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浅淡空气源热泵技术及应用前景

2019-09-10许强徐继凯刘晓艳

E动时尚·科学工程技术 2019年19期
关键词:新能源

许强 徐继凯 刘晓艳

摘 要:随着经济和各行各业的快速发展,在能源紧张的大环境下,空气源热泵系统越来越受到人们的关注。针对空气源热泵目前的应用和研究现状,总结了空气源热泵系统冷热源、输配系统、末端的优化方向。就如何提高空气源泵系统供热能效提出了建议,并提出了进一步研究的方向。

关键词:空气源热泵;逆卡诺循环;能效比;新能源

1 空气源热泵的特点

空气源热泵机组就是利用室外环境中的空气能量,机械做功后,将能量从低位热源向高位热源转移的热泵装置,可利用冷凝热来提供生活热水,从而配置成热回收型机组。我国长江流域夏热冬暖地区具有夏季高温闷热,冬季阴冷潮湿的气候特点,但由于该地区供暖期短,且我国能源紧张,不宜选用集中供暖形式,空气源热泵具有节能、冷热兼供、无需冷却水和锅炉等优点,适用于我国夏热冬冷地区作为中央空调的冷热源。空气源热泵和水源热泵相比初投资可低30%~50%,在沈阳,空气源热泵的运行费用和集中供暖的运行费用相差不大,但比燃气壁挂炉供暖的运行费用少15%以上,比电采暖少60%以上。它具有一机多用、节能、环境友好的优势。空气源热泵机组在低温高湿的环境中使用时,常出现换热器表面结霜,压缩机频繁启停,供热能力降低,需要定期除霜才能保证系统稳定运行。

2 空气源热泵工作原理及应用

2.1 卡诺循环

空气源热泵、空调、冰箱等制冷、制热设备基本上都是利用了逆卡诺循环的原理,逆卡诺循环是卡诺循环的逆循环。法国工程师卡诺通过研究蒸汽机的基本结构和工作过程,抛开所有非主要因素,从理想循环着手,用普遍理论的方法,作出了如下结论:消耗热可以得到机械功。他指出,热机一定要在高温热源和低温热源之间工作,“凡是有温度差的地方就能够产生动力;反之,凡能够消耗这个力的地方就能够形成温度差,就可能破坏热质的平衡。”他构造了一个在冷凝器和加热器之间的理想循环:汽缸和加热器连通,使加热器的温度与汽缸内的工作物质水和饱和蒸汽温度相等,让汽缸内的蒸汽缓慢地膨胀,保持在整个过程中,蒸汽和水都处于热平衡。接着让汽缸和加热器互相隔绝,使蒸汽绝热膨胀,直到温度和冷凝器的温度相等。然后活塞缓慢地压缩蒸汽,一段时间后冷凝器与汽缸脱离,作绝热压缩一直恢复到初始的状态。这循环是由两个等温过程与两个绝热过程组成的循环,叫作“卡诺循环”。卡诺循环由四个过程组成:等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩。

2.2 冷热源优化

常规空气源热泵机组采用单级压缩循环,在我国华北、西北等寒冷地区使用时制热能力衰减,无法在冬季正常运行。随着产品的研发更新,先后出现了带油冷却的单级压缩系统、准二级压缩系统、二级压缩系统、复叠式系统、多种能源形式的复合系统等。目前,已经研制出适用于寒冷地区的低环境温度空气源热泵机组,可在室外温度不低于-20℃时制取30~50℃的供暖热水。随着技术的进步,国内外学者对低环境温度空气源热泵的改进进行了大量试验研究,使其能适用于寒冷地区供暖。空气源热泵机组的结霜问题饱受诟病,在室外温度较低的寒冷地区使用时易结霜,结霜严重时会影响机组运行的稳定性。目前,常用的除霜方法主要有:逆循环除霜、热气旁通法除霜、蓄能除霜和工质过冷除霜法。前两种除霜措施均存在能量供给不足、效率不高、系统不稳定的缺点;蓄能除霜可以克服能量补给的不足,但结霜时系统制热量衰减、除霜时不能供热、相变材料的性能稳定性问题都有待改进;工质过冷除霜法可提高理论制热系数,但采用喷射膨胀阀会增加设备成本。有学者提出无霜空气源热泵,该系统采用加热再生方式,再生效率低,供热能效不高。郭浩增等人提出多热源辅助除霜法,该方法主要是通过储存用电低峰期的制热量和太阳能等多种热源,实现多种热源辅助除霜的目的。余延顺等人提出冷冻再生的溶液除霜型空气源热泵机组,该机组运用盐溶液喷淋的方式除霜,除霜完成后的稀溶液再采用冷冻方式使其再生,从而实现连续供热,溶液再生方式由加热法改进为冷冻法,再生过程能耗降低。

2.3 空气源热泵

空气源热泵热水器内置了一种吸热的介质———制冷剂(冷媒),它液体的状态下温度低于零下20℃,一般与外界自然温度存在着温差,故此,制冷剂可以吸收外界自然的温度,在蒸发器内部产生压力并且蒸发汽化,通过热泵的循环,使制冷剂从汽体状态转化成液体状态,它携带的热量便释放给了热泵热水器机组水箱中的储用水。空气源热泵工作过程包括以下四个步骤:①低温低压的液态制冷剂经膨胀阀节流降压;②制冷剂通过降压后,接着进入交换机中蒸发,从而在空气中吸收大量的热量Q1,制冷剂转为气态;③气态制冷剂进入压缩机被压缩,变成高温高压的制冷剂;④压缩后的高温高压气态制冷剂进入热交换器后,把它所含的热量释放出来,将冷凝器中的冷水加热,冷水被高温高压制冷劑加热到55℃(最高可以到65℃)进入保温水箱,此时制冷剂也由气态转变为液态。如此一直循环,源源不断地从空气中吸收热量给冷水,使冷水温度升高。

3 空气源热泵供热产业前景

由于受到国家清洁能源利用政策的影响,商用领域的空气源热泵产品源于其具备高节能、无污染的特性,成为各个地区的替代选择,致使本身单台价格远高于家用产品的商用产品销售额规模迅速提升。细分产品方面,受整体基础原材料价格上涨的影响,空气源热泵热水产品增长乏力;在政策影响下,相对的采暖机组在清洁取暖市场上夺得一定份额,一方面通过政府层面的推动大大提升了产品认知度,另一方面带动整体行业规模迅速提升。

结语

随着空气源热泵机组的能效不断提高,设备除霜技术的成熟,末端产品的不断优化,系统配置设计优化,空气源热泵系统,特别是空气源热泵供暖系统在我国南、北方地区都将有着广泛的应用市场。

参考文献

[1]王钢.热机及其效率研究[J].自动化应用,2015,26(8):11-13.

[2]卫国强.空气源热泵COP值与节能应用探讨[J].山西建筑,2017,(22):19

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