空氣源熱泵供暖技術的全面解析

空氣源熱泵供暖技術的全面解析

發布時間:2019-04-03     瀏覽量:
近兩年“煤改電”市場呈現井噴式發展狀態,主要原因可歸結為兩個方面:一方面,霧霾頻發、環境污染、能源緊張等問題嚴重影響到人們的生活和身體健康;另一方面,我國開始加速發展城鎮化建設和新農村建設。根據《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021)》,到2019年,北方地區清潔取暖率將達到50%,到2021年北方地區清潔取暖率將達到70%。作為煤改清潔能源的推動力量,空氣源熱泵逐漸獲得政府和用戶的多方面認可。由于在實施熱泵集中供暖過程中,難免會遇到諸如如何獲得政府補貼、如何進行系統設計、不同末端系統的設計要點、如何提升熱泵行業從業人員的從業技能等難題,所以空氣源熱泵集中供暖應該深扎施工技術,建立企業品牌,減少產品售后服務,使熱泵行業向更加正規化、規范化和品牌化的方向發展。

本文重點介紹熱泵的概念,以及空氣源熱泵供暖的機理。

何以一臺酷似空調外機的鐵家伙就能“憑空”輸送出熱量,讓你的房間溫暖如春?無論你是使用者還是經銷商,是否真的了解空氣源熱泵呢?

首先,什么是熱泵?它是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能,經過電力做功,提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。簡潔地說,熱泵就是對自然界的能量進行“搬運”,供應在我們所需要的地方的技術,比如供暖。

熱泵根據其吸收能量的來源(熱源)不同,可以分為空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵等。而空氣源熱泵,憑借其各種優勢,已經廣泛地被認為是未來最有發展潛能的新能源技術之一。

一、空氣源熱泵的工作原理

以空氣源熱泵應用于供暖為例,熱泵機組設備內專置一種吸熱介質——冷媒,它在液化的狀態下低于-25℃,與外界溫度存在著溫差,因此,冷媒可吸收外界的熱能,在蒸發器內部蒸發汽化,通過熱泵機組中壓縮機的工作提高冷媒的溫度,再通過冷凝器使冷媒從汽化狀態轉化為液化狀態,在轉化過程中,釋放出大量的熱量,傳遞給水箱中的儲備水,使水溫升高,達到制熱水的目的。之后,冷媒經過膨脹閥的節流后,再次變為低溫液態被運送至蒸發器內,進行下一個循環。

機組構成運行模式及原理:德費諾熱泵式熱水機組是由一個制冷循環組成,包括主機和冷凝器兩部分。其中主機部分包括蒸發器、風扇、壓縮機及膨脹閥;冷凝器為內放冷凝盤管的保溫箱或者換熱器。制冷劑在蒸發器內吸收外部空氣的熱量,通過熱泵循環在冷凝盤管內釋放熱量,加熱水箱內的水。水箱的保溫層采用閉孔橡膠海綿或聚氨脂發泡,且具有良好的保溫性能。圖1表示的是空氣源熱泵的工作原理之一。

這一由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的循環,即后來所稱的“卡諾循環”。

逆卡諾循環,是卡諾循環的逆過程,低溫時做功吸熱,高溫時做負功放熱,將功轉換為熱,也是包括空氣源熱泵在內的所有熱泵的工作原理。同時,這也是我們日常生活中常見的空調、冰箱等制冷系統的工作原理。逆卡諾循環也包括四個步驟,都為可逆過程:絕熱膨脹,在這個過程中系統對環境做功,降溫;等溫膨脹,在這個過程中系統從低溫環境中吸收熱量,同時對環境做與該熱量等量的功;絕熱壓縮,在這個過程中系統對環境做負功,升溫;等溫壓縮,系統恢復原來的狀態,在這個過程中系統向高溫環境中放出熱量,同時環境向系統做與該熱量等量的功,即負功。

從理論上講,只要冷媒液化溫度值和環境溫度間存在著溫度差,就能夠吸收熱量。但是,在實際運用過程中,還受到很多因素的制約。圖2是空氣源熱泵工作介質循環原理。

二、空氣源熱泵的關鍵技術

從空氣源熱泵工作原理中,我們可以找出幾個關鍵詞:冷媒、蒸發器、壓縮機、冷凝器、熱交換器、膨脹閥等,它們都是構成熱泵機組的關鍵性部件。

冷媒大家并不陌生,最常見的就是一度與臭氧層破壞聯系起來的氟利昂。冷媒的作用就是在密閉系統內通過自身物理特性的轉變吸收、釋放熱量。目前,空氣源熱泵機組中,最常見的冷媒有R22、R410A、R134A、R407C四種。冷媒的選擇,以具備無毒、不爆炸、對金屬及非金屬無腐蝕作用、具有較高的蒸發潛熱、對環境無害等特點為最理想。

