熱 泵 系 統(tǒng)

將熱量從低溫環(huán)境傳送到高溫環(huán)境

我們都知道，在自然狀態(tài)下，我們不能將外部寒冷環(huán)境中的熱量帶到更加溫暖的室內(nèi)環(huán)境中。 

同時(shí)我們也知道，科技的發(fā)展則是通過理論及相關(guān)設(shè)備將自然狀態(tài)下不可能發(fā)生的事情實(shí)現(xiàn)。

而這項(xiàng)將熱量從冷環(huán)境傳送到熱環(huán)境的技術(shù)已存有150多年了。

這項(xiàng)技術(shù)至今廣泛運(yùn)用于制冷設(shè)備的生產(chǎn)：即把熱量通過制冷劑散發(fā)到外部更高溫度的環(huán)境中去的設(shè)備。

同樣，這項(xiàng)技術(shù)也可運(yùn)用于制熱：即將外部環(huán)境中的熱量傳送到室內(nèi)進(jìn)行制熱而無需燃燒燃料來產(chǎn)生熱量。

下面我們將對(duì)制冷和制熱的方式通過兩個(gè)圖示進(jìn)行說明。

如何使用熱空氣進(jìn)行室內(nèi)制冷

圖例分為以下三個(gè)部分：

步驟 1 — 獲取熱空氣

我們假設(shè)將 35℃的熱空氣封閉到一個(gè)帶可運(yùn)動(dòng)活塞的圓柱體內(nèi)。

步驟 2 — 膨脹

我們?cè)O(shè)法將此空氣膨脹，比如膨脹為原體積的 1.2 倍。這樣則會(huì)造成空氣溫度的降低，因?yàn)椋?/p>

－ 空氣膨脹后，初始狀態(tài)時(shí)存在的熱量散發(fā)給更大容積的空氣。

－ 用于膨脹的能量從圓柱體內(nèi)空氣中提?。黧w學(xué)理論）。在此假設(shè)的膨脹容積下 ， 空氣溫度從 35℃下降到了13.3℃。

步驟 3 — 制冷

我們把這個(gè)空氣溫度為13.3℃的圓柱體轉(zhuǎn)移到溫度為 26℃的室內(nèi)。圓柱體內(nèi)的空氣則可以進(jìn)行室內(nèi)制冷。此圖例說明了可以將更高溫度的空氣膨脹并轉(zhuǎn)移，然后進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境的制冷。

如何使用冷空氣進(jìn)行室內(nèi)制熱

圖例分為以下三個(gè)部分：

步驟1 — 獲取冷空氣

我們假設(shè)將10℃的冷空氣封閉到一個(gè)帶有可運(yùn)動(dòng)活塞的圓柱體內(nèi)。

步驟2 — 壓縮

我們將此空氣壓縮，使其容積減少20%，這樣則會(huì)造成其溫度升高，因?yàn)椋?/p>

— 空氣壓縮后，初始狀態(tài)時(shí)存在的熱量加熱更小容積的空氣。

— 用于壓縮空氣的能量傳送到圓柱體內(nèi)的空氣中（流體  學(xué)理論）。

在此假設(shè)的壓縮體積下，空氣溫度由10℃上升到了 36.4℃。

步驟3 — 制熱

我們把這個(gè)空氣溫度為36.4℃的圓柱體轉(zhuǎn)移到溫度為 20℃的室內(nèi)，圓柱體內(nèi)的空氣則可進(jìn)行室內(nèi)的制熱。

此圖例說明了可以將更低溫度的空氣進(jìn)行壓縮并轉(zhuǎn)移然后用于室內(nèi)的環(huán)境制熱。

 將熱量從低溫傳送到高溫的設(shè)備

能夠?qū)崃繌牡蜏丨h(huán)境傳送到高溫環(huán)境的設(shè)備有很多種，每種之間的物理及化學(xué)過程不一。

然而市場(chǎng)上最為普通的設(shè)備則是利用前面所講述的兩種現(xiàn)象。

這些設(shè)備的核心原理是一個(gè)封閉循環(huán)的回路，其中的介質(zhì)被稱為冷媒或制冷劑，它在此循環(huán)回路中被連續(xù)地壓縮和膨脹。

