熱泵應用及熱泵技術分析

1 熱泵與制冷機

    熱泵是一種以冷凝器放出的熱量對被調節環境進行供熱的一種制冷系統。就熱泵系統的熱物理過程而言，從工作原理或熱力學的角度看，它是制冷機的一種特殊使用型式。它與一般制冷機的主要區別在于：

    ①使用的目的不同。熱泵的目的在于制熱，研究的著眼點是工質在系統高壓側通過換熱器與外界環境之間的熱量交換；制冷機的目的在于制冷或低溫，研究的著眼點是工質在系統低壓側通過換熱器與外界之間的換熱；

    ②系統工作的溫度區域不同。熱泵是將環境溫度作為低溫熱源，將被調節對象作為高溫熱源；制冷機則是將環境溫度作為高溫熱源，將被調節對象作為低溫熱源。因而，當環境條件相當時，熱泵系統的工作溫度高于制冷系統的工作溫度。
   
    2 熱泵的由來及主要應用型式

    2.1 熱泵的由來

    隨著工業革命的發展，19世紀初，人們對能否將熱量從溫度較低的介質“泵”送到溫度較高的介質中這一問題發生了濃厚的興趣。英國物理學家J.P.Joule提出了“通過改變可壓縮流體的壓力就能夠使其溫度發生變化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的Lord Kelvin勛爵）發表論文，提出了熱量倍增器（Heat Multiplier）的概念，首次描述了熱泵的設想。

    當時，熱泵供暖的對象主要是民用，供暖需求總量小，特別是對由于采暖方式及其對環境的影響尚沒有足夠的意識。人們采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，熱泵的發展長期明顯滯后于制冷機的發展。

   上世紀30年代，隨著氟利昂制冷機的發展，熱泵有了較快的發展。特別是二戰以后，工業經濟的長足發展帶來的對供熱的大量需求及相對能源短缺，促進了大型供熱及工業用熱泵的發展。1973年的環球性能源危機，進一步促進了熱泵在全世界范圍內的發展。

    2.2 熱泵的主要應用型式

    按照熱泵系統的熱力循環型式，通常將熱泵分為如下六類：

    ①蒸氣壓縮式熱泵

    與制冷機一樣，蒸氣壓縮式系統也是熱泵較主要的應用型式。按照低溫熱源與供熱介質的組合方式不同，蒸氣壓縮式熱泵系統又分為空氣——空氣熱泵、空氣——水熱泵、水——水熱泵、水——空氣熱泵、地熱——空氣熱源熱泵和土壤熱源——水熱泵等幾種主要應用型式。

    ②氣體壓縮式熱泵

    與蒸氣壓縮式系統熱泵不同的是，在這類熱泵系統中，工作介質的工作區域為過熱區。對于氣體壓縮式熱泵系統，目前主要以二氧化碳、濕空氣作為工作介質的熱泵系統及相關技術，是相關領域研究的兩類熱點課題。使用濕空氣作為工作介質的空調熱泵系統及裝置，以往主要用于航天方面，例如作為飛機客艙的空氣調節用冷、熱源設備。對于使用濕空氣作為工作介質的空調熱泵系統在普通工業或民用建筑環境調節應用的可能性，作者曾經作文探討。

    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。這種熱泵主要用于熱電廠綜合熱能利用中，與吸收式熱泵相比，這種熱泵效率較低，目前較少采用。

    ④吸收式熱泵

    吸收式熱泵是一種利用低品位熱源實現將熱量從低溫熱源泵送向高溫熱源的循環系統。常用的工質對是“水-溴化鋰（其中，以溴化鋰稀溶液為工質，以溴化鋰濃溶液為吸收劑）”、“氨-水（其中，以氨為工質，以水吸收劑）”、“水-氯化鈣（其中，以鋁化鈣稀溶液為工質，以氯化鈣濃溶液為吸收劑）”。

