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熱泵技術是近年來在全世界倍受關注的新能源技術。人們所熟悉的「泵」是一種可以提高位能的機械設備,比如水泵主要是將水從低位抽到高位。而「熱泵」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。

1 熱泵 -正文

定義

熱泵熱泵
將低溫熱源的熱量轉移到溫度高於環境溫度的物體,從而獲得熱量的機器和設備。在空氣調節設備中熱泵的工作過程與制冷機相仿,但它是向高於環境溫度的物體供給熱量,例如向建築物供暖、供應生活或某些生產過程用的熱水等。熱泵的低溫熱源最常用的是環境介質(空氣或地面水)的熱量,也可用地熱或生產過程中排出的廢汽、廢水和廢油等的熱量。

熱泵分類 熱泵根據吸熱源可分為空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵(水地源熱泵)。

空氣源熱泵構造

空氣源熱泵機組一般由壓縮機、蒸發器、膨脹閥、過濾器、儲液罐、冷凝器、儲水箱等幾部分組成。

空氣源熱泵工作原理
低溫低壓氣態的冷媒經過壓縮機成為高壓高溫氣態。壓縮機的壓縮功能轉化的熱量為Q2。高溫高壓的氣態冷媒與水進行熱交換,高壓的冷媒在常溫下被冷卻、冷凝為液態。這過程中,冷媒放出熱量用來加熱水,使水升溫變成熱水。水吸收的熱為Q3。高壓液態冷媒通過膨脹閥減壓,壓力不降,回到比外界低的溫度,具有吸熱蒸發的能力。低溫低壓的液態冷媒經過蒸發器(空氣熱交換器)吸收空氣中的熱量自身蒸發,由液態變為氣態,冷媒從空氣中吸收的熱為Q1。吸收了熱量的冷媒變成低溫低壓氣體,再由壓縮機吸入進行壓縮,如此往複循環,不斷從空氣中吸熱,而在水側換熱器放熱,製取熱水。這個循環過程由熱泵熱水機組來完成。熱泵作為高效集熱並轉移熱量的系統裝置,可以把壓縮機所消耗的電力變為3.5倍甚至4倍以上的熱能(即Q1-Q2=Q3的道理)。對於空調,Q1=Q3-Q2,Q1為冷媒從空氣中吸收的熱量(即製冷量),這樣不斷從房間內吸收熱量,把房間的溫度降低,根據國際規定:在標準的工況下,製冷的效能比COP值(製冷量與功率之比,即Q1/Q2)不能低於2.4,一般空調製冷的COP值大於2.6。對於熱泵:Q3=Q2=Q1,Q3為水從冷媒中吸收的熱量,它要大於冷媒從空氣中吸收的熱量,差值為Q2,即壓縮機壓縮冷媒產生的熱量。所以同等工況下熱泵熱水器的COP值大於空調的COP值(製冷量與功率之比,即Q3/Q2),要比空調的COP值永遠大於4.0。據測試,在標準工況下佰什特熱泵機組的COP值為4.0以上。
熱泵熱泵
熱泵的工作原理

它的組成和工作過程與壓縮式制冷機相同,也是用一般的製冷劑(氨或氟利昂)作為工質。工業廢水在泵的作用下流經蒸發器的傳熱管,加熱管外的工質並使之蒸發,產生的蒸氣經壓縮機壓縮後進入冷凝器即凝汽器中冷凝成液體,液體再經節流閥節流降壓後進入蒸發器中繼續蒸發,從而完成熱泵的工作循環。在冷凝器中工質是在較高的溫度下冷凝的,將熱量傳給載熱質(冷卻水),載熱質遂將熱量源源不斷地供給需要供熱的用戶。
  衡量熱泵工作有效性的一個重要技術指標是熱量變換係數熱泵Q1/N,式中Q1為熱泵向高溫物體供熱的速率(千焦/秒);

    N為壓縮機消耗的功率(千瓦)。因在數值上Q1總是大於N(因Q1中尚包括從低溫熱源吸收的熱量),熱泵的數值也總是大於1。

   熱泵的值是隨熱泵的工作溫度而變的,蒸發溫度越低、冷凝溫度越高則熱泵的值越小。

    例如,當冷凝溫度為50℃,蒸發溫度為0~10℃時,φ值約為3.5~4.5;但當冷凝溫度提高到80℃,蒸發溫度降低到-20~0℃時,熱泵=1.4~1.9。因此,在供熱溫度較高而低溫熱源溫度較低的情況下,用熱泵供熱便不很經濟。

    在電力供應不足和電費價格較高的情況下,壓縮式熱泵不宜大量使用。
  仿照吸收式制冷機的工作過程可組成吸收式熱泵,它只消耗熱能就可達到熱量轉移的目的。

    同樣,根據半導體製冷器的原理也可製成半導體供熱器。
  應用壓縮式制冷機和壓縮式熱泵的工作原理,可以組成熱泵型空調機組(見空氣調節設備)。夏季按製冷循環工作,可用來使房間降溫;冬季按熱泵循環工作,可用來向房間供熱。

2 熱泵 -熱泵工業發展歷史

   20世紀70年代以來,熱泵工業進入了黃金時期,世界各國對熱泵的研究工作都十分重視,諸如國際能源機構和歐洲共同體,都制定了大型熱泵發展計劃,熱泵新技術層出不窮,熱泵的用途也在不斷的開拓,廣泛應用於空調和工業領域,在能源的節約和環境保護方面起著重大的作用。  

       相對世界熱泵的發展,中國熱泵的研究工作起步約晚20-30年左右。新中國成立后,隨著工業建設新高潮的到來,熱泵技術才開始引入中國。進入21世紀后,由於中國沿海地區的快速城市化、人均GDP的增長、2008年北京奧運會和2010年上海世博會等因素拉動了中國空調市場的發展,促進了熱泵在中國的應用越來越廣泛,熱泵的發展十分迅速,熱泵技術的研究不斷創新。 

  從2001年熱泵起步開始,經過5年的培育,中國熱泵行業開始從導入期轉入成長期。熱泵行業快速發展,一方面得益於能源緊張使得熱泵節能優勢越來越明顯,另一方面與多方力量的加入推動行業技術創新有很大關係。

3 熱泵 -污水源熱泵

        所謂污水源熱泵就是利用熱泵內部的結構實現一個冷熱的循環,夏季通過污水源熱泵把建築物內的熱量傳遞給污水即實現製冷,冬季將污水中的熱量置換出來以滿足建築物內的供暖需求。相對於傳統的採暖製冷設備來說,污水源熱泵具有環保節能,佔地面積較小,運營費用較低等優點。污水源熱泵實現了將污水中的廢熱利用的這一想法,符合當今社會可持續發展的需求。污水源熱泵的的出現,為城市節能環保發展,節能減排方面做出了突出的貢獻。

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