热泵相关概述

热泵相关概述第一节热泵的定义及分类一、热泵的概念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、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。我国热泵市场的销售渠道主要是企业自营模式、代理模式和二者的混合模式三大类。直营模式是企业在各地开设分公司或派出业务人员直接经营，这种模式主要以商用机为主，家用机此种模式较少。直营模式受企业实力和能力的限制，难以做强做大。经销制模式是厂家在各地建立派出机构，拓展渠道，前期派出业务人员进行辅导性工作,后期由经销商独立完成市场操作，这种模式存在的问题是企业和经销商利益博弈的后果常常是二者分家，渠道不稳定。第三种是混合模式。智研咨询数据显示，由一些企业在周边市场采用直销模式，而在外埠市场采取经销制。从行业内看，经销商模式占据很大比例。总体上看，热泵行业的销售渠道建设还处在初级阶段，非常适合的渠道模式以及渠道管理方式仍然不很确定。二、热泵与制冷机的区别1、当使用目的是从低温热源吸收热量是，系统称为制冷机；当使用目的是向高温热源释放热量时，系统称为热泵。2、制冷循环和热泵都是消耗外功或热能而实现热由低温传向高温的。制冷循环的目的是获得低温，热泵的目的是获得高温。热泵工作时，环境作为低温热源, 而制冷机工作时，环境是高温热源。3、热泵是一种以冷凝器放出的热量对被调节环境进行供热的一种制冷系统。就热泵系统的热物理过程而言，从工作原理或热力学的角度看，它是制冷机的一种特殊使用型式。它与一般制冷机的主要区别在于：（1）使用的目的不同。热泵的目的在于制热，研究的着眼点是工质在系统高压侧通过换热器与外界环境之间的热量交换；制冷机的目的在于制冷或低温，研究的着眼点是工质在系统低压侧通过换热器与外界之间的换热；（2）系统工作的温度区域不同。热泵是将环境温度作为低温热源，将被调节对象作为高温热源；制冷机则是将环境温度作为高温热源，将被调节对象作为低温热源。因而，当环境条件相当时，热泵系统的工作温度高于制冷系统的工作温度。三、热泵的分类(一)空气源热泵以空气作为“源体”，空气源热泵，通过冷媒作用，进行能量转移。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4050%，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2030%，而且应用范围继续扩大并有向此移动的趋势。(二)水源热泵以地下水作为冷热源体，在冬季利用热泵吸收其热量向建筑物供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放、实现对建筑物供冷。虽然目前空气能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。(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。(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。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。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。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1535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。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。第二节热泵的由来及应用情况一、热泵的起源及发展历史1、热泵的理论起源于十九世纪早期卡诺的著作，他在1824年发表关于卡诺循环的论文，这个理论经过30年后，在1850年初开尔文（L.Kelvin）提出：冷冻装置可以用于加热，之后许多科学家和工程师对热泵进行了大量研究，这种研究持续了80年之久。1852年威廉.汤姆逊（WillianThnmson）发表了一篇论文，首先提出一种热泵设想。在十九世纪七十年代，应用这些原理的制冷设备的开发工作得到了迅速的发展。在开发制冷设备这一历史时期内，热泵的开发工作却落到了后面，这主要是因为热泵的开发工作主要取决于能源费用和能源有效利用率，同时也取决于各种可能利用其它加热器的使用情况等。直到20世纪2030年代，热泵才得以较快的发展。当时，英国安装了第一台热泵。20世纪20年代中期，Krauss和Morey在Thomson论文的基础上进行了重新论述，并加以完善，从当时制冷设备的性能来研究热泵的可行性。霍尔坦（Haldane）进行了这一研究工作，从运行的制冷装置测得不同输出温度下热泵的性能系数（COP）为逆向卡诺机理论效率的1/3-1/2，并在1927年在他苏格兰家中安装了一台实验用热泵，进行循环供暖和水加热。1930面霍尔坦在他的著作中介绍了这台一台家用热泵的安装及实验情况。而在此之前，1912年瑞士的苏黎世已成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，并以此申报专利，这就是早期的水源热泵系统，也是世界上第一个水源热泵系统。