    ⑤熱電式熱泵

    熱電式熱泵又稱為溫差電熱泵。它是利用Peltier效應，即當直流電通過了兩種不同導體組成的回路時，就會在回路的兩個連接端產生溫差現象。

    熱電式熱泵具有無運動部件，工作可靠，壽命長，控制調節方便，振動小，噪聲低，對環境污染小等特點，但熱電堆的成本較高而且效率較低，因而主要用于一些特殊場合。

    ⑥太陽能熱泵

    這種熱泵以太陽能集熱器作為熱源。圖3所示的是其中一種方案的太陽能熱泵流程。

    除上述幾種熱泵外，還有化學熱泵和吸附式熱泵、渦流管熱泵等其它主要用于一些特殊場合的其它形式的熱泵。

    3 主要問題及應用現狀

    蒸氣壓縮式熱泵是目前商業化應用較為廣泛的一種熱泵。主要以空氣、水或大地作為低溫熱源。

    3.1 空氣源熱泵（Air Source Heat Pump）

    以空氣作為熱源的熱泵稱為空氣源熱泵或氣源熱泵（Air Source Heat Pump，ASHP）。通常制作成能夠供冷、供熱的兩用循環系統。

    ASHP需要依據給定的氣候條件來設計，使其容量及效率在較寬的環境溫度范圍內達到保證。由此，需要在性能上解決這樣一對矛盾，就是當需要供量較大時的空氣源的溫度較低，同時機組的容量及效率也較低。

    此外，ASHP機組需要充分考慮不同循環條件下，節流機構的參數選擇以及室內外兩個換熱器之間的合理匹配問題。以機組生命周期內的總費用較低為目標，作者推薦了以空氣處理參數作為ASHP系統室內外兩個換熱器之間的匹配的原則的方法。

    在確定機組的容量時，對于一般地區而言，由于空調負荷大于采暖負荷，因而，根據空調制冷負荷確定即可。對于寒冷地區用戶，在一定的時間內，空調負荷可能不再大于采暖負荷。在這種條件下，可以根據情況采取兩種處理方法：一是以極端供熱負荷及其對應的環境條件與機組的運行條件確定機組容量；二是仍然以空調制冷負荷確定機組容量，在機組供熱量不能滿足供熱的條件下，采取補充輔助加熱措施。文獻[7]推薦的確定起動輔助加熱措施的條件是“熱泵系統的運行效率約為1.5至2.0”時。

    對于冬冷夏熱的濕熱地區，需要考慮的另外一個問題就是ASHP機組室外側換熱器的結霜以及由此帶來的一系列問題。一般認為，環境溫度在-5~5℃區間，為易結霜區，需要特別關注。

    3.2 水源熱泵（Water Source Heat Pump）

    以水作為熱源的熱泵稱作為水源熱泵（Water Source Heat Pump，WSHP）。通常以海水、河水、湖水及井水作為低溫熱源。由于水的溫度變化較小，水源熱泵的性能通常要比ASHP的性能好而且穩定。目前，以污水處理場涼水池的水作為低溫熱源的熱泵系統已經在實際工程中采用，而且經濟性能良好。

以海水、河水或湖水作為低溫熱的熱泵，一方面受自然條件的制約，另一方面，需要在熱泵系統中，采取水處理及防腐措施。

    目前，以井水作為低溫熱源的熱泵系統，是水源熱泵機組和系統研究及應用的熱點。井水特別是深井水，全年溫度基本穩定而且水質良好，是熱泵系統比較理想的低溫熱源，在工程中采用較多。但是這種系統有可能存在回水困難、回水污染及破壞地下水生態資源等環境問題。從可持續發展的角度，這是一種不宜采用的方式。實際上，在許多國家地區，已有相應的法律，禁止采用地下水資源作為熱泵系統的低溫熱源。

    3.3 土壤熱源熱泵（Soil Heat Pump）

    土壤熱源熱泵（Soil Heat Pump，SHP）以大地作為其低溫熱源。通常是將制冷盤管理入地下，盤管與土壤進行熱量交換，熱泵系統自成封閉式系統。根據埋管的形式不同，這種系統又分為橫埋和豎埋（又稱為直埋）兩種方式。

    SHP存在如下不足：

    ①造價昂貴，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，一個可以借鑒的做法是，把管長約100米、直徑約15厘米的管子作為一組，埋入地下。并通過一組小的內套管將水送到大管子的底部。

    3.4 太陽能熱泵（Solar Heat Pump）

    太陽能熱泵（Solar Heat Pump）以太陽能集熱器作為熱泵系統的低溫溫度。圖3是一種方案的太陽能熱泵系統流程示意。這是一種能夠從更低溫度的環境中有效吸取熱量的系統。在系統做熱泵運行時，儲水槽中的水作為系統的低溫熱源。如果儲水槽容量設計合理的話，即使水溫降低到5℃時，仍然可以有效使用，而且，由于水溫較低，使得太陽能集熱器能夠在較低的溫度下工作，從而增加了它的熱吸收率。

