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想了解空气源热泵,首先得知道什么是热泵?

2018-12-11 17:24:28
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什么是热泵?

热泵(Heat Pump)是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置,也是全世界倍受关注的新能源技术。它不同于人们所熟悉的可以提高位能的机械设备——“泵”;热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能,经过电力做功,然后再向人们提供可被利用的高品位热能。

热泵的工作原理

水从高处流向低处,热由高温物体传递到低温物体,这是自然规律。然而,在现实生活中,为了农业灌溉、生活用水等的需要,人们利用水泵将水从低处送到高处。同样,在能源日益紧张的今天,为了回收通常排到大气中的低温热气、排到河川中的低温热水等中的热量,热泵被用来将低温物体中的热能传送高温物体中,然后高温物体来加热水或采暖,使热量得到充分利用。

热泵系统的工作原理与制冷系统的工作原理是一致的。要搞清楚热泵的工作原理,首先要懂得制冷系统的工作原理。制冷系统(压缩式制冷)一般由四部分组成:压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。其工作过程为:低温低压的液态制冷剂(例如氟利昂),首先在蒸发器(例如空调室内机)里从高温热源(例如常温空气)吸热并气化成低压蒸气。然后制冷剂气体在压缩机内压缩成高温高压的蒸气,该高温高压气体在冷凝器内被低温热源(例如冷却水)冷却凝结成高压液体。再经节流元件(毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等)节流成低温低压液态制冷剂。如此就完成一个制冷循环。热泵的性能一般用制冷系数(COP性能系数)来评价。制冷系数的定义为由低温物体传到高温物体的热量与所需的动力之比。通常热泵的制冷系数为3-4左右,也就是说,热泵能够将自身所需能量的34倍的热能从低温物体传送到高温物体。所以热泵实质上是一种热量提升装置,工作时它本身消耗很少一部分电能,却能从环境介质(水、空气、土壤等)中提取4-7倍于电能的装置,提升温度进行利用,这也是热泵节能的原因。欧美日都在竞相开发新型的热泵。据报导新型的热泵的制冷系数可68。如果这一数值能够得到普及的话,这意味着能源将得到更有效的利用热泵的普及率也将得到惊人的提高。

热泵系统冬夏工况

由于热泵装置的工作原理与压缩式制冷是一致的;所以在小型空调器中,为了充分发挥它的效能,在夏季空调降温或在冬季取暖,都是使用同一套设备来完成的。在冬季取暖时,将空调器中的蒸发器与冷凝器通过一个换向阀来调换工作,见图。由图中可看出,在夏季空调降温时,按制冷工况运行,由压缩机排出的高压蒸汽,经换向阀(又称四通阀)进入冷凝器,制冷剂蒸汽被冷凝成液体,经节流装置进入蒸发器,并在蒸发器中吸热,将室内空气冷却,蒸发后的制冷剂蒸汽,经换向阀后被压缩机吸入,这样周而复始,实现制冷循环。在冬季取暖时,先将换向阀转向热泵工作位置,于是由压缩机排出的高压制冷剂蒸汽,经换向阀后流入室内蒸发器(作冷凝器用),制冷剂蒸汽冷凝时放出的潜热,将室内空气加热,达到室内取暖目的,冷凝后的液态制冷剂,从反向流过节流装置进入冷凝器(作蒸发器用),吸收外界热量而蒸发,蒸发后的蒸汽经过换向阀后被压缩机吸入,完成制热循环。这样,将外界空气(或循环水)中的热量“泵”入温度较高的室内,故称为“热泵”。对于一台分体式热泵空调来说,夏天制冷时就是以室外机为冷凝器、室内机为蒸发器,运行时就把室内的热输送到了室外。而冬季则以室内机为冷凝器、室外机为蒸发器,这样就把室外的热量输送到了室内,通常这些是通过四通换向阀来实现的。热泵空调里面有一个四通换向阀。在制冷工况下,室内热交换器就是蒸发器,室外热交换器(夏天往外呼呼出热风的那个东西)就是冷凝器。冬季供热的时候,四通换向阀切换,改变冷媒的流向,此时,室内热交换器就是冷凝器,室外热交换器(冬天往外呼呼出冷风的那个东西)就是蒸发器。由于冬季往外出冷风,换热器要结霜,所以等结霜到一定程度时,四通换向阀再切换,空调变成夏季制冷工况,室外热交换器得到热量,化霜,化霜完毕后,四通阀再切换到制热状态。除霜时,为了防止向室内吹冷风,故室内机的风机停止运转。(当然这种逆向除霜对舒适性有一定影响,所以又有了热气旁通除霜、蓄热除霜等不需要切换工况的方式)

