江 晶 晶

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安　710043)

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VM循環(huán)熱泵技術(shù)的研究

江 晶 晶

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安710043)

從我國供熱發(fā)展的需求出發(fā)，對(duì)燃?xì)怛?qū)動(dòng)的基于VM循環(huán)的熱泵技術(shù)進(jìn)行了介紹，并分析了其技術(shù)可行性，論述了該技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，指出VM循環(huán)熱泵技術(shù)具有制熱性能系數(shù)高、低溫適應(yīng)性強(qiáng)、造價(jià)及維護(hù)費(fèi)低等特點(diǎn)。

VM熱泵，供熱，節(jié)能減排，燃?xì)?/p>

1　研究背景

我國幅員遼闊，各地氣候差異較大，過渡季及冬季供暖需要因地制宜的解決方案。秦嶺—淮河以北多采用熱網(wǎng)集中供熱，熱源包括燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、電鍋爐[1]，以及燃煤或燃?xì)怆姀S的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)。北方部分城鎮(zhèn)居民及長江流域大部分地區(qū)采用分布式采暖，即以空氣源熱泵、電加熱器為主的局部加熱形式[2]。自20世紀(jì)90年代以來，為了解決夏季高峰期供電不足的危機(jī)，燃?xì)饪照{(diào)，即天然氣驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵(直燃機(jī))機(jī)組得到了快速發(fā)展，在我國占據(jù)了一定市場[3]。

分壇主太極虎任意行、副分壇主鬼算盤錢通、少林天問大師、武當(dāng)紫陽道長和六位灰衣殺手，他們成兩排在聚義堂門前站定。

從熱力學(xué)角度來看，制熱性能系數(shù)(COP)被定義為用戶得到的熱量與消耗的能源之比，直接反映了熱源的能源轉(zhuǎn)化效率。無論是電驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵，還是燃?xì)怛?qū)動(dòng)的吸收式空氣源熱泵，效率相比直接燃燒煤或天然氣等化石燃料的傳統(tǒng)鍋爐均有顯著優(yōu)勢(shì)，然而，這二者均存在一定的技術(shù)瓶頸：電驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵在低溫工況下制熱量與效率大幅衰減，為了解決這一問題，目前部分產(chǎn)品采用了電輔熱，但仍無法保證低溫工況下室內(nèi)的供熱量與熱舒適性，而采用渦旋壓縮機(jī)及經(jīng)濟(jì)器，或采用多級(jí)循環(huán)等改進(jìn)方案還大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚未成熟[4]；吸收式熱泵多用于大型公共建筑，具有體積大、維護(hù)成本高、操作復(fù)雜等不可忽視的局限性。

在能源緊缺、環(huán)境污染、供暖面積大幅擴(kuò)張等形勢(shì)下，亟需一種高效、低污染、氣候適應(yīng)性強(qiáng)的供熱新方式，燃?xì)怛?qū)動(dòng)的基于VM循環(huán)的熱泵技術(shù)正是這樣一種較為理想的供熱新技術(shù)。

2　VM循環(huán)熱泵技術(shù)

VM循環(huán)(Vuilleumier，又稱維氏循環(huán))不同于傳統(tǒng)的由機(jī)械能或電能驅(qū)動(dòng)的蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)，是一種由熱能直接驅(qū)動(dòng)的熱泵循環(huán)。該技術(shù)類似于前文提及的吸收式熱泵技術(shù)，從熱力學(xué)原理上來看，都是由一個(gè)熱機(jī)循環(huán)帶動(dòng)一個(gè)熱泵循環(huán)，由熱能直接驅(qū)動(dòng)的熱泵技術(shù)。

綜上所述，我國土建工程發(fā)展進(jìn)程較長，深基坑支護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果也比較成熟，隨著技術(shù)人員開發(fā)效果深入，更多施工技術(shù)被研究出來，我國疆域遼闊，地貌多樣，為滿足各地區(qū)建筑工程要求，提高對(duì)工作人員生命安全財(cái)產(chǎn)的維護(hù)，就需要對(duì)應(yīng)單位在前期設(shè)計(jì)合理規(guī)劃，并投入使用正確的施工技術(shù)。