    太陽能熱泵的不足在于它無法同時實現有效制冷循環而成為實際上的單用系統。

    此外，如果太陽能熱泵同時提供生活用熱水的話，需要考慮兩個系統的分配與轉換問題。同時，在高緯度地區使用時，存在生活用水溫度太高的可能性，為此，在系統中必須考慮采取防高溫水灼傷等措施。

    4 部分熱泵新技術簡介

    熱泵新技術研究主要是圍繞提高熱泵系統的熱力學效率、提高熱泵系統的環境友善程度和處理空氣品質等方面展開的。部分技術已經應用于相關產品及系統中。相關新技術主要包括：

    ①室外側換熱器結霜控制、表面納米材料及其表面修飾工藝技術
    通過對室外側換熱器的外表面進行納米材料修飾，使得霜水呈球狀凝結，從而減小凝霜或凝水在換熱器外表面凍結的機會。

    ②大壓差、非穩定運行條件下高效熱泵壓縮機技術
    主要包括渦旋壓縮機柔性導入結構、機體噴液降溫及吸排氣壓力自我辨識和自適應分液調節技術，從而適應大壓差、非穩定運行條件。

    ③熱泵自適應空況控制技術
    根據熱泵系統熱動力運行特性，確定系統的自我狀況診斷和自適應空況調節控制。從該項技術在ASHP系統中應用效果看，能夠明顯提高系統的SEER指標。配合新的流程[11]，該項技術在保證ASHP系統低溫環境條件下的有效供熱方面，效果明顯。

    ④納米填料靜音技術

    通過納米材料及微納米填料，消除工質在節流過程、冷凝過程及蒸發過程中由于相變而導致相界間能量傳遞產生的噪聲和振動。

    ⑤可吸入顆粒物納米催化及分解技術

    通過在熱泵與空調系統空氣處理末端進、出風界面上進行綱伙材料修飾，使空氣中的可吸入顆粒物經過納米催化分解而使空氣得以凈化。

    ⑥全空氣熱泵技術

    采用濕空氣的跨臨界膨脹的熱力循環的全空氣熱泵空調系統。空氣同時作為工作介質和能量交換介質。采用無油壓縮設備及工藝技術，將使得此系統有著極好的環境友善性能。

    ⑦納米催化高效吸收技術

    利用具有均勻性網絡結構的低密度多孔性納米材料作為吸收器和發生器的填料，可以提高吸收效率和發生效率及速率，從而使得吸收時制冷機或吸收式熱泵機組的小型化稱為可能。以三氯化鐵和氫氧化鈉為原料，利用溶膠-凝膠過程和超臨界干燥技術，經過鐵基氣溶膠基本粒子b-FeOOH，再經高溫處理后轉化為a-Fe2O3-SiO2為基質的低密度多孔性納米材料是一種可能的納米催化高效吸收填料。

    ⑧高效率、低污染燃燒技術

    燃燒器表面經過鈦基納米粒子修飾后，在納米粒子的催化作用，可以對燃燒反應條件進行控制和調節，從而使天然氣的燃燒更快、更充分，與此同時，抑制氮氧之間的反應，從而使燃燒反應中間產物（及污染物）減少，提高燃燒效率。

    ⑨熱泵壓縮機柔性吸、排氣靜音技術

    壓縮機式制冷或熱泵系統噪聲與振動的主要源泉。壓縮機吸、排氣環節所產生的噪聲頻率特性以其結構及材料不同而不同。實驗證明，采用柔性吸、排氣通道結構，可以減少制冷或熱泵機組噪聲，并改善它在系統中的傳輸特性。

    ⑩往復式壓縮機吸氣回流增阻技術等。

    對于往復式壓縮機來說，在壓縮機吸氣側的工質回流是造成壓縮機吸氣側腔內工質壓力脈動的主要因素之一，由它產生的氣流脈動可以從低壓側傳輸到高壓側。采用回流增阻結構的吸氣通道，可以降低壓縮機產生的噪聲及振動，并使壓縮機的效率有所提高。

    (11)礦物油極性強化技術

    礦物油極性較弱，與同樣弱極性的CFCS類工作介質相溶性良好，是工質替代問題出現之前應用廣泛的制冷系統用潤滑油。作為CFCS類工質的的主要替代物，HFCS類工質的化學極性較強，因而需要使用具有較強極性的潤滑油（如POE油），由此帶來許多問題。
礦物油極性強化技術使之用于采用HFCS類工質（及以HFCS類工質為主要成分的混合類工質）的制冷系統成為可能。

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