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热泵系统原理图

能量分析

在上图的热泵循环中,从低温热源(室外空气或循环水,其温度均高于蒸发温度t0)中取得Q0 kcal/h的热量,消耗了机械功ALkcal/h,而向高温热源(室内取暖系统)供应了Q1 kcal/h的热量,这些热量之间的关系是符合热力学第一定律的,即Q1=Q0+AL kcal/h如果不用热泵装置,而用机械功所转变成的热量(或用电能直接加热高温热源,则所得的热量为ALkcal/h,而用热泵装置后,高温热源(取暖系统)多获得了热量:Q1-AL=Q0 kcal/h。这一热量是从低温热源取得的,如果不用热泵装置,就无法取得这一热量。故用热泵装置既可节省燃料,又可利用余热。热泵的工作循环与热机的工作循环正好相反,热机是利用高温热源的能量来产生机械功的,而热泵是靠消耗机械功将低温热源的热量转移到高温物体中去。热泵具有两个相同的热源温度,则它们之间的关系为:φ=Q1AL=Q0+AL)╱AL=ε+1,ε 是制冷机的制冷系数。由此可看出,热量转换系数的最小值是φ=1,在此极限情况下ε=0Q0=0,即没有从低温热源吸取热量。 

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热泵的能量转换

作为自然界的现象,正如水由高处流向低处那样,热量也总是从高温区流向低温区。但人们可以创造机器,如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样,采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置,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),其工作原理与制冷机相同,都是按照逆卡诺循环工作的,所不同的只是工作温度范围不一样。热泵在工作时,它本身消耗一部分能量,把环境介质中贮存的能量加以挖掘,通过传热工质循环系统提高温度进行利用,而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分,因此,采用热泵技术可以节约大量高品位能源。在运行中,蒸发器从周围环境中吸取热量以蒸发传热工质,工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力上升,高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时,释放出的热量传递给了储水箱中的水。冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器,后再被蒸发,如此循环往复。

热泵的分类

按热源种类不同分为:空气源热泵,水源热泵,地源热泵,双源热泵(水源热泵和空气源热泵结合)等。

空气源热泵

空气源是指冷热源来源于空气,就是从空气中吸取热量,或把热量排放到空气中去。这类产品包括:空调、风冷(热泵)冷水机组、VRV多联机、空气能热水器、空气源热泵采暖机、冰箱、冷库等形式的产品,空调归属空气源大类,是空气源的一个小分支,也就是说空气源包含空调,但范围比空调更广、更宽。

但现在,一般说空气源或空气源热泵或空气能,就是专指能烧热水、采暖、冷暖两联供、烘干等形式的机组,为和现在约定成俗的名称相一致,现在说的空气源热泵就专指这类产品,现在市面上常说的空气源热泵两联供提供制冷和采暖两种功能;空气能热泵三联供就是使用一套空气能热泵机组,实现热水、采暖和制冷等三种功能。

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空气源热泵三联供工作原理   

水源热泵

水源热泵是利用地球表面浅层的水源,如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低品位热能资源,采用热泵原理,通过少量的高位电能输入,实现低位热能向高位热能转移的一种技术。水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中;在冬季,则从相对恒定温度的水源中提取能量,利用热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵消耗1kW的能量,用户可以得到4kW以上的热量或者冷量。水源热泵克服了空气源热泵冬季室外换热器结霜的不足,而且运行可靠性和制热效率又高,近年来国内应用广泛。水源热泵作为一种新型的供热供冷方式,从热泵机组本身看应当是成熟的。但是该系统的应该要考虑到水源政策、水源情况等,因此目前还没有得到广泛应用。

地源热泵

地源热泵是一种利用浅层地热资源(也称地能,包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源,即在冬季,把地能中的热量取出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量取出来,释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kWh的能量,用户可以得到4kWh以上的热量或冷量。地源热泵可应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、商场、办公楼、学校等建筑,小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。

高温空气能热泵

高温空气能热泵从字面来理解是指制热出水温度高于60℃(即:高温热水)或出风温度能够达到 80 ℃以上的热泵(即:高温烘干热泵)。相对今天市场上热销的常规热泵而言,常规热水温度一般是55℃以下,而新一代高温空气能热泵可制取高达85℃左右的高温热水,能够运用于电镀,巴氏消毒,屠宰,玻璃清洗,印染等行业。

简单说,热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置。热量可以自发的从高温物体传递到低温物体中去,但不能自发地沿相反方向进行。热泵的工作原理就是以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体的机械装置,它仅消耗少量的逆循环净功,就可以得到较大的供热量,可以有效地把难以应用的低品位热能利用起来达到节能目的。


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