欧洲第一台较大的热泵装置是19381939年间在苏黎世投入运行的，它以河水作热源，工质是R12，这台热泵装置用来向市政厅供热，出力是175kW，输出水温60，并装有蓄热系统，同时在高峰负荷期间采用电加热作为辅助加热。此热泵装置在夏季也进行制冷运行。热泵工业在20世纪40年代到50年代早期又获得迅速发展，到1943年大型热泵的数量已相当客观。40年代，美国也开始对热泵有了近以步的认识。1948年小型热泵的开发工作有了很大的进展，家用热泵和工业建筑用的热泵大批投放市场。英国50年代也生产了许多小型民用热泵。1950年左右，在美、英两国开始使用地下盘管吸收地热作为热源的家用热泵的研究工作热泵工业在20世纪50年代到60年代初（1952-1963）这10年中，又经历着迅速成长的阶段。由于热泵可以把制冷与采暖合用一套装置，而热泵若在电力充足而电能价格又便宜的地区使用时，其运行费用甚低。因此，用户对热泵产生兴趣，使热泵进入了早期发展阶段。燃而，由于设备费用高昂和可靠性较低，美国在6070年代初期的经历几乎毁灭了热泵工业。到1964年，热泵可靠性的问题已成了一个十分严峻的问题，又因60年代电价持续下降,人们对电加热器的需求不断增加，成了热泵发展的主要竞争对手，限制了热泵的发展，热泵工业进入了10年的徘徊状态。不过在此期间，在全世界范围内热泵的应用还是不断扩大，日本、瑞典等国小型的家用空气源热泵产量大幅提高，在英国、德国大型热泵装置与大型商业和公共建筑的热回收方案结合取得了一定成果。20世纪70年代初期，人们广泛的认识到矿物燃料在地球上是有限的。1973年“能源危机”的出现，热泵又以其回收低温废热，节约能源的特点，在产品经改进后，重新登上历史舞台，受到了人们的青睐。比如美国，热泵的产量从1971年的8.2万套/年猛增至1976年的30万套/年，1977年再次跃升为50万套/年，而此时日本后来居上，年产量已超过50万套。70年代以来，热泵工业进入了黄金时期，世界各国对热泵的研究工作都十分重视，诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制定了大型热泵发展计划，热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断的开拓，广泛应用于空调和工业领域，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。2、热泵技术在我国的应用与发展我国热泵技术的研究开发工作与国外相比有比较大的差距。20世纪50年代，天津大学热能研究所开始着手开展热泵方面的研究，60年代开始，热泵在我国工业上开始得到应用。1965年，上海冰箱厂研制成功我国第一台热泵型窗式空调机，制热量为3720W，同年，天津大学与天津冷气机厂研制成功我国第一台水冷式热泵空调机，即我国最早的水源热泵机组，其研制者是天津大学吕灿仁教授。此后，我国热泵的研究开发工作去得了较快的进展，但到了20世纪80年代以后，热泵技术的研究日益受到人们的重视，但热泵产品主要以空气源热泵空调器和中小型的商用空气源热泵机组为主。1983年在北京召开了中国制冷学会低势热源与热泵会议，检阅了我国在这一领域中的研究成果。1988年在广州由中科院广州能源研究所主持召开了热泵的专题研讨会，使热泵技术得到了进一步的重视。在会上对压缩式热泵、吸收式热泵和化学热泵进行了学术交流。目前我国研究热泵技术的主要有清华大学、天津大学、上海交通大学、中科院广州能源研究所等一批大专学校和研究院所。经过近二十几年的研究和开发，热泵技术在我国已取得了很大进步。从1998年开始，国内数家大学建立了地源热泵实验台，以水源热泵为主的大型地源热泵已经商业化，打破了空气源热泵一统天下的局面，热泵热水器，与太阳能结合的热泵系统等新产品不断涌现，热泵技术逐渐成为空调市场的热点。二、热泵的主要应用型式1、热泵的由来随着工业革命的发展，19世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家J.P.Joule提出了“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的LordKelvin勋爵）发表论文，提出了热量倍增器（HeatMultiplier）的概念，首次描述了热泵的设想。当时，热泵供暖的对象主要是民用，供暖需求总量小，特别是对由于采暖方式及其对环境的影响尚没有足够的意识。人们采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，热泵的发展长期明显滞后于制冷机的发展。上世纪30年代，随着氟利昂制冷机的发展，热泵有了较快的发展。特别是二战以后，工业经济的长足发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供热及工业用热泵的发展。1973年的全球性能源危机，进一步促进了热泵在全世界范围内的发展。2、热泵的主要应用型式按照热泵系统的热力循环型式，通常将热泵分为如下六类：（1）蒸气压缩式热泵与制冷机一样，蒸气压缩式系统也是热泵最主要的应用型式。按照低温热源与供热介质的组合方式不同，蒸气压缩式热泵系统又分为空气空气热泵、空气水热泵、水水热泵水空气热泵、地热空气热源热泵和土壤热源水热泵等几种主要应用型式。（2）气体压缩式热泵与蒸气压缩式系统热泵不同的是，在这类热泵系统中，工作介质的工作区域为过热区。