壓縮機是熱泵機組的“心臟”,理想的熱泵壓縮機能在最低大約-25℃的寒冷環境中穩定運行,并確保在冬季能提供55℃乃至60℃的熱水。在反應壓縮機性能方面,噴氣增焓技術是不得不提的。普通的空氣源熱泵熱水器在環境溫度低于-10℃時,就很難正常運行。低溫運行工況對熱水器的運行效率有很大的影響,并容易對熱水器的部件造成破壞。低溫工況下,壓縮比增大、吸氣比容增大,導致排氣溫度過高、制熱量減少、性能系數降低,嚴重時會導致壓縮機損壞等問題。所以針對低溫工況的運行,可以在熱泵熱水機的運行系統中加入補氣增焓、雙級壓縮等一系列措施,提高系統的運行效率。

噴氣增焓系統是由噴氣增焓壓縮機、噴氣增焓技術、高效過冷卻器組成的新型系統,這三種技術的組合可提供高效的性能,是一個有機的整體。噴氣增焓壓縮機采用兩級節流中間噴氣技術,用閃蒸器進行氣液分離,實現增焓效果。它通過中低壓時邊壓縮邊噴氣混合冷卻,然后高壓時正常壓縮,提高壓縮機排氣量,達到低溫環境下提升制熱能力的目的。高效過冷卻器在整個系統中也起到了關鍵性的作用,一方面對主循環回路冷媒進行節流前過冷,增大焓差;另一方面,對輔助回路(這路冷媒將由壓縮機中部導入直接參與壓縮)中經過電子膨脹閥降壓后的低壓低溫冷媒進行適當的預熱,以達到合適的中壓,提供給壓縮機進行二次壓縮。圖3是空氣源熱泵制熱水機組。
噴氣增焓系統是由噴氣增焓壓縮機、冷媒噴射管路及高效過冷器組成。通過提高低溫環境工況下的壓縮機回氣量,使其制熱能力提升20%。噴氣增焓系統通過閃蒸器和經濟器產生制冷劑蒸汽,同時冷卻主循環的制冷劑,既降低了排氣溫度,又降低了其排氣過熱度,減少冷凝器的氣相換熱區的長度,增加兩相換熱面積,提高冷凝器的換熱效率。在產生蒸汽的同時也增加了制冷劑在節流前的過冷度,使得制冷劑在蒸發器中吸收的熱量增加,從而增加制熱量。

可見,每一個部件的質量和效率都很重要,但作為一種清潔能源技術,最終決定空氣源熱泵工作效能的,并不是某一部分的優劣,而是各個部件之間能否實現最優化設計組合,從而達到最高的COP值。

假設在北方霜凍地區,一臺空氣源熱泵配備了國際最先進的壓縮機,能夠保證機組在-20℃的環境下啟動制熱,但是,假如在運行了一段時間之后,由于其除霜技術并不智能,那么就有可能出現由于頻繁除霜導致室內供暖溫度極不均衡甚至直接停止制熱的現象。因此,越來越多的企業已經深刻認識到系統化思維在熱泵生產應用中的必要性和重要性。

此外,考慮到消費者在使用空氣源熱泵采暖時的整體舒適性,機組在降低風機運行噪音方,同樣是非常重要的。

三、空氣源熱泵的優缺點分析

空氣源熱泵機組的熱效率一般為3—5左右,以溫升40℃計算,生產一噸熱水約耗電9—15度,而普通電加熱方式需要耗電52度左右。節能空氣源熱泵在供暖、節能等方面的重要優勢,也是其受到人們廣泛關注的一個重要原因。

采用空氣源熱泵來做獨立供暖系統,相對于燃氣等其他采暖方式,在安全性、綜合造價、使用壽命、使用條件限制方面具有明顯優勢,特別是一套空氣源熱泵系統既能滿足冬季的供暖需求,又能滿足夏季的制冷需求;使用的能源是最為普及的電力,相比之下,燃氣爐受供氣量、供氣管網等諸多限制;從環保性來講,燃氣爐畢竟還是有CO2的排放,而且消耗的是可以做其他用途的高品位能源,而空氣源熱泵消耗的是電力,雖然目前中國的大部分電力來自非清潔能源煤,但是,隨著核電、風電、太陽能發電和水電的進一步發展,中國的電力也將變得越來越清潔。

另一方面,就目前的應用狀況而言,空氣源熱泵的最大缺點是其制熱量和能效比隨熱源側(室外環境)的溫度下降而衰減。理論情況下,當室外溫度降至-25℃時,大部分空氣源熱泵機組的能效比在1∶1.3左右,能效狀況并不理想。但是,目前市場上存在的專門針對嚴寒地區的超低溫空氣源熱泵機,已經能夠保證在-15℃以上的環境下實現1∶2以上的能效比,大大拓寬了空氣源熱泵供暖系統的應用范圍,特別適合無天燃氣等邊沿地區。2017年,北京市已完成實施700個平原村莊的煤改清潔能源,優先確保完成朝陽、海淀、豐臺、石景山、大興、通州、房山7個區的改造,在10月底前將實現所有平原村莊的基本“無煤化”。

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