热泵应用及热泵技术分析

1 热泵与制冷机

    热泵是一种以冷凝器放出的热量对被调节环境进行供热的一种制冷系统。就热泵系统的热物理过程而言，从工作原理或热力学的角度看，它是制冷机的一种特殊使用型式。它与一般制冷机的主要区别在于：

    ①使用的目的不同。热泵的目的在于制热，研究的着眼点是工质在系统高压侧通过换热器与外界环境之间的热量交换；制冷机的目的在于制冷或低温，研究的着眼点是工质在系统低压侧通过换热器与外界之间的换热；

    ②系统工作的温度区域不同。热泵是将环境温度作为低温热源，将被调节对象作为高温热源；制冷机则是将环境温度作为高温热源，将被调节对象作为低温热源。因而，当环境条件相当时，热泵系统的工作温度高于制冷系统的工作温度。
   
    2 热泵的由来及主要应用型式

    2.1 热泵的由来

    随着工业革命的发展，19世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家J.P.Joule提出了“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的Lord Kelvin勋爵）发表论文，提出了热量倍增器（Heat Multiplier）的概念，首次描述了热泵的设想。

    当时，热泵供暖的对象主要是民用，供暖需求总量小，特别是对由于采暖方式及其对环境的影响尚没有足够的意识。人们采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，热泵的发展长期明显滞后于制冷机的发展。

   上世纪30年代，随着氟利昂制冷机的发展，热泵有了较快的发展。特别是二战以后，工业经济的长足发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供热及工业用热泵的发展。1973年的环球性能源危机，进一步促进了热泵在全世界范围内的发展。

    2.2 热泵的主要应用型式

    按照热泵系统的热力循环型式，通常将热泵分为如下六类：

    ①蒸气压缩式热泵

    与制冷机一样，蒸气压缩式系统也是热泵较主要的应用型式。按照低温热源与供热介质的组合方式不同，蒸气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——空气热源热泵和土壤热源——水热泵等几种主要应用型式。

    ②气体压缩式热泵

    与蒸气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的热泵系统及相关技术，是相关领域研究的两类热点课题。使用湿空气作为工作介质的空调热泵系统及装置，以往主要用于航天方面，例如作为飞机客舱的空气调节用冷、热源设备。对于使用湿空气作为工作介质的空调热泵系统在普通工业或民用建筑环境调节应用的可能性，作者曾经作文探讨。

    ③蒸气喷射式热泵

    蒸气喷射式热泵的工作与原理与蒸气压缩式热泵基本相同，只是由蒸气喷射器代替压缩机。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，这种热泵效率较低，目前较少采用。

    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送向高温热源的循环系统。常用的工质对是“水-溴化锂（其中，以溴化锂稀溶液为工质，以溴化锂浓溶液为吸收剂）”、“氨-水（其中，以氨为工质，以水吸收剂）”、“水-氯化钙（其中，以铝化钙稀溶液为工质，以氯化钙浓溶液为吸收剂）”。

    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。

    热电式热泵具有无运动部件，工作可靠，寿命长，控制调节方便，振动小，噪声低，对环境污染小等特点，但热电堆的成本较高而且效率较低，因而主要用于一些特殊场合。

    ⑥太阳能热泵

    这种热泵以太阳能集热器作为热源。图3所示的是其中一种方案的太阳能热泵流程。

    除上述几种热泵外，还有化学热泵和吸附式热泵、涡流管热泵等其它主要用于一些特殊场合的其它形式的热泵。

    3 主要问题及应用现状

    蒸气压缩式热泵是目前商业化应用较为广泛的一种热泵。主要以空气、水或大地作为低温热源。

    3.1 空气源热泵（Air Source Heat Pump）

    以空气作为热源的热泵称为空气源热泵或气源热泵（Air Source Heat Pump，ASHP）。通常制作成能够供冷、供热的两用循环系统。

    ASHP需要依据给定的气候条件来设计，使其容量及效率在较宽的环境温度范围内达到保证。由此，需要在性能上解决这样一对矛盾，就是当需要供量较大时的空气源的温度较低，同时机组的容量及效率也较低。

