热泵技术

hanshai EnergyConservation上海节能节能技术与产品热泵技术.上海理工大学环境学院戴睿王丽慧同济大学机械与能源工程学院吴喜平摘要:热泵技术是近年来全世界倍受关注的新能源技术。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。该文从介绍热泵的定义入手，将热泵系统进行分类并分析其主要特点及应用场合,进而分析热泵系统的经济效益以及环保效益。关键词:热泵系统;经济分析;节能Heat Pump SystemDai rui, Wang li hui, Wu xi pingAbstract: In recent years， heat pump technology, as a new energy technology, hasattracted more attention in the world wide. The heat pump is a device that transferringlow-grade energy into high-grade energy through electric power.This paper introduces thedefinition of heat pump， its classification and application. At last, analyses its economicbenefits and environmental benefits.Keywords: heat pump system; economic analysis;energysaving1热泵的定义值。例如制冷机就是利用制冷剂液-→汽相变来达1.1制冷机到制冷的目的;而冰蓄冷空调技术是利用水的液- >(1)物质相变和特点固相变来达到最大限度蓄冷的目的。在大自然界中,物质通常有三种状态,从一种(2)活塞压缩制冷的基本原理状态变化到另一种状态我们称之为物质的相变。活塞压缩制冷的基本原理是利用制冷剂如氟相变的形式有四种:固←→液;液←→汽;利昂或者氨的相变,即由汽态变成液态而放热;液固←→汽;固←→固。相变过程是等温或近似等态变成汽态而吸热的原理来达到制冷目的。温过程。相变过程中伴有能量的吸收或释放，这部图1所示是活塞压缩式制冷机的基本组成主分能量称为相变潜热。相变潜热一般较大, 以水为要 四大件,即压缩机1,冷凝器2,节流阀3和蒸发例器4。汽态的制冷剂在压缩机内被压缩,温度升固→液溶解热:90 kcalkg (1atm,0C)高,压力加大。被压缩的汽态制冷剂接着流向冷凝液→气汽化热:539 kcal/kg ( 1atm,0°C) .器，在冷凝器内制冷剂被冷却水冷却,在-定压力相变过程是一伴随有较大能量吸收或释放的下在冷凝器内变成液态。经过节流阀,制冷剂压力等温或近似等温过程,因此它有着广泛的应用价降低。此后,制冷剂迅速汽化,在蒸发器内吸收冷[基金项目]国家自然科学基金50908147、51 108263。[作者简介]戴睿,1990年8月生,上海理工大学环境学院在读研究生,攻读供热供中国煤化工YHCNMH G|32 | SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2014年第11期hanshai Energy Consevation节能技术与产品上海节能可以分成很多类型。2.1按热源和热汇(热分配系统)分类(1)空气-空气热泵。冷却水出←' 冷冻水出-冷冻水进以一侧的空气(或废气)为吸热或放热对象、以另一侧的空气(或气体)为供热或供冷对象的热泵。以空气作为热源或冷热源时使用很方便。考1.压缩机; 2.冷凝器; 3.节流阀: 4.蒸发器虑当室外气温较低时室外侧热交换器的除霜,多采图1压缩制冷机的工作原理用辅助热源,以提高冬季供热性能。空气- .