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空气源热泵供暖技术的全面解析

空气源热泵供暖技术的全面解析

发布时间:2019-04-03     浏览量:
近两年“煤改电”市场呈现井喷式发展状态,主要原因可归结为两个方面:一方面,雾霾频发、环境污染、能源紧张等问题严重影响到人们的生活和身体健康;另一方面,我国开始加速发展城镇化建设和新农村建设。根据《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021)》,到2019年,北方地区清洁取暖率将达到50%,到2021年北方地区清洁取暖率将达到70%。作为煤改清洁能源的推动力量,空气源热泵逐渐获得政府和用户的多方面认可。由于在实施热泵集中供暖过程中,难免会遇到诸如如何获得政府补贴、如何进行系统设计、不同末端系统的设计要点、如何提升热泵行业从业人员的从业技能等难题,所以空气源热泵集中供暖应该深扎施工技术,建立企业品牌,减少产品售后服务,使热泵行业向更加正规化、规范化和品牌化的方向发展。

本文重点介绍热泵的概念,以及空气源热泵供暖的机理。

何以一台酷似空调外机的铁家伙就能“凭空”输送出热量,让你的房间温暖如春?无论你是使用者还是经销商,是否真的了解空气源热泵呢?

首先,什么是热泵?它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。简洁地说,热泵就是对自然界的能量进行“搬运”,供应在我们所需要的地方的技术,比如供暖。

热泵根据其吸收能量的来源(热源)不同,可以分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵等。而空气源热泵,凭借其各种优势,已经广泛地被认为是未来最有发展潜能的新能源技术之一。

一、空气源热泵的工作原理

以空气源热泵应用于供暖为例,热泵机组设备内专置一种吸热介质——冷媒,它在液化的状态下低于-25℃,与外界温度存在着温差,因此,冷媒可吸收外界的热能,在蒸发器内部蒸发汽化,通过热泵机组中压缩机的工作提高冷媒的温度,再通过冷凝器使冷媒从汽化状态转化为液化状态,在转化过程中,释放出大量的热量,传递给水箱中的储备水,使水温升高,达到制热水的目的。之后,冷媒经过膨胀阀的节流后,再次变为低温液态被运送至蒸发器内,进行下一个循环。

机组构成运行模式及原理:德费诺热泵式热水机组是由一个制冷循环组成,包括主机和冷凝器两部分。其中主机部分包括蒸发器、风扇、压缩机及膨胀阀;冷凝器为内放冷凝盘管的保温箱或者换热器。制冷剂在蒸发器内吸收外部空气的热量,通过热泵循环在冷凝盘管内释放热量,加热水箱内的水。水箱的保温层采用闭孔橡胶海绵或聚氨脂发泡,且具有良好的保温性能。图1表示的是空气源热泵的工作原理之一。

这一由两个等温过程和两个绝热过程组成的循环,即后来所称的“卡诺循环”。

逆卡诺循环,是卡诺循环的逆过程,低温时做功吸热,高温时做负功放热,将功转换为热,也是包括空气源热泵在内的所有热泵的工作原理。同时,这也是我们日常生活中常见的空调、冰箱等制冷系统的工作原理。逆卡诺循环也包括四个步骤,都为可逆过程:绝热膨胀,在这个过程中系统对环境做功,降温;等温膨胀,在这个过程中系统从低温环境中吸收热量,同时对环境做与该热量等量的功;绝热压缩,在这个过程中系统对环境做负功,升温;等温压缩,系统恢复原来的状态,在这个过程中系统向高温环境中放出热量,同时环境向系统做与该热量等量的功,即负功。

从理论上讲,只要冷媒液化温度值和环境温度间存在着温度差,就能够吸收热量。但是,在实际运用过程中,还受到很多因素的制约。图2是空气源热泵工作介质循环原理。

二、空气源热泵的关键技术

从空气源热泵工作原理中,我们可以找出几个关键词:冷媒、蒸发器、压缩机、冷凝器、热交换器、膨胀阀等,它们都是构成热泵机组的关键性部件。

冷媒大家并不陌生,最常见的就是一度与臭氧层破坏联系起来的氟利昂。冷媒的作用就是在密闭系统内通过自身物理特性的转变吸收、释放热量。目前,空气源热泵机组中,最常见的冷媒有R22、R410A、R134A、R407C四种。冷媒的选择,以具备无毒、不爆炸、对金属及非金属无腐蚀作用、具有较高的蒸发潜热、对环境无害等特点为最理想。

