热泵系统的工作原理及其组成系统的特点

摘　要:介绍了热泵系统的工作原理、组成及系统形式,分析了热泵系统的特点和在供热空调工程中的技术经济性,并说明了热泵是一种环保节能的能源利用技术,以推广热泵技术的应用,从而更好地节约能源。

关键词:热泵系统 暖通空调 节能 环保

近年来随着资源和环境问题的日益严重,在满足人们健康、舒适要求的前提下,合理利用自然资源、保护环境、减少常规能源消耗,已成为暖通空调行业需要面对的一个重要问题。目前随着经济的发展和人们生活水平的提高,在发达国家,供热和空调能耗可占到社会总能耗的25%~30%。我国能源结构主要依靠矿物燃料,特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物,包括大量SO2,NOx等有害气体成分以及CO2等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众的焦点[1]。因此,有效利用广泛存在的低位能源,节约有限的高位能源的热泵技术越来越引起人们的高度重视。

1　热泵系统简介
1.1　热泵的工作原理热泵的工作原理与制冷机相同,都是按热机的逆循环工作的,所不同的是工作温度范围不同(如图1所示)。图1中Ta为环境温度;Tc为低温物体的温度;Tb为高温物体的温度。a表示热泵装置,它从环境中吸取热量传给高温物体,实现供热的目的;b表示制冷机,它从低温物体吸取热量传递到环境中去,实现制冷目的;c表示同时供冷供热联合循环机,它从低温物体吸热,实现制冷,同时又把热量传递给被加热的对象,实现供热目的。
1.2　热泵的组成热泵的作用是从周围环境中吸取热量,并把它传递给被加热的对象(温度较高的物体)。热泵系统的组成应包括三大部分:1)热泵的驱动能源(电能、汽油、柴油、煤气、煤等)和驱动装置(电动机、燃料发电机、蒸汽轮机等)。2)热泵的工作机。一般来说,制冷机可作为这种热泵系统的工作机,制冷机的冷凝器中释放的热量不是简单地向大气排放,而要加以利用,通过供热系统向热用户供热。3)低温热源(空气、水、地热、工业废热、太阳能等)。热泵从低温热源吸取热量,使其温度品位升高,转为可利用的热能。
1.3　热泵的形式根据热力学第二定律,当以高位能作补偿条件时,热量是可以从低温物体转移到高温物体的。因而热泵循环中,为了向被加热的对象供热量,要消耗一定的功。热泵按驱动功的形式可分为四种:机械压缩式热泵、吸收式热泵、蒸汽喷射式热泵、热电热泵。