空气热冻水大量的热量,冷冻水温度降低,从而达到制冷泵式空调器,冬天供热,夏天制冷,详见图3。目的。制冷剂在蒸发器内吸收大量热量后,全部汽化。汽态的制冷剂再进入压缩机,这样周而复始的室外室内循环不断产生冷量。↑+1.2热泵与制冷机的关系1压缩机中制冷制冷机在工作时,实际上同时产生热量(冷凝8中制热器)和冷量(蒸发器),冬季能有效利用其热量,夏天→制冷和制热节流阀能有效利用其冷量的装置称为热泵。如图2所示,-D如果用-只四通换向阀来控制改变制冷剂在装置1-压缩机;2- -冷凝器(蒸发器);中的流向,就可以达到夏季对室内制冷、冬季对室3-四通阀;4-蒸发器(冷凝器)图3空气-空气热泵系统图内供热的目的。(2)空气-水热泵。以空气(或气体)为吸热或放热对象、以水为供热或供冷对象的热泵。目前空气-水热泵式冷热水机组是如今办公大楼集中式空调系统使用较多的冷热源兼用型一体化设备,其单机容量范围为四通缩|换向阀| 换向阀20~1000kW。详见图4。.om- 5om3节流装置夏季制冷循环冬季热泵循环图2热泵装置8<热泵的供热系数恒大于1,他优于其他供暖咖制冷装置(如电加热器等)之处就在于消耗同样多的机5制热械功对室内供暖可比用其他方法得到更多的热量,即除了由机械功所转换的热量外还包括制冷剂在1-压缩机;2-冷凝器(蒸发器);蒸发器中吸收的热量。图4空气- -水热泵 系统图2热泵的分类(3)水-空气热泵。按照不同的工作原理、驱动形式、用途等,热泵以水(如河水。地下水、废热水等)为吸热或放中国煤化工YHi CNMHGSHANGHAI ENERGY CONSERVATION 332014年第11期hanshai EnergyConservation上海节能节能技术与产品热对象、以空气(或气体)为供热或供冷对象的热.工程应用。泵。详见图5。(6)土壤-空气热泵(大地耦合式热泵)。以土壤为吸热或放热对象、以空气为供热或供室内冷对象的热泵。其余与土壤-水热泵相同。详见吟oCoA室外图7。o压缩机.4吻制冷之制热节流阀+制冷和制热岂冒室外DA大地回路1压缩机1 -压缩机;2- -冷凝器(蒸发器);3-四通阀;4-蒸发器(冷凝器);呻制冷中制热图5水--空气热泵系统图.→制冷和制热(4)水-水热泵。1-压缩机;2-冷凝器(蒸发器);以水(如河水、地下水、热污水.工业冷却水等)3-四通阀;4-蒸发器(冷凝器)图7大地耦合式热泵为吸热或放热对象、以水为供热或供冷对象的热泵。可用于向室内的采暖装置供应热水供应生活2.2按全年所用的采暖机组数目分类用热水等。目前已有整装机组,可供应多种温度的根据当地所特有的,或者在某种情况下给定的家庭热水。由于水的比热大,便于输送,因此也适能源关系,有时选择热泵全单独供热,或者与一台用于建筑物的集中供热系统。目前已有很多应用或几台机组一起供热。按照运行方式分类如下:实例。详见图6。(1)单-热泵,由该热泵供应全年所需的热量。(2)双联热泵1)交替运行:热泵仅在-年的部分时间供应有er室外↑↓自上室内用热量,在其余时间，则由另- -供热装置供应能量;T压缩机2)并联运行:热泵只在一年的一段时间单独供给所需的有用热量,在其余的时间里,热泵仍然>制热保持运行,但是需要由其他的供热装置辅助供给能，制冷和制热量、以满足对热量的峰值要求。-D<(3)三联热泵:热泵满足部分供热需要,而由另外两台供热装置(例如采暖锅炉和太阳能装置)图6水- -水热泵系统图供给所需的其余热量(三联方式)。(5)土壤- -水热泵(大地耦合式热泵)。以土壤为吸热或放热对象、以水为供热或供冷3热泵技术的主要特点及使用场合对象的热泵。由于地下土壤温度比较稳定,将盘管3.1热泵技术的主要特点埋入土壤中，夏季可以降低冷凝温度,冬季可以提热泵机组既可以进行制冷,又可以进行供热。高蒸发温度,所以能效比较高。除了埋地盘管外换热泵机组供热的主要特点是:高效、节能、环保、安热方式不同,装置的结构相当于一个水-水热泵。全。