圖1詳細(xì)描述了實(shí)現(xiàn)VM熱泵循環(huán)所需的一種技術(shù)方案和其在T—s(溫—熵)圖上對(duì)應(yīng)的循環(huán)過程[5，6]。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，制冷劑工質(zhì)被密封，在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，屬于閉式循環(huán)。常見的制冷劑工質(zhì)都是低臨界溫度的小分子氣體，例如氦氣，以保證在室溫工況下循環(huán)遠(yuǎn)離兩相區(qū)。如圖1所示，熱機(jī)循環(huán)工作在高溫(Th)和中溫之間(Tm)，熱泵循環(huán)工作在中溫(Tm)和低溫(Tc)之間。天然氣在熱腔外部燃燒，向熱腔內(nèi)的工質(zhì)輸入熱量，實(shí)現(xiàn)從1→2的等溫加熱膨脹過程，與此同時(shí)，工質(zhì)推動(dòng)活塞膨脹做功，通過曲柄傳遞動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)另一側(cè)熱泵的活塞壓縮過程。熱機(jī)側(cè)工質(zhì)膨脹后先通過高溫回?zé)崞鹘禍?，再向中?Tm)排熱，即向所需制熱室內(nèi)空間吹熱空氣，提供有用的熱量后流回高溫回?zé)崞魑鼰?，完成熱機(jī)側(cè)循環(huán)。熱泵側(cè)工質(zhì)從低溫側(cè)(冬季和過渡季室外環(huán)境)吸熱膨脹，經(jīng)過冷回?zé)崞鞅患訜?，向中?Tm)排熱被壓縮后反向經(jīng)過冷回?zé)崞髁骰氐蜏貍?cè)，完成熱泵循環(huán)。其中，根據(jù)設(shè)備原理圖，由于兩個(gè)活塞通過一個(gè)曲柄連接，為了保證熱機(jī)循環(huán)與熱泵循環(huán)有90 ℃，即四分之一個(gè)周期的相位差，絕大部分原型機(jī)均需要一個(gè)耗電非常低的輔助電機(jī)來幫助啟動(dòng)系統(tǒng)，并克服系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)所需的壓降。

表1　幾種常見的民用供熱系統(tǒng)方案比較

供熱系統(tǒng)性能系數(shù)低溫適應(yīng)性造價(jià)及維護(hù)技術(shù)成熟度污染物VM循環(huán)燃?xì)鉄岜?.2～2.2[7,8]強(qiáng)低[7]低NOx為主電驅(qū)動(dòng)空氣源熱泵1.5～2.5[1]弱低中電廠污染燃?xì)庵比紮C(jī)1.0～1.6[3]中高中NOx為主燃?xì)忮仩t0.9～0.95[1]強(qiáng)中高NOx為主燃煤鍋爐0.6～0.75[1]強(qiáng)中高碳顆粒電鍋爐(電熱器)0.98～1.0[1]強(qiáng)高高電廠污染

目前仍處于原型機(jī)開發(fā)階段，市面暫無采用該技術(shù)的產(chǎn)品，相比之下，傳統(tǒng)的燃煤、燃?xì)狻㈦婂仩t產(chǎn)品均非常成熟。

1)制熱性能系數(shù)較高。

《右江民族醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)》為國內(nèi)外公開發(fā)行的綜合性學(xué)術(shù)理論刊物，為雙月刊。本刊主要刊登基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等醫(yī)學(xué)類以及醫(yī)藥類新技術(shù)新方法方面的論文。讀者對(duì)象為國內(nèi)外醫(yī)藥、衛(wèi)生、科技人員。

2)低溫適應(yīng)性強(qiáng)。

Fischer等人[7]在1994年總結(jié)了當(dāng)時(shí)VM循環(huán)熱泵的發(fā)展情況，系統(tǒng)供熱性能系數(shù)在1.2～1.4之間。最新的研究表明，部分工況下新型VM熱泵的COP可高達(dá)2.2[8]。

目前家用空調(diào)，即電驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵最常見的問題就是低溫環(huán)境下制熱量不足，電輔熱效率低。因此，VM熱泵在現(xiàn)有電驅(qū)動(dòng)熱泵無法有效工作的地區(qū)可以解決供熱問題，提高室內(nèi)熱舒適性；在熱泵電輔熱長期開啟的寒冷地區(qū)可降低供熱能耗。這意味著性能系數(shù)大于1的熱泵技術(shù)可從長江流域推廣至華北甚至東北地區(qū)，為目前熱網(wǎng)沒有覆蓋的地區(qū)及新建建筑提供一個(gè)全新的供熱技術(shù)方案。

