熱泵技術

熱泵技術

熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱,經過電力做功,輸出能用的高品位熱能的設備。現在我國主要利用三種熱泵技術,分別是水源熱泵,地源熱泵,以及空氣源熱泵。

熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱,經過電力做功,輸出能用的高品位熱能的設備。現在我國主要利用三種熱泵技術,分別是水源熱泵地緣熱泵,以及空氣源熱泵

國內熱泵發展

據統計,1996年我國空調設備(指電動冷熱水機組、吸收式冷熱水機組、房間空調器以及單元空調機組,但不包括進口機組)的總製冷能力約為2000萬kW,其中熱泵型機組的製冷能力約占60%.在全部熱泵型機組中,電驅動熱泵容量約為1070kW,占90%;吸收式熱泵容量約為130萬kW,占10%。
近幾年來,我國的吸收式製冷裝置發展迅速。據統計,1996年銷售的溴化鋰吸收式制冷機約3000多台,其中直燃機1115台。
熱泵在工業中的套用已見端倪,木材、食品(茶和水果)、陶瓷、造紙、印刷、石油和化工等工業生產過程已採用了蒸汽噴射式熱泵、吸收式熱泵和電驅動熱泵。例如,目前大約有400台熱泵式木材幹燥機正在運行,年處理能力約為200千立方米。

熱泵發展的背景

能源政策
我國一次能源年保有總量(不包括生物質能和新能源)為14億噸標準煤,其中原煤14.6億噸,原油1.7億噸,天然氣300億立方米,水電2400億kWh,核電250kWh,進口石油4-6億噸,火電電力裝機容量2.9-3億kW(平均每年增加裝機容量1500kW)。據1997年統計,我國電廠熱效率為32.95%,電廠供熱效率為83.68%,能源轉換總效率為38.07%.採用熱電冷三聯供系統或稱總能系統(TES——TotalEnergySystem),燃氣熱泵(GEHP)後,通過熱力學第一定律的熱效率分析和熱力學第二定律的效用率分析說明:由於利用廢熱,GEHP的綜合利用可達到80%-85%;若通過軸動力傳動熱泵,利用了低位熱能,故綜合熱效率可達到150%-170%.對於TES方式,實現熱電冷三聯供後,其綜合利用率可達到65%-80%.《中華人民共和國節約能源法》第三十九條將熱電冷聯產技術列入國家鼓勵發展的通用技術,促進了熱泵事業的發展。
環境保護政策
採用熱驅動熱泵,CO2排放量亦明顯降低。通過改善熱泵性能,降低工質泄漏與使用新工質,熱泵將在環境保護上發揮更大的作用。
建築節能法
實施《民用建築節能設計標準》後,提高了建築隔熱保溫性能,降低了建築採暖能耗,結果是大幅度地降低了熱泵採暖方式的年運行費用,增加了熱泵與集中供熱採暖方式的競爭能力。
城市能源結構的改變
大中城市人口集中,能源消耗量大,污染問題最突出,因此,必須實施國家能源政策,改善能源結構,提倡使用清潔優質能源,限制煤炭的使用,這就為熱泵的套用創造了條件。
能源價格的調整
國家採取降低能源價格並且鼓勵能源的利用。

熱泵技術分類

我國熱泵技術分為三類:水源熱泵,地源熱泵,以及空氣源熱泵。
水源熱泵及其原理圖

熱泵技術熱泵技術

水源熱泵從16℃的井水中提取熱,經電力壓縮機對循環的工質做工,可以達到輸出熱水溫度52℃,而其輸出熱量與輸入電功率之比為3.51,比直接用電採暖節省電力72%。這種熱水可以利用風機盤管向房間供暖。夏季,又可利用同一裝置製冷,做到一機多用,即節省初投資,又節省運行費。在有條件提供地下水源的情況下,是一種理想的節能系統裝置。但在大部分城市地區,由於受到水源開採的限制,實際推廣工程中難度很大。
地源熱泵及其原理圖
熱泵技術熱泵技術

另一類熱泵是以空氣為熱源,理論上可以不受資源限制,在任何地區運用。大部分的冷暖空調就是這種產品,它供熱是通過直接產生熱風或產生45℃熱水後再產生熱風實現的。但是空氣源熱泵在寒冷氣候下,由於蒸發溫度低,壓縮機入口壓力降低,工質比重增大,因而阻力加大,壓縮機的吸氣量就變小,如果仍要求與傳統機組同樣的冷凝溫度,則會導致壓縮比重大,會使壓縮機過熱,甚至燒壞,至少是不能穩定運行。
空氣源熱泵及其原理圖
空氣能熱泵機組
熱泵技術

最後一種是空氣源熱泵,國內有些廠家在出風口加電補熱,有些在水系統的回水管加補熱器,國外有些用燃油、燃氣為蒸發器補熱,或用變頻手段在寒冷天氣使壓縮機加速運轉,同時噴液等等,這些做法或是使熱泵效率降得很低,或是使其結構複雜化而造價提高,應該說這些技術路線都不理想。