2　热泵系统的分类及特点在建筑物中,热泵可以只为采暖、热水供应服务,也可以为全年空调或同时供热与供冷服务。另外,热泵还可以用来回收建筑物的废热。因此,根据热泵在建筑物中的用途可分为:1)仅用作供热(采暖或热水供应)的热泵;2)冬季供热,夏季供冷(全年空调)的热泵;3)同时供冷供热的热泵;4)热回收热泵。从热泵的系统形式看,根据低位热源不同,常见的有空气源热泵和地源热泵,地源热泵又进一步分为以地下水、地表水为水源的水源热泵和土壤源热泵。
2.1　空气源热泵空气源热泵以室外空气为一个热源。在供热工况下将室外空气作为低温热源,从室外空气中吸收热量,经热泵提高温度送入室内供暖。空气源热泵的优点:1)节能,有利于能源的综合利用;2)有利于环境保护;3)冷热结合,设备应用率高,节省初投资;4)电驱动,调控比较方便。在我国建筑物中使用此类型的热泵产品主要是空气热源的窗式热泵空调器和分离式热泵空调器(见图2)。空气源热泵的主要缺点是它的供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而降低。因此,建筑物采用空气源热泵供热时,一定要设置补充加热装置。
2.2　地源热泵由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度,高于冬季的室外温度,又低于夏季的室外温度,因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍,且效率大大提高。此外,冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热,同时使大地中的温度降低,即蓄存了冷量,可供夏季使用;袭击通过热泵把建筑物中的热量传给大地,对建筑物降温,同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄存器的作用,进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。
1)水源热泵。地下水源热泵系统的热源是从井水或废弃的矿井中抽取的地下水。经过换热的地下水可以排入地表水或地下水系统,最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。但是应用这种系统也受到许多限制。如需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。又如抽取的地下水理论上应回灌到地下水层,但目前国内地下水回灌技术还不成熟,在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度,从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到地下水层,造成地下水资源的流失。地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或海河中的地表水。如海水源热泵,海水中所蕴含的热能是典型的可再生能源,因此海水源热泵是供热空调工程领域一种节能环保的技术。当然这种地表水热泵系统与空气源热泵系统类似,也受自然条件的限制,当环境温度越低时热泵的供热量越小,而且热泵的性能系数也会降低。
2)土壤源热泵。又称为“地下耦合热泵”,是利用地下岩土中的热量作为一个热源。它通过循环液体(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭的地下埋管中流动,实现系统与大地的传热。在冬季供热时,流体从地下吸取热量,再通过系统把热量送到室内; 夏季制冷时,从室内吸收热量,再通过系统将热量传到地下岩土中。因此,土壤源热泵系统既具有地下水源热泵系统的优点,又不需要抽取地下水资源作为传热的介质,是一种可持续发展的节能技术。

3　热泵供热空调的技术经济分析
3.1　热泵的能源利用系数比传统的供热方式高(见表1)能源利用系数E=热泵的供热量/消耗的初级能量。
3.2　热泵合理地使用了高位能热泵将低温热源的热量品位提高,需要消耗一定的高品位能量。因此,热泵的能量消耗是一个重要的技术经济指标。热泵供热系统用高位能W推动一台动力机,然后再由动力机来驱动工作机(如制冷压缩机)运转,工作机象泵的作用一样从低温热源(如水)摄取热量Qe,并把Qe的温度提高,向暖通空调系统供出热量Qh=Qe+W,用热泵的制热性能系数β来衡量热泵的能量效率。β=Qh/ W=(Qe+W)/ W=Qe/ W+1 (1)式(1)说明了热泵的制热性能系数β永远大于1。因此,用热泵供热比用热泵驱动能源直接供热要节约高品位能。
3.3　热泵应用于暖通空调是一种环保技术我国因采暖锅炉吨位小、效率低、燃烧点严重分散等造成了大气的严重污染。因此,在一些大城市和特殊地区,环保部门限制使用燃煤和燃油锅炉,以保护大气环境。为保护大气环境,也应积极开展热泵在暖通空调中的应用研究工作。热泵在暖通空调中的应用将会带来环境效益,对温室效应也有积极作用。据有关资料介绍,与燃煤锅炉相比,使用热泵平均可减少30%的 CO2排放量;与燃油锅炉相比,CO2排放量可减少66%,排热量也减少。

4　结语
暖通空调用热一般来说都是低温热量,如风机盘管只需50℃~60℃热水;低温辐射供热系统供水温度一般只有35℃~65℃,这为使用热泵创造了一定的条件,因热泵的制热性能系数随着供热温度的降低和低温热源温度的升高而增加,所以在暖通空调工程中采用热泵有利于提高其制热性能系数。因此,热泵在暖通空调工程领域应用是一种节能、环保、高效的能源利用技术。

参考文献:
[1]付祥钊.夏热冬冷地区建筑节能技术[M].北京:中国建筑出版社,2005.
[2]袁铮喻.空调用热泵技术及应用[M].北京:中国水利水电出版社,1997.
[3]徐邦裕.热泵[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[4]李德英.建筑节能技术[M].北京:机械工业出版社,2006.
[5]张志永.夏热冬冷地区住宅的节能设计研究[J].山西建筑,2006,32(8):127-128.