6)可用于熱電(冷)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

自Vuilleumier于1918年為以其命名的VM循環(huán)申請(qǐng)專利[10]以來，國內(nèi)外就VM循環(huán)的熱力循環(huán)特性、制冷與熱泵工況下的性能、原型機(jī)設(shè)計(jì)與研發(fā)，展開了深入、系統(tǒng)的研究。

由于采用了封閉式系統(tǒng)，相比鍋爐等方案保養(yǎng)容易，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命長[7]。相比之下，燃?xì)怛?qū)動(dòng)的吸收式熱泵由于系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，操作困難，不僅初投資高，維護(hù)費(fèi)用也將遠(yuǎn)高于VM熱泵。

4)技術(shù)有待完善。

如表1所示，相比現(xiàn)有的熱源技術(shù)，VM循環(huán)熱泵具有以下特點(diǎn)：

5)污染物較少。

二是應(yīng)適時(shí)擴(kuò)大鉀肥儲(chǔ)備范圍。日前，相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)以及中國石化聯(lián)合會(huì)、鉀鹽鉀肥行業(yè)分會(huì)、中國農(nóng)資傳媒層多次呼吁將國產(chǎn)鉀肥納入儲(chǔ)備范圍。“鉀肥觀察家”認(rèn)為，“鉀肥國儲(chǔ)”不僅要擔(dān)當(dāng)調(diào)節(jié)國內(nèi)鉀肥市場的“蓄水池”，更深遠(yuǎn)的意義在于平衡國際、國內(nèi)兩個(gè)市場，保證供給平穩(wěn)。應(yīng)當(dāng)在流通主渠道發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的前提下，擴(kuò)大儲(chǔ)備數(shù)量和范圍，特別是將國內(nèi)開發(fā)和境外開發(fā)資源統(tǒng)籌規(guī)劃，納入儲(chǔ)備機(jī)制全盤考量。

以燃?xì)鉃榇淼膸追N供熱方式均面臨著排放NOx污染物的缺點(diǎn)[9]，相比燃?xì)庵比紮C(jī)及燃?xì)忮仩t，VM循環(huán)燃?xì)鉄岜梦廴疚镙^少。

第一，企業(yè)審計(jì)人員要有良好的道德素養(yǎng)，在各類干擾正常工作的行為下要堅(jiān)持自己的職業(yè)道德，不接受任何形式的賄賂，按照相關(guān)要求規(guī)范操作。

類似于吸收式制冷/熱泵系統(tǒng)，VM熱泵可回收高溫廢熱，可應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)或小型內(nèi)燃機(jī)的余熱回收，提高系統(tǒng)整體能源利用效率。

3　國內(nèi)外研究概述

3)造價(jià)及維護(hù)費(fèi)低。

青年志愿者活動(dòng)參與行為調(diào)查發(fā)現(xiàn)：52.0%的被調(diào)查者只有在單位組織的情況下參加志愿活動(dòng)，18.2%的被調(diào)查者只有在特殊時(shí)間或節(jié)日參加志愿活動(dòng)；11.3%的被調(diào)查者1年只參加1次志愿活動(dòng)，9.4%的被調(diào)查者每月或每2月參加1次志愿活動(dòng)，6.7%的被調(diào)查者每周或每2周參加1次志愿活動(dòng)[2]。較低的志愿活動(dòng)參與率導(dǎo)致志愿服務(wù)人力資源短缺，醫(yī)務(wù)志愿者服務(wù)隊(duì)伍難以形成規(guī)模，醫(yī)療志愿活動(dòng)開展受到制約。

丹麥理工的原型機(jī)采用了曲柄連接的雙活塞設(shè)計(jì)，工質(zhì)為氦氣，研發(fā)的首個(gè)8 kW熱泵在室外溫度為5 ℃，天然氣驅(qū)動(dòng)溫度為500 ℃～700 ℃時(shí)供熱COP可達(dá)1.4～1.6[11]。更為系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)供熱量對(duì)室外溫度的降低不敏感，當(dāng)室外溫度從10 ℃下降至0 ℃時(shí)，供熱量下降不到10%，相比電驅(qū)動(dòng)熱泵有顯著優(yōu)勢(shì)[12]。