压缩机是热泵机组的“心脏”,理想的热泵压缩机能在最低大约-25℃的寒冷环境中稳定运行,并确保在冬季能提供55℃乃至60℃的热水。在反应压缩机性能方面,喷气增焓技术是不得不提的。普通的空气源热泵热水器在环境温度低于-10℃时,就很难正常运行。低温运行工况对热水器的运行效率有很大的影响,并容易对热水器的部件造成破坏。低温工况下,压缩比增大、吸气比容增大,导致排气温度过高、制热量减少、性能系数降低,严重时会导致压缩机损坏等问题。所以针对低温工况的运行,可以在热泵热水机的运行系统中加入补气增焓、双级压缩等一系列措施,提高系统的运行效率。

喷气增焓系统是由喷气增焓压缩机、喷气增焓技术、高效过冷却器组成的新型系统,这三种技术的组合可提供高效的性能,是一个有机的整体。喷气增焓压缩机采用两级节流中间喷气技术,用闪蒸器进行气液分离,实现增焓效果。它通过中低压时边压缩边喷气混合冷却,然后高压时正常压缩,提高压缩机排气量,达到低温环境下提升制热能力的目的。高效过冷却器在整个系统中也起到了关键性的作用,一方面对主循环回路冷媒进行节流前过冷,增大焓差;另一方面,对辅助回路(这路冷媒将由压缩机中部导入直接参与压缩)中经过电子膨胀阀降压后的低压低温冷媒进行适当的预热,以达到合适的中压,提供给压缩机进行二次压缩。图3是空气源热泵制热水机组。
喷气增焓系统是由喷气增焓压缩机、冷媒喷射管路及高效过冷器组成。通过提高低温环境工况下的压缩机回气量,使其制热能力提升20%。喷气增焓系统通过闪蒸器和经济器产生制冷剂蒸汽,同时冷却主循环的制冷剂,既降低了排气温度,又降低了其排气过热度,减少冷凝器的气相换热区的长度,增加两相换热面积,提高冷凝器的换热效率。在产生蒸汽的同时也增加了制冷剂在节流前的过冷度,使得制冷剂在蒸发器中吸收的热量增加,从而增加制热量。

可见,每一个部件的质量和效率都很重要,但作为一种清洁能源技术,最终决定空气源热泵工作效能的,并不是某一部分的优劣,而是各个部件之间能否实现最优化设计组合,从而达到最高的COP值。

假设在北方霜冻地区,一台空气源热泵配备了国际最先进的压缩机,能够保证机组在-20℃的环境下启动制热,但是,假如在运行了一段时间之后,由于其除霜技术并不智能,那么就有可能出现由于频繁除霜导致室内供暖温度极不均衡甚至直接停止制热的现象。因此,越来越多的企业已经深刻认识到系统化思维在热泵生产应用中的必要性和重要性。

此外,考虑到消费者在使用空气源热泵采暖时的整体舒适性,机组在降低风机运行噪音方,同样是非常重要的。

三、空气源热泵的优缺点分析

空气源热泵机组的热效率一般为3—5左右,以温升40℃计算,生产一吨热水约耗电9—15度,而普通电加热方式需要耗电52度左右。节能空气源热泵在供暖、节能等方面的重要优势,也是其受到人们广泛关注的一个重要原因。

采用空气源热泵来做独立供暖系统,相对于燃气等其他采暖方式,在安全性、综合造价、使用寿命、使用条件限制方面具有明显优势,特别是一套空气源热泵系统既能满足冬季的供暖需求,又能满足夏季的制冷需求;使用的能源是最为普及的电力,相比之下,燃气炉受供气量、供气管网等诸多限制;从环保性来讲,燃气炉毕竟还是有CO2的排放,而且消耗的是可以做其他用途的高品位能源,而空气源热泵消耗的是电力,虽然目前中国的大部分电力来自非清洁能源煤,但是,随着核电、风电、太阳能发电和水电的进一步发展,中国的电力也将变得越来越清洁。

另一方面,就目前的应用状况而言,空气源热泵的最大缺点是其制热量和能效比随热源侧(室外环境)的温度下降而衰减。理论情况下,当室外温度降至-25℃时,大部分空气源热泵机组的能效比在1∶1.3左右,能效状况并不理想。但是,目前市场上存在的专门针对严寒地区的超低温空气源热泵机,已经能够保证在-15℃以上的环境下实现1∶2以上的能效比,大大拓宽了空气源热泵供暖系统的应用范围,特别适合无天燃气等边沿地区。2017年,北京市已完成实施700个平原村庄的煤改清洁能源,优先确保完成朝阳、海淀、丰台、石景山、大兴、通州、房山7个区的改造,在10月底前将实现所有平原村庄的基本“无煤化”。

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