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空气源热泵技术及其应用

日期:2019年8月5日 17:23

  摘要

  热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。人们所熟悉的“泵”是一种可以提高位能的机械设备,比如水泵主要是将水从低位抽到高位。而“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低位热能,经过电能做功,提供可被人们所用的高位热能的装置。空气源热泵,作为热泵技术的一种,有“大自然能量的搬运工”的美誉,有着使用成本低、易操作、采暖效果好、安全、干净等多重优势。本文便是对空气源热泵的发展历史,技术特点以及实际应用进行介绍。

  1. 空气源热泵的简介

  1.1概念

  空气能(源)热泵是由电动机驱动的,利用蒸汽压缩制冷循环工作原理,以环境空气为冷(热)源制取冷(热)风或者冷(热)水的设备,主要零部件包括热侧换设备、热源侧换热设备及压缩机等。空气能(源)热泵利用空气中的热量作为低温热源,经 过传统空调器中的冷凝器或蒸发器进行热交换,然后通过循环系统,提取或释放热能,利用机组循环系统将能量转移到建筑物内,满足用户对生活热水、地暖或空调等需求。

  1.2 特点

  1.用途广泛、四季无忧

  空气能(源)热泵既能在冬季制热,又能在夏季制冷,能满足冬夏两种季节需求,而其他采暖设备往往只能冬季制热,夏季制冷时还需要加装空调设备。

  2.安全运行、保护环保

  空气能(源)热泵采用热泵加热的形式,水、电完全分离,无需燃煤或天然气,因此可以实现一年四季全天24小时安全运行,不会对环境造成污染。

  3.使用灵活、没有限制

  相比太阳能、燃气、水地能(源)热泵等形式,空气能(源)热泵不受夜晚、阴天、下雨及下雪等恶劣天气的影响,也不受地质、燃气供应的限制。

  4.节能科技、省电省心

  空气能(源)热泵使用1份电能,同时从室外空气中获取2份以上免费的空气能(源),能生产3份以上的热能,高效环保,相比电采暖每月节省75%的电费,为用户省下如此可观的电费,很快就能收回机器成本。

  5.除了灵活、节能、省电等各种优势之外,空气能(源)热泵也存在一定的限制因素,比如:环境适应性问题。

  空气能(源)热泵的能量来源是空气中的热能,但面对极严寒的气候,尤其在 国北方,空气中的热能少,所能转换的热能也就有限。普通的空气能(源)热泵的工作效能在-10℃或更低的极低温环境中会大打折扣,影响机组整体运作,无法保证采暖或热水供应。因此,为了攻克普通空气能(源)热泵冬季供暖受气候条件制约的技术难题,具有强效制热效果的技术应运而生,如:艾默生谷轮™EVI涡 旋强热技术。

  1.3发展历史

  热泵的理论起源于1824年卡诺发表的关于卡诺循环的论文,经过三十年后,在1850年初开尔文提出冷冻装置可以用于加热,之后许多科学家及工程师对热泵进行了 长达80年的大量研究。空气源热泵技术是在1924年发明,但并未被人们充分认识和应用,直到二十世纪六十年代,世界能源危机爆发,热泵以其回收低温废 热,节约能源的特点,经过改进而登上历史舞台受到人们的青睐。在欧美大多数发达国家,如澳大利亚、英国、法国、德国、北欧南欧等国家,热泵产品已经进入了大多数家庭。在美国,热泵的产量从1971年的 8.2万套/年增至1976年的30万套/年,1977年再次增加为50万套/年,而此时,日本后来居上,年产量超过50万套。据1998年美国的调查数 据显示,美国约有30%的热水供应设备采用空气能热水机组,到从2001年开始美国每年安装40万台空气能热水器,并保持每年10%的速度递增。

  在我国,空气能热水器于2002年前后进入,首先登陆广东。由于它的超级节能和全天候的特点,在60℃以下的热水市场中,迅速普及到酒店、校园、工厂、体育馆等企事业单位设施中。

  其实,热泵的研究在我国起步比较早,50年代,天津大学的学者开始研究热泵,60年代开始在我国应用暖通空调中,70年代末期,热泵空调的发展和应用机遇来临,80年代初至90年代末我国暖通空调出现热泵热。

  1.4优点

  节能 热泵从室外的空气中获取热量,仅消耗少量电能,可把消耗的电能转化成3倍以上的热能实现供热。

  环保 热泵热水机组在运行时无任何排放及污染,绿色环保,符合环保要求。

  安全 消除了普通热水机组系统中的易燃、易爆、触电、煤气中毒等安全隐患。

  可靠 产品运行性能稳定,使用寿命长,维护费用低。

  简单 可安装在屋顶、阳台、庭院、地下室等位置,无需专用机房,不占用永久性居住面积。

  结构独特 换热器独特设计,结构紧凑美观,气流组织分布均匀,效率高,换热充分。

  智能控制 依据模糊控制原理,动态检测用户负荷,快速达到设定温度后,保持负荷动态匹配,平稳运行。智能柔性除霜,可以根据不同地区的气候条件设定除霜参数和控制方案,使除霜更彻底、更灵活、更节能。

  模块化设计 可根据用户的实际需要灵活添加。

  全天候运行 一年四季全天候运行,不受夜晚、阴天、雨雪等恶劣天气影响。

  健康舒适 提供舒适热水,稳定适宜的温度,保证人体的舒适度。

  经济节资 机组制热效率高,节省投资运行费用。

  1.5工作原理

  热泵技术是基于逆卡诺循环原理实现的。通俗的说,如同在自然界中水总是由高处流向低处一样,热量也总是从高温传向低温。但人们可以用水泵把水从低处提升到高处,从而实现水的由低处向高处流动,热泵同样可以把热量从低温热源传递到高温热源,所以热泵实质上是一种热量提升装置。热泵的作用就是从周围环境中吸取热量(这些被吸取的热量可以是地热、太阳能、空气的能量),并把它传递给被加热的对象(温度较高的媒质)。