在每次被壓縮和膨脹時(shí)（即每一輪工作狀態(tài)），制冷劑將熱量從低溫環(huán)境中‘抽取’并傳送到高溫環(huán)境中。

空氣并未作為冷媒使用，盡管它不會(huì)造成污染且無成本。因?yàn)槠涿枯喒ぷ鳡顟B(tài)的熱效率相當(dāng)?shù)汀?/p>

實(shí)際使用的冷媒是能夠在吸收熱量時(shí)蒸發(fā)，散發(fā)熱量時(shí)冷凝的液體。液體形態(tài)的改變過程能夠在每一輪工作循環(huán)中極大地提高熱效率。

將循環(huán)方式調(diào)轉(zhuǎn)，這類設(shè)備既可用于供熱也可用于制冷。

第一種方式下它被稱為熱泵，第二種方式下被稱為制冷機(jī)。這只是名稱上的區(qū)別而已。

下圖為熱泵的主要構(gòu)成組件，下面則分別介紹了每個(gè)組件的功能。

制冷劑

最早的制冷機(jī)器采用氨作為制冷劑，由于其毒性和腐蝕性強(qiáng)，已不再作為制冷劑使用。

很多年以來，氟里昂一直作為制冷劑使用，但由于它會(huì)破壞臭氧層從而危害地球的生態(tài)環(huán)境已被禁止使用。

目前使用最多的制冷劑為HCFC（含氫氯氟烷烴）。對(duì)于新型制冷劑的研究一直在進(jìn)行中。目的是盡量減少對(duì)環(huán)境的污染同時(shí)提高其熱效率。

壓縮機(jī)

壓縮冷媒，提高其溫度。

冷凝器

使冷媒從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)散發(fā)熱量。

膨脹閥

使冷媒膨脹溫度降低。

蒸發(fā)器

使冷媒從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)吸收熱量。

 制冷的歷史回顧

人類從一開始就學(xué)會(huì)了生火取暖。然而制冷技術(shù)卻遲遲源于十八世紀(jì)末，制冷的發(fā)明極大地改善了人們的生活水平。

今天，在我們的社會(huì)文明中，制冷工業(yè)有著其不可取代的與日常生活息息相關(guān)的巨大作用。

以下是制冷工業(yè)在歷史上的幾大事件：

1834年：雅各布?帕金斯（Jacob Perkins）在倫敦制造了第一臺(tái)蒸汽壓縮式制冷機(jī)。

1859年：F?卡列（CARRE）發(fā)明了氨水吸收式制冷機(jī)，開始工業(yè)冰的生產(chǎn)。

1895年：冷凍船將肉食從阿根廷運(yùn)輸?shù)綒W洲。

1911年：W?開利（CARRIER）發(fā)明了第一臺(tái)空調(diào)。

 熱泵的歷史回顧

熱泵的歷史始于1973年的石油危機(jī)，其后果是燃油價(jià)格的迅猛上漲。

燃料的危機(jī)讓人們意識(shí)到，在某些場(chǎng)合，可以從冷源中抽取熱量而不需直接燃燒產(chǎn)生熱量。也就是說，可以使用熱泵取代鍋爐。

熱泵的真正普及是在2000年之后，除了之前所提及的燃料價(jià)格問題外，更多的是出于對(duì)環(huán)境的考慮，因?yàn)槿剂先紵a(chǎn)生的大氣污染，使人們更加關(guān)注于環(huán)境，更多使用清潔能源。

熱泵及其系統(tǒng)的性能

熱泵的性能至關(guān)重要，以下我們將介紹與供熱相關(guān)的性能特征。制冷的特性數(shù)據(jù)與供熱大致相等。

熱泵的瞬時(shí)特性

這些特性指根據(jù)明確的實(shí)驗(yàn)條件下得出的系數(shù)。

只與壓縮機(jī)有關(guān)的效率系數(shù)