以三洋電機(jī)及三菱電機(jī)為代表的日本公司普遍采用自由活塞式設(shè)計(jì)，即通過工質(zhì)壓力而非曲柄及機(jī)械連桿來傳遞由主動(dòng)活塞向從動(dòng)活塞之間的動(dòng)力[13]，取消曲柄裝置對(duì)于減小系統(tǒng)的重量以及減小由于曲柄導(dǎo)熱造成的熱損耗都有積極意義。

德國多特蒙德理工在傳統(tǒng)單級(jí)斯特靈熱機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)回?zé)崞鳎梢詫?shí)現(xiàn)由燃?xì)怛?qū)動(dòng)的同時(shí)輸出機(jī)械功(電能)和熱能的復(fù)合斯特靈—VM循環(huán)系統(tǒng)，并可通過調(diào)節(jié)工質(zhì)流量比，調(diào)節(jié)輸出電能與熱能的比例[14，15]。

近年來，隨著電子控制元器件的進(jìn)步，美國ThermoLift公司進(jìn)一步提高了自由活塞設(shè)計(jì)的性能。精確控制活塞的位移可以進(jìn)一步優(yōu)化工質(zhì)的壓力變化，使實(shí)際循環(huán)向理論循環(huán)更加靠攏。據(jù)預(yù)測(cè)，新一代的原型機(jī)將在2016年開始進(jìn)行長期測(cè)試，期待可將現(xiàn)有技術(shù)的制熱COP從1.6提高到2.2[8]，為之后的產(chǎn)品化鋪平道路。

建設(shè)項(xiàng)目壓覆礦產(chǎn)資源的評(píng)估還應(yīng)進(jìn)行可否壓覆的評(píng)價(jià)。評(píng)估的重點(diǎn)，是以被壓覆資源近幾年平均價(jià)格水平上的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，與該工程項(xiàng)目產(chǎn)生的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估壓覆礦產(chǎn)資源的利弊，并給出建設(shè)項(xiàng)目是否值得壓覆的建議，為行政主管部門批復(fù)項(xiàng)目工程提供依據(jù)。

在國內(nèi)，華北電力大學(xué)對(duì)VM循環(huán)熱泵進(jìn)行了理論分析，提出了定量分析其性能的唯象模型[5]，在此基礎(chǔ)上研究了以太陽能而非燃?xì)怛?qū)動(dòng)的熱泵循環(huán)效率，進(jìn)一步考慮了傳熱過程對(duì)熱泵效率的影響[16,17]。此外，中科院理化所對(duì)VM循環(huán)用于制冷的可行性進(jìn)行了分析，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)熱驅(qū)動(dòng)的VM制冷循環(huán)進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算[17]。

4　結(jié)語

隨著天然氣在我國能源結(jié)構(gòu)中地位的上升，由燃?xì)庵苯域?qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵技術(shù)在我國的發(fā)展極具潛力。VM循環(huán)熱泵低溫適應(yīng)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)成本低，國外多年實(shí)測(cè)制熱COP可達(dá)1.6，可作為寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)的低溫空氣源熱泵、分布式燃?xì)忮仩t等的替代技術(shù)滿足冬季供熱需求，或作為發(fā)電余熱回收技術(shù)來構(gòu)建新型熱電(冷)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。VM循環(huán)多使用低臨界點(diǎn)小分子工質(zhì)，無溫室氣體或臭氧破壞效應(yīng)，在丹麥、德國、日本及美國已有多年的研發(fā)歷史，從2012年起受到美國能源部的重視，目前正在產(chǎn)品化過程中。我國參與該技術(shù)的研究時(shí)間短，投入相對(duì)較小，在今后仍有大幅提高的空間。

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Research progress of the heat pump based on VM loop

Jiang Jingjing

(ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupLtd.,Xi’an710043,China)

From our heating supply development demand, this paper introduced the heat pump technology of gas-powered based on VM loop, and analyzed the feasibility of its technology, discussed the research status of this technology at home and abroad, pointed out that the VM loop heat pump technology had high heating performance coefficient, low temperature strong adaptability, low cost and maintenance cost and other characteristics.

VM heat pump, heating supply, energy conservation and emissions reduction, gas

1009-6825(2016)08-0154-03

2016-01-07

江晶晶(1989- )，女，助理工程師

TU833

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