜區(qū)，需要特殊關(guān)注。

3.2水源熱泵

以水作為熱源的熱泵稱(chēng)作為水源熱泵。通常以海水、河水、湖水及井水作為低溫?zé)嵩础Ｒ驗(yàn)樗臏囟茸兓^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(chǎng)涼水池的水作為低溫?zé)嵩吹臒岜孟到y(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際工程中采納，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?，一方面受自然條件的制約，另一方面，需要在熱泵系統(tǒng)中，實(shí)行水處理及防腐措施。

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)討論及應(yīng)用的熱點(diǎn)。井水特殊是深井水，全年溫度基本穩(wěn)定而且水質(zhì)良好，是熱泵系統(tǒng)比較抱負(fù)的低溫?zé)嵩?，在工程中采納較多。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(wèn)題。從可持續(xù)進(jìn)展的角度，這是一種不宜采納的方式。實(shí)際上，在許多國(guó)家地區(qū)，已有相應(yīng)的法律，禁止采納地下水資源作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩础?/p>

3.3土壤熱源熱泵

土壤熱源熱泵以大地作為其低溫?zé)嵩础ＭǔＪ菍⒅评浔P(pán)管理入地下，盤(pán)管與土壤舉行熱量交換，熱泵系統(tǒng)自成封閉式系統(tǒng)。按照埋管的形式不同，這種系統(tǒng)又分為橫埋和豎埋兩種方式。

SHP存在如下不足：

①造價(jià)昂貴，施工條件苛刻；

②可能泄漏，以引起土地污染；

③可能引起土地的大面積龜裂。

在工程上，一個(gè)可以借鑒的做法是，把管長(zhǎng)約100米、直徑約15厘米的管子作為一組，埋入地下。并利用一組小的內(nèi)套管將水送到大管子的底部。

3.4太陽(yáng)能熱泵

太陽(yáng)能熱泵以太陽(yáng)能集熱器作為熱泵系統(tǒng)的低溫溫度。圖3是一種計(jì)劃的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)流程暗示。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(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)水槽中的水作為系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?。假如?chǔ)水槽容量設(shè)計(jì)合理的話(huà)，即使水溫降低到5℃時(shí)，仍然可以有效使用，而且，因?yàn)樗疁剌^低，使得太陽(yáng)能集熱器能夠在較低的溫度下工作，從而增強(qiáng)了它的熱汲取率。

太陽(yáng)能熱泵的不足在于它無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效制冷循環(huán)而成為實(shí)際上的單用系統(tǒng)。

此外，假如太陽(yáng)能熱泵同時(shí)提供生活用熱水的話(huà)，需要考慮兩個(gè)系統(tǒng)的分配與轉(zhuǎn)換問(wèn)題。同時(shí)，在高緯度地區(qū)使用時(shí)，存在生活用水溫度太高的可能性，為此，在系統(tǒng)中必需考慮實(shí)行防高溫水灼傷等措施。

4部分熱泵新技術(shù)簡(jiǎn)介

熱泵新技術(shù)討論主要是圍繞提升熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)效率、提升熱泵系統(tǒng)的環(huán)境友善程度和處理空氣品質(zhì)等方面綻開(kāi)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：

①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)

利用對(duì)室外側(cè)換熱器的外表面舉行納米材料修飾，使得霜水呈球狀凝聚，從而減小凝霜或凝水在換熱器外表面凍結(jié)的機(jī)會(huì)。

②大壓差、非穩(wěn)定運(yùn)行條件下高效熱泵壓縮機(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(shí)和自適應(yīng)分液調(diào)整技術(shù)，從而適應(yīng)大壓差、非穩(wěn)定運(yùn)行條件。

③熱泵自適應(yīng)空況控制技術(shù)

按照熱泵系統(tǒng)熱動(dòng)力運(yùn)行特性，確定系統(tǒng)的自我情況診斷和自適應(yīng)空況調(diào)整控制。從該項(xiàng)技術(shù)在ASHP系統(tǒng)中應(yīng)用效果看，能夠顯然提升系統(tǒng)的SEER指標(biāo)。協(xié)作新的流程[11]，該項(xiàng)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，效果顯然。

④納米填料靜音技術(shù)

利用納米材料及微納米填料，消退工質(zhì)在節(jié)流過(guò)程、冷凝過(guò)程及蒸發(fā)過(guò)程中因?yàn)橄嘧兌鴮?dǎo)致相界間能量傳遞產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)。

⑤可吸入顆粒物納米催化及分解技術(shù)

利用在熱泵與空調(diào)系統(tǒng)空氣處理末端進(jìn)、出風(fēng)界面上舉行綱伙材料修飾，使空氣中的可吸入顆粒物經(jīng)過(guò)納米催化分解而使空氣得以?xún)艋?/p>

⑥全空氣熱泵技術(shù)

采納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)?？諝馔瑫r(shí)作為工作介質(zhì)和能量交換介質(zhì)。采納無(wú)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。

⑦納米催化高效汲取技術(shù)

通過(guò)具有勻稱(chēng)性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度多孔性納米材料作為汲取器和發(fā)生器的填料，可以提升汲取效率和發(fā)生效率及速率，從而使得汲取時(shí)制冷機(jī)或汲取式熱泵機(jī)組的小型化稱(chēng)為可能。以三氯化鐵和氫氧化鈉為原料，通過(guò)溶膠-凝膠過(guò)程和超臨界干燥技術(shù)，經(jīng)過(guò)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)的低密度多孔性納米材料是一種可能的納米催化高效汲取填料。

⑧高效率、低污染燃燒技術(shù)

燃燒器表面經(jīng)過(guò)鈦基納米粒子修飾后，在納米粒子的催化作用，可以對(duì)燃燒反應(yīng)條件舉行控制和調(diào)整，從而使自然?氣的燃燒更快、更充分，與此同時(shí)，抑制氮氧之間的反應(yīng)，從而使燃燒反應(yīng)中間產(chǎn)物削減，提升燃燒效率。

⑨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(dòng)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。試驗(yàn)證實(shí)，采納柔性吸、排氣通道結(jié)構(gòu)，可以削減制冷或熱泵機(jī)組噪聲，并改善它在系統(tǒng)中的傳輸特性。

⑩往復(fù)式壓縮機(jī)吸氣回流增阻技術(shù)等。

對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，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(dòng)的主要因素之一，由它產(chǎn)生的氣流脈動(dòng)可以從低壓側(cè)傳輸?shù)礁邏簜?cè)。采納回流增阻結(jié)構(gòu)的吸氣通道，可以降低壓縮機(jī)產(chǎn)生的噪聲及振動(dòng)，并使壓縮機(jī)的效率有所