它指熱泵輸出熱量與壓縮機(jī)所消耗電量之間的關(guān)系：

實(shí)際上，它指壓縮機(jī)消耗 1kW 電量所能獲得的熱量。比如說ε＝4，那么則指 1kW 的耗電量下可獲取 4kW 的熱量。

ε值主要取決于冷源與供熱溫度之間的溫差：溫差越小， ε值越大，即熱泵效率越高。很明顯，將熱量從 10℃的環(huán)境中傳送到 30℃的供熱介質(zhì)中遠(yuǎn)比傳送到 50℃的供熱介質(zhì)更加容易。

與壓縮機(jī)及相關(guān)設(shè)備關(guān)聯(lián)的效率系統(tǒng) （工作效率）

此效率系數(shù)（由EN 255標(biāo)準(zhǔn)定義）指熱泵的輸出熱量與熱泵的壓縮機(jī)及其它元件所消耗電量之間的關(guān)系。

 熱泵系統(tǒng)的年均性能系數(shù)   

這類系數(shù)被命名為COPA，即COP的年平均值。它指一年之內(nèi)的有效供熱量與系統(tǒng)運(yùn)行總共耗電量之間的關(guān)系。

此系數(shù)不僅與熱泵本身的性能相關(guān)，還與熱量的分配及調(diào)節(jié)性能密不可分。

這個(gè)系數(shù)對(duì)于計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)重要。 

當(dāng)然，要確定這個(gè)年均性能系數(shù)并不容易，它受很多因素的影響，比如：

— 冷源溫度的變化。

— 系統(tǒng)的分布及末端的種類。 

— 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式。

— 熱泵的調(diào)節(jié)方式。

同時(shí)，熱泵壓縮機(jī)的起停次數(shù)也非常關(guān)鍵。在熱泵開啟階段，電機(jī)需要預(yù)熱，所以這時(shí)的COP 值就會(huì)低于實(shí)驗(yàn)室理想的工作狀態(tài)下得出的數(shù)據(jù)。目前市場(chǎng)上已有專業(yè)的確定COPA值的計(jì)算公式和軟件，因?yàn)槠鋸?fù)雜性我們?cè)诖瞬蛔鼋榻B。可以預(yù)測(cè)的是，很快會(huì)有官方的計(jì)算方式出臺(tái)，以避免廠家提供的模棱兩可的引發(fā)爭(zhēng)議的數(shù)據(jù)，這樣才可 以對(duì)使用了熱泵系統(tǒng)的建筑頒發(fā)官方的節(jié)能認(rèn)證。

 可利用的冷熱源

熱泵的冷媒吸熱端可使用多種不同的冷熱源。如何選擇合適的冷熱源主要參考以下各因素：

— 外部環(huán)境特征。

— 相關(guān)法規(guī)的約束情況。

— 所需工作特性。

— 系統(tǒng)造價(jià)。 

— 投資款最快回收期限。 

以下我們對(duì)常用的幾種冷熱源及其特性進(jìn)行介紹：

 空氣源

空氣源既可是室外空氣也可是室內(nèi)交換空氣。

室外空氣：特點(diǎn)是隨時(shí)隨地可取，無需特殊的獲取設(shè)備，無需專業(yè)機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)。但是當(dāng)室外空氣溫度低于 5-6℃時(shí)，熱泵效率明顯降低，這時(shí)需要輔助加熱系統(tǒng)。

室內(nèi)交換空氣（通常在20℃左右）；沒有上述室外空氣的缺點(diǎn)，但空氣量較小。

表層水源

表層水源包含：海水，湖泊，運(yùn)河，水塘，這些都可作為冷熱源使用。值得考慮的是，在非常寒冷的季節(jié)，某些冷熱源溫度很低且會(huì)結(jié)冰。