无燃烧,无电器推动元件,绝对安全;无任何废作为典型的浅层地热能利用的技术,目前已有广泛气、 废水、废渣排放，绝对环保。执泵机组全年平均中国煤化工YHCNMH G .34 SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2014年第11期hanshai Energy Consevation节能技术与产品上海节能运行成本只需电直接加热的1/4,燃油、燃气加热的出40%,可达到4.0~4.5。1/3~1/2,常规太阳能的1/1.5。3.2热泵技术使用场合(1)空气源热泵,具有系统简单的特点。由于空气源热泵使用场合十分广泛,可广泛应用于冬季供热时可省去锅炉房,夏季供冷时省去冷却水工厂 ,家庭、商业等领域,可用于公寓、别墅、学校、系统(包括冷却塔、冷却水泵、管网及水处理设备),医院、办公楼、宾馆酒店等多种建筑。空气源热泵布置十分方便,因而得到了广泛的应用。但它也有在我国长江流域的夏热冬冷地区正得到了大力的不少的缺点:推广应用。但是在黄河流域及北方寒冷地区,冬季1)空气热容量小。为了从空气中获得所需热由于室外温度低于-5°C时,出水温度降低,热备出量,换热器体积大,风机的风量也大。力降低,仍按传统模式，由空气热泵与风机管组成2)空气温度变化大。冬季,其制热量随室外的空调系统就难于产生足够的可用于采暖的热风。空气温度降低而减少,而在夏季,制冷量随室外空水源热泵,理论上可以利用一-切的水资源,其气温度升高而减少,这与建筑热负荷需求趋势正好实在实际工程中,不同的水资源利用的成本差异是相反。相当大的。所以在不同的地区是否有合适的水源成3)当室外侧换热器表面温度低于空气露点温为水源热泵应用的- -个关键。目前的水源热泵利用度,且低于0°C时,换热器表面会结霜,需要定期除方式中,闭式系统一般成本比较高,而开式系统,能霜,这也要消耗大量的能量,在除霜过程中,压缩机否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条及四通阀的稳定运行受到影响。件。对开式系统，水源要求必须满足一定的温度、水(2)水源热泵,其主要优点有:量和清洁度。此外,对于不同的建筑负荷特性,所需1)机组效率高,设备紧凑。水的温度-般较要的水体情况不一致,水体的冷热品质和水体的物稳定,且冬季水温高于大气温度,夏季水温低于大理特性决定了水源热泵机组是否可以正常运行。若气温度。因此,机组运行工况良好,其制热、制冷系水体 条件较差,与建筑的负荷特性不匹配,就可能不数均高于空气源热泵。能采用水源热泵系统。因此,水体的热物理性质决2)机组运行可靠,不存在冬季制热运行时室定了并非所有项目都适合水源热泵系统。外机结霜问题。地源热泵的使用场合相当的广泛,可用于医水源热泵的主要缺点是受当地水资源因素影院、办公楼.商场等多种建筑。但是实施需要具备响,应用场合受到限制;其初投资-般也较大。的一定的基本条件:首先、同时具有冬夏空调负荷,(3)地源热泵,它的优点有:并且年冷热负荷较接近时对地源热泵系统的持久1)属可再生能源利用技术。储存于地表浅层的运行有利。其次、当地地下土壤温度在13~ 19°C地热是一种可再生能源,土壤源热泵正是利用了地之间时土壤换热器有较好的冬夏取放热特性,这个球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换的空范围基本包括我国大部分夏热冬冷地区和京津唐调系统。且这种空调系统不受地域、资源等限制。地区,但在东北和华南采用热泵并不合适,其冷热2)属高效、经济的节能技术。由于地表5米以负荷差异过大,热泵冬夏两用效能难以发挥且土壤下温度一年四季相对稳定,夏季比环境空气温度热平衡难以保证。再者、使用空调系统地区100 m低,冬季比环境空气温度高,是热泵很好的冷/热范围内应不存在较厚的砾石等坚硬地层,存在保水源。