对于气体压缩式热泵系统，目前主要以二氧化碳、湿空气作为工作介质的热泵系统及相关技术，是相关领域研究的两类热点课题。使用湿空气作为工作介质的空调热泵系统及装置，以往主要用于航天方面，例如作为飞机客舱的空气调节用冷、热源设备。对于使用湿空气作为工作介质的空调热泵系统在普通工业或民用建筑环境调节应用的可能性，作者曾经作文探讨。（3）蒸气喷射式热泵,蒸气喷射式热泵的工作与原理与蒸气压缩式热泵基本相同，只是由蒸气喷射器代替压缩机。这种热泵主要用于热电厂综合热能利用中，与吸收式热泵相比，这种热泵效率较低，目前较少采用。（4）吸收式热泵吸收式热泵是一种利用低品位热源实现将热量从低温热源泵送向高温热源的循环系统。常用的工质对是“水-溴化锂（其中，以溴化锂稀溶液为工质，以溴化锂浓溶液为吸收剂）”、“氨-水（其中，以氨为工质，以水吸收剂）”、“水-氯化钙（其中，以铝化钙稀溶液为工质，以氯化钙浓溶液为吸收剂）”。（5）热电式热泵热电式热泵又称为温差电热泵。它是利用Peltier效应，即当直流电通过了两种不同导体组成的回路时，就会在回路的两个连接端产生温差现象。热电式热泵具有无运动部件，工作可靠，寿命长，控制调节方便，振动小，噪声低，对环境污染小等特点，但热电堆的成本较高而且效率较低，因而主要用于一些特殊场合。（6）太阳能热泵这种热泵以太阳能集热器作为热源。图3所示的是其中一种方案的太阳能热泵流程。除上述几种热泵外，还有化学热泵和吸附式热泵、涡流管热泵等其它主要用于一些特殊场合的其它形式的热泵。三、热泵的应用状况蒸气压缩式热泵是目前商业化应用最为广泛的一种热泵。主要以空气、水或大地作为低温热源。1、空气源热泵（AirSourceHeatPump）以空气作为热源的热泵称为空气源热泵或气源热泵（AirSourceHeatPump，ASHP）。通常制作成能够供冷、供热的两用循环系统。ASHP需要依据给定的气候条件来设计，使其容量及效率在较宽的环境温度范围内达到保证。由此，需要在性能上解决这样一对矛盾，就是当需要供量最大时的空气源的温度最低，同时机组的容量及效率也最低。此外，ASHP机组需要充分考虑不同循环条件下，节流机构的参数选择以及室内外两个换热器之间的合理匹配问题。以机组生命周期内的总费用最低为目标，作者推荐了以空气处理参数作为ASHP系统室内外两个换热器之间的匹配的原则的方法。在确定机组的容量时，对于一般地区而言，由于空调负荷大于采暖负荷，因而，根据空调制冷负荷确定即可。对于寒冷地区用户，在一定的时间内，空调负荷可能不再大于采暖负荷。在这种条件下，可以根据情况采取两种处理方法：一是以极端供热负荷及其对应的环境条件与机组的运行条件确定机组容量；二是仍然以空调制冷负荷确定机组容量，在机组供热量不能满足供热的条件下，采取补充辅助加热措施。文献7推荐的确定起动辅助加热措施的条件是“热泵系统的运行效率约为1.5至2.0”时。对于冬冷夏热的湿热地区，需要考虑的另外一个问题就是ASHP机组室外侧换热器的结霜以及由此带来的一系列问题。一般认为，环境温度在-55区间，为易结霜区，需要特别关注。2、水源热泵（WaterSourceHeatPump）以水作为热源的热泵称作为水源热泵（WaterSourceHeatPump，WSHP）。通常以海水、河水、湖水及井水作为低温热源。由于水的温度变化较小，水源热泵的性能通常要比ASHP的性能好而且稳定。目前，以污水处理场凉水池的水作为低温热源的热泵系统已经在实际工程中采用，而且经济性能良好。以海水、河水或湖水作为低温热的热泵，一方面受自然条件的制约，另一方面，需要在热泵系统中，采取水处理及防腐措施。目前，以井水作为低温热源的热泵系统，是水源热泵机组和系统研究及应用的热点。井水特别是深井水，全年温度基本稳定而且水质良好，是热泵系统比较理想的低温热源，在工程中采用较多。但是这种系统有可能存在回水困难、回水污染及破坏地下水生态资源等环境问题。从可持续发展的角度，这是一种不宜采用的方式。实际上，在许多国家地区，已有相应的法律，禁止采用地下水资源作为热泵系统的低温热源。3、土壤热源热泵（SoilHeatPump）土壤热源热泵（SoilHeatPump，SHP）以大地作为其低温热源。通常是将制冷盘管理入地下，盘管与土壤进行热量交换，热泵系统自成封闭式系统。根据埋管的形式不同，这种系统又分为横埋和竖埋（又称为直埋）两种方式。SHP存在如下不足：（1）造价昂贵，施工条件苛刻；（2）可能泄漏，以引起土地污染；（3）可能引起土地的大面积龟裂。在工程上，一个可以借鉴的做法是，把管长约100米、直径约15厘米的管子作为一组，埋入地下。并通过一组小的内套管将水送到大管子的底部。4、太阳能热泵（SolarHeatPump）太阳能热泵（SolarHeatPump）以太阳能集热器作为热泵系统的低温温度。这是一种能够从更低温度的环境中有效吸取热量的系统。在系统做热泵运行时，储水槽中的水作为系统的低温热源。如果储水槽容量设计合理的话，即使水温降低到5时，仍然可以有效使用，而且，由于水温较低，使得太阳能集热器能够在较低的温度下工作，从而增加了它的热吸收率。太阳能热泵的不足在于它无法同时实现有效制冷循环而成为实际上的单用系统。此外，如果太阳能热泵同时提供生活用热水的话，需要考虑两个系统的分配与转换问题。同时，在高纬度地区使用时，存在生活用水温度太高的可能性，为此，在系统中必须考虑采取防高温水灼伤等措施。