同空氣源一樣，它們?cè)跍囟冗^低的情況下也同樣需要輔助加熱系統(tǒng)。

地 源

地面下有大量?jī)?chǔ)存的熱量，它們來源于太陽能和地?zé)崮?，太陽能的能源大多?chǔ)存在地下淺層，而地?zé)崮軇t儲(chǔ)存在更深層。

地下的熱源可通過以下幾種方式利用：

潛水含水層。

橫式盤管：使用塑料盤管吸取地下淺層熱量。

豎式盤管：使用塑料盤管深入地下100-200米吸取熱量。

樁埋管：將U型管換熱器埋于建筑物混凝土樁基中。

可使用熱泵的供熱系統(tǒng)

我們之前討論過，冷源與供水溫度的差值越小，熱泵的效率則更高。因此熱泵更適合于低溫采暖方式。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，常見的采暖方式有以下的優(yōu)缺點(diǎn)：

輻射地板采暖系統(tǒng)

輻射地板采暖系統(tǒng)因?yàn)槠涞蜏毓┡?的方式，非常適合使用熱泵為熱源。

當(dāng)然，將供水溫度盡量降低會(huì)更加適合，這可以通過使用較小的布管間距 （比如10-15mm）來實(shí)現(xiàn)。

散熱器采暖系統(tǒng)

當(dāng)無法使用地板采暖系統(tǒng)時(shí)，比 如已建房屋或特殊的歷史性建筑，可使用散熱器采暖系統(tǒng)。

散熱器采暖系統(tǒng)最大的局限性在于由于使用低溫供水，散熱器盡寸會(huì)比通常尺寸大很多。

比如說，一個(gè)在 80℃時(shí)能輸出 1,000 kcal/h 熱量的散熱器，在 45℃時(shí)只能輸出 320 kcal/h 的熱量。這樣則會(huì)造 成散熱器設(shè)計(jì)片數(shù)增加。

另外一個(gè)局限性則是無法使用散熱器制冷。

風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)主要適合于公共建 筑如飯店、辦公樓、醫(yī)院等場(chǎng)所。

使用熱泵為熱源的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng) 需要選擇在低溫供水（40-45℃）下能正常工作的風(fēng)機(jī)盤管。另外，如果是安裝在臥室內(nèi)則需要使用噪音很小的風(fēng)機(jī)。

風(fēng)道系統(tǒng)

可以使用空氣/空氣或水/空氣型 熱泵作為熱源。

使用空氣/空氣熱泵的系統(tǒng)由熱泵直接供給風(fēng)道熱量。

使用水/空氣熱泵的系統(tǒng)由熱泵將熱量提供給空氣處理單元。

 地 熱

地?zé)嶂傅乇韺酉聝?chǔ)存的熱能。

它主要源于巖石中放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生的能量。

地球內(nèi)部的溫度為大約平均每下降1000米上升30℃，在地球的核心溫度高達(dá)6500℃。

隨著深度而變化的地下溫度并非一致，根據(jù)地下結(jié)構(gòu)層的變化而不一。比如溫泉、火山等發(fā)源地的地下結(jié)構(gòu)層就與其它的差異很大， 因此溫度變化也并非完全按此深度的規(guī)律。

地?zé)岬氖褂梅绞酵ǔ７譃橐韵聨最悾?/p>

高溫地?zé)?/p>

指超過180℃的高溫水或蒸汽， 用于直接發(fā)電。 第一臺(tái)使用地?zé)岚l(fā)電的設(shè)備 1906年在PISA建成。

中溫地?zé)?/p>

指100～180℃之間的高溫水或蒸汽，可通過輔助的介質(zhì)進(jìn)行發(fā)電。 

中低溫地?zé)?/p>

指30～100℃之間的熱水。用于熱電聯(lián)產(chǎn)，溫泉設(shè)備等。

低溫地?zé)?/p>

指30℃以下的地?zé)?，主要用于熱泵使用?/p>

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