    此外，ASHP机组需要充分考虑不同循环条件下，节流机构的参数选择以及室内外两个换热器之间的合理匹配问题。以机组生命周期内的总费用较低为目标，作者推荐了以空气处理参数作为ASHP系统室内外两个换热器之间的匹配的原则的方法。

    在确定机组的容量时，对于一般地区而言，由于空调负荷大于采暖负荷，因而，根据空调制冷负荷确定即可。对于寒冷地区用户，在一定的时间内，空调负荷可能不再大于采暖负荷。在这种条件下，可以根据情况采取两种处理方法：一是以极端供热负荷及其对应的环境条件与机组的运行条件确定机组容量；二是仍然以空调制冷负荷确定机组容量，在机组供热量不能满足供热的条件下，采取补充辅助加热措施。文献[7]推荐的确定起动辅助加热措施的条件是“热泵系统的运行效率约为1.5至2.0”时。

    对于冬冷夏热的湿热地区，需要考虑的另外一个问题就是ASHP机组室外侧换热器的结霜以及由此带来的一系列问题。一般认为，环境温度在-5~5℃区间，为易结霜区，需要特别关注。

    3.2 水源热泵（Water Source Heat Pump）

    以水作为热源的热泵称作为水源热泵（Water Source Heat Pump，WSHP）。通常以海水、河水、湖水及井水作为低温热源。由于水的温度变化较小，水源热泵的性能通常要比ASHP的性能好而且稳定。目前，以污水处理场凉水池的水作为低温热源的热泵系统已经在实际工程中采用，而且经济性能良好。

以海水、河水或湖水作为低温热的热泵，一方面受自然条件的制约，另一方面，需要在热泵系统中，采取水处理及防腐措施。

    目前，以井水作为低温热源的热泵系统，是水源热泵机组和系统研究及应用的热点。井水特别是深井水，全年温度基本稳定而且水质良好，是热泵系统比较理想的低温热源，在工程中采用较多。但是这种系统有可能存在回水困难、回水污染及破坏地下水生态资源等环境问题。从可持续发展的角度，这是一种不宜采用的方式。实际上，在许多国家地区，已有相应的法律，禁止采用地下水资源作为热泵系统的低温热源。

    3.3 土壤热源热泵（Soil Heat Pump）

    土壤热源热泵（Soil Heat Pump，SHP）以大地作为其低温热源。通常是将制冷盘管理入地下，盘管与土壤进行热量交换，热泵系统自成封闭式系统。根据埋管的形式不同，这种系统又分为横埋和竖埋（又称为直埋）两种方式。

    SHP存在如下不足：

    ①造价昂贵，施工条件苛刻；
    ②可能泄漏，以引起土地污染；
    ③可能引起土地的大面积龟裂。

    在工程上，一个可以借鉴的做法是，把管长约100米、直径约15厘米的管子作为一组，埋入地下。并通过一组小的内套管将水送到大管子的底部。

    3.4 太阳能热泵（Solar Heat Pump）

    太阳能热泵（Solar Heat Pump）以太阳能集热器作为热泵系统的低温温度。图3是一种方案的太阳能热泵系统流程示意。这是一种能够从更低温度的环境中有效吸取热量的系统。在系统做热泵运行时，储水槽中的水作为系统的低温热源。如果储水槽容量设计合理的话，即使水温降低到5℃时，仍然可以有效使用，而且，由于水温较低，使得太阳能集热器能够在较低的温度下工作，从而增加了它的热吸收率。

    太阳能热泵的不足在于它无法同时实现有效制冷循环而成为实际上的单用系统。

    此外，如果太阳能热泵同时提供生活用热水的话，需要考虑两个系统的分配与转换问题。同时，在高纬度地区使用时，存在生活用水温度太高的可能性，为此，在系统中必须考虑采取防高温水灼伤等措施。