  热泵热水装置,主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大部件组成,通过让工质不断完成蒸发(吸取环境中的热量)→压缩→冷凝(放出热量)→节流→再蒸发的热力循环过程,从而将环境里的热量转移到水中。

  热泵热水机组工作时,蒸发器吸收环境热能,压缩机吸入常温低压介质气体,经过压缩机压缩成为高温高压气体并输送进入冷凝器,高温高压的气体在冷凝器中释放热量来制取热水,并冷凝成低温高压的液体。后经膨胀阀节流变成低温低压液体进入蒸发器内进行蒸发,低温低压液体在蒸发器中从外界环境吸收热量后蒸发,变成低温低压的气体。蒸发产生的气体再次被吸入压缩机,开始又一轮同样的工作过程。这样的循环过程连续不断,周而复始,从而达到不断制热的目的。

  热泵原理示意图如下:

  

 

  热泵在工作时,把环境介质中贮存的能量QA通过蒸发器进行吸收;热泵本身做功消耗的能量,有部分转化为热能QB;热泵循环工质在冷凝器中释放的热量QC等于QA+QB,由此可以看出,热泵输出的能量为机组做功产生的热能QB和热泵在环境中吸收的热量QA;因此,采用热泵技术可以节约大量的电能。

  热泵的节能原理如下图所示

  

 

  举例:TFS-SKR760(S)机组,热泵系统输入功率6.88 kW,周围环境温度20℃,输出的制热功率却达到31kW,这意味着热泵工作时从周围环境吸收了大量的免费热能。在此过程中,系统仅仅只消耗了6.88 kW的电能,却能等同于输入功率为31kW/0.95=32.63 kW的传统电热水器完成的工作,系统能效系数COP高达 450% 。(COP = 制热量/输入功率)

  热泵热水机组是利用热泵技术原理,在热泵系统的工作循环中,将免费能源——空气热能搬运到水中,从而达到加热冷水生产热水的目的的一种高效、环保、节能型热泵产品。它的最高热效率可达590%,年平均热效率可达360%。

  在制取低温(60摄氏度以下)的热能方面,以消耗电能或燃料的化学能这种传统方式已经开始逐步让位给热泵制热方式,因为在这一领域,热泵系统的制热效率可以轻易的超出传统方式数倍以上;因此,制60℃热水费用小于太阳能辅助电加热系统;比电热锅炉节电80%;比燃油锅炉节省耗能费用50%;制热水量可以根据需求自动调节。适应温度范围在-10~50℃的地区。

  热泵热水机组适用于宾馆酒店、饭店、度假村、泳池、桑拿浴场、公寓、工厂、大专院校、医院、疗养院等需要热水的单位使用,尤其在燃油越来越紧张的今天,更体现了热泵的优越性。

  2. 空气源热泵的应用

  2.1 空气源热泵在我国的应用

  欧洲第一台热泵机组是在1938年间制造的。它以河水低温热源,向市政厅供热,输出的热水温度可达60oC。在冬季采用热泵作为采暖需要,在夏季也能用来制冷。1973年能源危机的推动,使热泵的发展形成了一个高潮。目前,欧洲的热泵理论与技术均已高度发达,这种“一举两得”并且环保的设备在法、德、日、美等发达国家业已广泛使用。

  80年来,我国热泵在各种场合的应用研究有了许多发展。针对我国地热资源较丰富的情况,若把一次直接利用后或经过降温的地下热水作为热泵的低位热源使用,就可增大使用地下水的温度差,并提高地热的利用率,这在京津地区早已有过应用实践。而这种设备同时对于我国能源使用效率不高、分配不均匀的现状也提出了一个有效的解决方法。

  2.2空气源热泵的技术性分析

  1.空气源热泵机组可以达到一机两用的效果,即冬季利用热泵采暖,夏季进行制冷。既节约了制冷机组的费用,有节省了锅炉房的占地面积,同时达到了环保。

  2.如业主已有地热井,则可利用空气源热泵装置进行梯级转换,能大大便于热资源的充分有效地利用。

  3.用于生活采暖和生活水加热等需要的能源消耗,如果依靠直接电热会造成能源再浪费,是不可取的,采用热泵供热和加温才能更有效的利用电能。

  4.使用空气源热泵技术供热采暖对大气及环境无任何污染,而且高效节能,属于绿色环保技术和装置,符合目前我国能源、环保的基本政策,对用户本身也无形中起到自我宣传的作用。

  2.3 空气源热泵的经济性分析

  空气源热泵的经济性是由多方面来确定的,它与锅炉房供热相比,显然具有以下特点:

  1.运行附加费较小,这是因为:

  (1)热泵装置不需要燃料输送费用和保管费、排渣运输费等;

  (2)检修周期较长,因锅炉设备与高温烟气接触,构件极易受损;而热泵系统只有两个部件运动,磨损少,平时无需任何检修。

  (3)管理人员与劳动强度均可减少,节省工资开支。

  2.运行直接费用(电费)一般比燃煤锅炉大,这是热泵的主要开支。

  3.热泵初投资费用常大于锅炉房设备(指单纯为冬季供热而设)。相同容量的制热设备比锅炉设备为贵。此外,初投资与装置规模,机房土建规模投资亦有关。

  2.4 空气源热泵的能量利用分析

  地下水的差温蓄能量大,属于低位热源,通过热泵的转换即可成为生活和生产过程的有用热量。而热泵拥有大于1(1:3.2—5.4以上)的能效,对能量的利用远远优于其他方式的采暖方式。

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