熱泵技術發展的展望

熱泵技術的現狀
所有型式的熱泵都有蒸發和冷凝兩個溫度水平,節流採用膨脹閥或毛細管。只是壓力的增加有不同的形式,主要有機械壓縮式熱能壓縮式噴射蒸汽壓縮式
目前我國熱泵發展有三種趨勢:
風冷熱泵型熱水機組發展迅速,1996年比1995年增長近二倍。
直燃式溴化鋰冷熱水機組發展較快,占全部溴化鋰吸收式熱水機組的56%.
房間空調器比重最大。熱泵型窗式、分體式和10kW冷量以下的單元空調機占總冷量的45%.但技術上存在以下幾方面的問題:
風冷熱泵型機組存在體型較大,噪聲較高,除霜技術尚不完善等問題。主要套用風冷熱泵的地區是長江流域,該地區夏季悶熱,冬季濕冷,1月份平均氣溫0℃-10℃,相對濕度大於75%.因此,要求熱泵必須適應0℃以下低溫高濕氣候環境。
吸收式溴化鋰制冷機組效率偏低。
房間空調器存在噪聲污染熱污染(大量電機功率轉化的熱量排入住宅)和製冷劑污染,特別是(分體式空調機安裝和使用時的泄漏)。1996年我國大約安裝300萬台分體機和40萬台單元空調機,以每台安裝時的排放量為50g計算,則泄漏總量達170t/年。
技術發展總趨勢是發展高效率的供熱、供冷熱泵和超級熱泵系統。
機械壓縮式熱泵的發展
(1)製冷劑側的熱泵控制。
(2)壓縮機能量控制。
(3)壓縮機設計。
(4)新工質技術。
吸收式熱泵和吸收式熱變換器
壓縮-吸收式熱泵
高溫熱泵

熱泵市場發展的有利因素

我國的能源政策和環境保護政策是促進熱泵技術迅速發展的主要因素。
自從我國政府1978年出台改革開放節能政策以來,長江流域經濟得到迅速發展,生活水平也獲得了大幅度的提高。這一地區的氣候特點是夏季炎熱,冬季不太冷(一月份平均室外溫度變化範圍為0℃-10℃,年平均室外溫度低於或等於5℃的時間為0-90天。七月室外平均溫度範圍為25℃-30℃,年平均溫度高於25℃的天數為40-110天)。根據上述原因,加以國外產品的大量進口,熱泵空調系統在中國的套用迅速增長,目前家用空調器總量60%為熱泵型甚至在較為寒冷的北京地區,有許多用戶也喜歡在集中採暖期前後套用熱泵型空調機組來採暖,冬季供應熱水,夏季供應冷水的電動風冷機組在集中式空調系統中得到了廣泛的套用,今後的套用將更為普及。
我國建築市場巨大,1995-2000年,預計每年全國城市新建住宅建築面積約2.4億㎡,其中上海每年新建約1500萬㎡,北京約1000萬㎡,天津約600萬㎡,大連約260萬㎡。2000-2010年,每年新建住宅建築面積約3.4億㎡。
我國工業餘熱的資源很豐富,利用的潛力很大分布也很廣,如化工工業占8.8%,石化工業占30.9%,輕紡工業占4.0%。石化廠、造紙廠、製藥廠冶金廠、食品加工廠和農業部門對熱泵的套用進行了開發研究,如木材採用了電驅動高效熱泵乾燥機實現了工廠節能的目的;如石化廠廣泛採用了蒸汽噴射式熱泵回收生產過程中的餘熱用於生產和生活,取得了明顯的經濟效益,為今後熱泵市場的開拓創造了條件。
建築業套用熱泵的展望
熱泵適用區域為過渡區域和部分集中採暖區域,該區域包括上海、江蘇、浙江、山東、安徽、湖北、河南及福建、湖南的部分地區,據預測,該地區2000年城鎮房屋建築面積38.5億㎡,其中住宅20.7億㎡,(約占53.8%)。公共、商業建築6.5億㎡(16.9%),從中國經濟發展形勢來看,該地區至2000年空調普及率約為10%。
據預測,2000年我國房間空調器需求量約為1000萬台,其中包括製冷量在10kW以下的單元空調機,空調用總製冷量約為3500萬kW。
據預測,九五期間吸收式溴化鋰制冷機預計將以8%-10%的速度增長,即市場需求量將以每年200-250萬台速度增長,至2000年,全國的需求量約為4000台。
工業中套用熱泵的展望
工業中套用熱泵的潛力很大,據預測,至2000年工業中套用熱泵的數量為:化工行業約300台;食品行業約150台;紙漿造紙約130台;農業約5-10台;冶金行業約150台;木材幹燥約400台及製藥行業約100台。

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