    4 部分热泵新技术简介

    热泵新技术研究主要是围绕提高热泵系统的热力学效率、提高热泵系统的环境友善程度和处理空气品质等方面展开的。部分技术已经应用于相关产品及系统中。相关新技术主要包括：

    ①室外侧换热器结霜控制、表面纳米材料及其表面修饰工艺技术
    通过对室外侧换热器的外表面进行纳米材料修饰，使得霜水呈球状凝结，从而减小凝霜或凝水在换热器外表面冻结的机会。

    ②大压差、非稳定运行条件下高效热泵压缩机技术
    主要包括涡旋压缩机柔性导入结构、机体喷液降温及吸排气压力自我辨识和自适应分液调节技术，从而适应大压差、非稳定运行条件。

    ③热泵自适应空况控制技术
    根据热泵系统热动力运行特性，确定系统的自我状况诊断和自适应空况调节控制。从该项技术在ASHP系统中应用效果看，能够明显提高系统的SEER指标。配合新的流程[11]，该项技术在保证ASHP系统低温环境条件下的有效供热方面，效果明显。

    ④纳米填料静音技术

    通过纳米材料及微纳米填料，消除工质在节流过程、冷凝过程及蒸发过程中由于相变而导致相界间能量传递产生的噪声和振动。

    ⑤可吸入颗粒物纳米催化及分解技术

    通过在热泵与空调系统空气处理末端进、出风界面上进行纲伙材料修饰，使空气中的可吸入颗粒物经过纳米催化分解而使空气得以净化。

    ⑥全空气热泵技术

    采用湿空气的跨临界膨胀的热力循环的全空气热泵空调系统。空气同时作为工作介质和能量交换介质。采用无油压缩设备及工艺技术，将使得此系统有着极好的环境友善性能。

    ⑦纳米催化高效吸收技术

    利用具有均匀性网络结构的低密度多孔性纳米材料作为吸收器和发生器的填料，可以提高吸收效率和发生效率及速率，从而使得吸收时制冷机或吸收式热泵机组的小型化称为可能。以三氯化铁和氢氧化钠为原料，利用溶胶-凝胶过程和超临界干燥技术，经过铁基气溶胶基本粒子b-FeOOH，再经高温处理后转化为a-Fe2O3-SiO2为基质的低密度多孔性纳米材料是一种可能的纳米催化高效吸收填料。

    ⑧高效率、低污染燃烧技术

    燃烧器表面经过钛基纳米粒子修饰后，在纳米粒子的催化作用，可以对燃烧反应条件进行控制和调节，从而使天然气的燃烧更快、更充分，与此同时，抑制氮氧之间的反应，从而使燃烧反应中间产物（及污染物）减少，提高燃烧效率。

    ⑨热泵压缩机柔性吸、排气静音技术

    压缩机式制冷或热泵系统噪声与振动的主要源泉。压缩机吸、排气环节所产生的噪声频率特性以其结构及材料不同而不同。实验证明，采用柔性吸、排气通道结构，可以减少制冷或热泵机组噪声，并改善它在系统中的传输特性。

    ⑩往复式压缩机吸气回流增阻技术等。

    对于往复式压缩机来说，在压缩机吸气侧的工质回流是造成压缩机吸气侧腔内工质压力脉动的主要因素之一，由它产生的气流脉动可以从低压侧传输到高压侧。采用回流增阻结构的吸气通道，可以降低压缩机产生的噪声及振动，并使压缩机的效率有所提高。

    (11)矿物油极性强化技术

    矿物油极性较弱，与同样弱极性的CFCS类工作介质相溶性良好，是工质替代问题出现之前应用广泛的制冷系统用润滑油。作为CFCS类工质的的主要替代物，HFCS类工质的化学极性较强，因而需要使用具有较强极性的润滑油（如POE油），由此带来许多问题。
矿物油极性强化技术使之用于采用HFCS类工质（及以HFCS类工质为主要成分的混合类工质）的制冷系统成为可能。

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