这种温度特性使得土壤源热泵比传统系统运性好的砂土层对于实施土壤源热泵最为有利。最行效率要高,节能效果明显,运行更加可靠、稳定。后、项目具备合适的土壤换热器布置面积，但是不与传统的空气源热泵相比,机组制冷制热系数要高中国煤化工!下珐第第39页)MHCNMHGSHANGHAI ENERGY CONSERVATION 35|2014年第11期S hanghai Energy Consevation节能工程上海节能利用。高炉冲渣水普遍温度高(70°C ~ 90°C)且循环水,初步估计可回收利用蒸汽4~5t/h,发电307万量大,行业中相当多企业为降低冷却水温度还搭配了kWh/a,另一 方面通过高效换热器换热形成热水源供冷却塔等设施,因此可将高炉冲渣水进行沉淀、过滤,企业取暖用，预计可产热水1500~ 3000t/d。处理后的高炉冲渣水和冷凝水由热水泵供市区采暖,供暖后冲渣水返回高炉冲渣系统继续循环使用,实现3结束语节能降本。2012年不锈钢公司通过技术改造率先实钢铁生产过程中余热余压能的回收利用对降现了750高炉冲渣水废热的回收利用,换热生成低生产的总能耗和节约成本具有重要意义,特别是90°C左右的生活热水,并完成公司浴室热水替代蒸余热 余能的小循环利用。在回收利用余热余能时,汽和外供周边社区、学校、浴室等1500t左右的热水，要根据余热余能资源的“数量”和“质量”,以及用户实现了企业经济效益和履行社会责任的双贏。对能量品质的需求,在供需之间尽量做到能级匹2.5“乏汽”与“闪蒸汽”能源利用配、温度对口、梯级利用,在符合技术经济要求的条由于工艺要求和管网限制，零星放散蒸汽资源在件下,选择适宜的用能系统和设备,使回收的余热冶金企业较为普遍例如:余热锅炉的零排和定排“闪余能发挥最大的经济和环境效益。蒸汽”、生产过程降级使用(加热、干燥等)的乏汽等,同时受技术装备与汽源特点限制回收利用价值不高，参考文献:回收意愿和积极性也不高。通过全面现场调研分析,[1]翁宇庆通过能源管理、技术节能推动能耗目前不锈钢公司在包括炼钢蓄热器系统公司管网集降低[N]《中国冶金报》2012年7月3日版中放散点、锅炉系统定排、热轧余热锅炉安全零排等[2]李顺“国内外熔融高炉渣显热回收方”.《工处,存在一定蒸汽放散,尤其公司管网集中放散点,受业加热》第38卷2009年第三期炼钢冶炼间歇性产汽对系统管网冲击因素影响，集中[3]“全国冶金节能减排与低碳技术发展研讨会文而间歇性放散蒸汽作为系统调节无法彻底消除,该部集” [R].中国金属学会、河北省冶金学会:2011年9月分蒸汽不仅影响环境,同时造成能源浪费。对于该类[4]“冶金行业节能新技术培训讲义”[R].上海应资源,借鉴本行业先进工艺技术,可通过缓冲蓄热装用技术学院能效检测与评估研究中心2013年11月置将放散的过热蒸汽实施_二次回收,一方面可以采用[5]“2013年上海工业节能技术创新及推广应低投入高效率的螺杆发电装置进行发电和回收冷凝用 研讨会报告集”[R].2013年8月29日上海(上接第35页)(制热)量就大。夏季空气温度远高于地表水,土地能为了埋设较多的土壤换热器而减小合理的土壤及深井水,制冷时，如把工业厂房内的热量排到地换热器间距,否则不但土壤换热器的出力会下降而表水、土地或深井水中去,这样消耗电能少。也就且会恶化土壤换热器的持久运行特性。是说制冷的COP值大,达到节能效果。冬天制热3.3热泵技术的节能特点正好相反,因此地源热泵、水源热泵得到了广泛的热泵作为空调系统的冷热源方式,近十年.应用,它们确实收到了很好的节能减排效果。来,得到了广泛的应用,除了其方便之外,更重要的是它的节能。众所周知,制冷机工作时,就是把低温端的热量(蒸发器)拿到高温端(冷凝器)去,在其[1]张旭等 热泵技术,北京:化学 工业出版社，他条件不变的情况下，高、低温端的温差小则制冷2007中国煤化工MHCNMHG .SHANGHAI ENERGY CONSERVATION 392014年第11期