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热泵技术

发表日期:2007-05-16 摄影器材: 点击数: 投票数:
    热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义,热泵也就像泵那样,可以把不能直接利用的低位热源(如空气,土壤,水中所含的热能,太阳能,工业废热等)转换为可以利用的高位热能,从而达到节约部分高位能(如煤,燃气,油,电等)的目的。热泵虽然消耗了一定的高位能,但它所供给的热量却是所消耗的高位能和吸取的低位能之和,故采用热泵装置可以节约高位能。
    热泵的工作原理与制冷机实际上是相同的,两者的不同之处在于使用目的:制冷机利用吸收热量而使对象变冷,达到制冷的目的;而热泵则利用排放热量向对象供热。
按照热泵系统的热力循环型式,通常将热泵分为如下几类:
    1. 蒸汽压缩式热泵
    这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,蒸汽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——空气地源热泵和土壤热源——水热泵等几种主要应用型式。
    2. 气体压缩式热泵
    与蒸汽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。
    3. 蒸汽喷射式热泵
    此类热泵的工作原理与蒸汽压缩式热泵基本相同,只是由蒸汽喷射器代替压缩机,见图2。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,蒸汽喷射式热泵效率较低,目前较少使用。
    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向高温热源的循环系统。
    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,其工作原理见图3。
    除上述几种热泵之外,还有太阳能热泵(图4),化学热泵和吸附式热泵等其它主要用于一些特殊场合的其他形式的热泵。

    各类热泵中,其中商用化最为广泛的是蒸汽压缩式热泵,除了传统的空气源热泵之外,地源热泵(Ground Source Heat Pump)是近期研究的热点。它是一种利用地下浅层低温地热资源的既可供热又可制冷的高效节能热泵系统,系统简图见图5。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源,同时蓄存冷量,以备夏用;而在夏季作为冷源,同时蓄存热量,以备冬用。相对于传统的空气源热泵空调系统,地源热泵安装成本相对较高,但是由于地表5m以下温度一年四季相对稳定,夏季比环境空气低,冬季比环境空气高,是热泵很好的冷热源。这种温度特性使得地源热泵比传统系统运行效率要高,节能效果明显,运行更加可靠、稳定。此外,储存于地表浅层的地热是一种可再生且无污染的能源,无论是热带地区还是寒带地区均有地热可供使用,因此应用范围广。同时地源热泵系统埋地换热器不需要除霜,减少了冬季除霜的能耗,还可以与太阳能联用改善冬季运行条件;机组的使用寿命长;结构紧凑,节省空间;维护费用低;自动控制程度高。地源热泵的这些优点使得它成为人们关注的焦点。地源热泵系统根据循环形式可以分为开式循环系统,闭式循环系统和混合循环系统,目前所使用的大部分为闭式。

    国外早在上世纪初就开始了对地源热泵的性能研究,目前在美国地源热泵已经成为了一种成熟的,完全产业化技术。到2001年止,已安装了400000台地源热泵,且还在以每年10%速度稳步增长。在北欧如瑞典这些国家,90%的房屋装有地源热泵。相对而言,我国对地源热泵的研究则要晚得多,直到上世纪80年代才有一些单位对它开始进行系统研究。1998年是我国在该领域的一个里程碑,从这一年开始,国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台,同时我国也成立了一些专门的生产厂家,开始批量生产相关产品,这大大加快我国发展地源热泵的步伐。
    地源热泵在我国的发展有其独有的优势。第一,它的初期投资费用少,在建设新建筑之前并入集中地源热泵系统,其成本要远远低于旧建筑物的改造;同时,我国的人工费用比较低,因此基建费用也较低。因此与发达国家相比,初期投资相对要少一些。第二,可以提高城市环境质量。地源热泵是以电力作为动力,不会因为燃料燃烧造成大气污染,而且由于厂家密封制剂,使用过程中不泄漏,减少了对臭氧层的破坏。可见,地源热泵的应用,对于降低温室效应起了积极作用,可以缓解城市空气污染问题。第三,能够解决能源紧张问题。对地源热泵技术而言,由于热泵仅仅用来传输热量,而不是产生热量,所需要的热量有70%来自地下,因此地源热泵这项节能技术的应用可以在一定程度上缓解我国的能源压力。第四,发展地源热泵还受到了国家相关政策的支持。总之,地源热泵在我国的有着良好的发展前景。
    然而,我们也要注意到地源热泵在我国的推广过程中也会遇到一些问题。首先,我国有关低于热泵的现成技术资料不多,缺少这方面的技术人员,生产制造的相关厂家少,这样的情形不利于这项技术的推广。其次,我国目前还没有出台促进地源热泵技术发展的优惠政策,很多用户看不到眼前利益而采用其它的空调系统。最后,世界上热泵技术比较发达的北美、北欧等国家由于气候条件基本上只用于供热,而我国幅员辽阔,地处温带,在不同地区气候条件差异很大,其负荷也迥然不同。因此不能照搬国外的技术成果,而要开发适合我国气候特点的技术。

 

作者:东方之子

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