張強

（大連市熱電集團有限公司供熱公司，遼寧 大連 116000）

低溫空氣源熱泵供熱原理及特點

張強

（大連市熱電集團有限公司供熱公司，遼寧 大連 116000）

空氣源熱泵是一種節(jié)能環(huán)保，使用效果良好的熱泵類型，也由于它的諸多優(yōu)勢得到了非常廣泛的應用?？諝庠礋岜玫念愋头浅６?，低溫空氣源熱泵就是其中的一種。尤其在寒冷地區(qū)，嚴冬的供暖離不開低溫空氣源熱泵的技術支持。本文主要對低溫空氣源熱泵供熱的原理及其特點進行介紹，并探討幾個熱泵系統(tǒng)的問題及解決方法。

空氣源；熱泵供熱；寒冬供暖

1 什么是空氣源熱泵技術

依靠電能的拖動，迫使熱量從低位熱源向高位熱源流動的裝置就是熱泵。就像水泵把水從低水頭壓送到高水頭，還有氣泵（氣體壓縮機），把氣體從低壓區(qū)送到高壓區(qū)，它們和熱泵的原理是一樣的，都是輸送能源的機械。熱泵技術作為一項節(jié)能環(huán)保高效的技術，是因為它能夠把不能為人們直接利用的低品位熱能通過熱泵技術轉換為可以讓人們直接利用的高位能，比如可以把空氣、太陽能、土壤、井水河水以及工業(yè)廢水等低品位熱能，通過熱泵技術將它們轉化為高位能，直接為人們所利用，并通過利用這些轉化來的高位能進行工作作業(yè)，來有效的減少煤炭、燃氣、電能以及石油這類有限的高位能，以此實現節(jié)約環(huán)保的目的，并有利于我國高位能資源的可持續(xù)利用。礦物資源越來越匱乏，環(huán)境污染越來越嚴重的情況下，合理有效的將低位能轉化為高位能的熱泵技術也將更廣泛的得到應用。

空氣源熱泵的歷史是非常悠久的，壓縮式是最早研究發(fā)現的。但是早期由于技術能力有限，并且能源價格也不甚理想，熱泵的發(fā)展受到的很大的限制，以至于從18世紀初葉，也就是1824年卡諾循環(huán)的發(fā)表就奠定了熱泵研究的基礎，但卻因為技術及能源價格的限制因素，導致熱泵的發(fā)展史非常的緩慢，但是熱泵技術本身的環(huán)保及高效優(yōu)勢，使它有很好的發(fā)展前景?，F在能源價格不斷提高，科技水平也是飛速發(fā)展，熱泵的研究也日益被關注。熱泵技術發(fā)展至今，主要的方向就是高溫高效，也就是說開發(fā)高溫熱泵并且同時最大程度的提高COP（性能系數 Coefficient of Performance）值，在此基礎上積極的發(fā)展吸收和化學熱泵等等。

熱泵熱水機組的能源利用的是空氣+電這樣的清潔無污染并且可以再生的原料，使用的氣體是絕對環(huán)保并且機組產生的氣體也是完全無公害的，絲毫不會造成大氣污染，并且也有效的減少了溫室效應?，F在廣泛的利用熱泵熱水機組來制取熱水，既大大的減少了電力能源的投入，又使供熱效益得到了巨大的提升，在電力資源短缺的情況下，為電力能源的發(fā)展提供了有效的幫助。在熱泵熱水機組的廣泛利用下，直接省卻了專用鍋爐房，把機組放在建筑物的頂層或者室外的平臺上，就可以直接工作，這樣的設備結構有效的實現了水、電分離，在使用中直接減少了安全隱患，使用戶在使用過程中更加的安全。

2 熱泵的工作原理是什么

自然界中，水往低處流是一種自然現象，所以，如果沒有人為的干擾，水就會一直順應自然從高處流向低處，同樣，自然條件下的熱量傳遞也是由高溫傳遞向低溫的。但是由于人為的干擾加上技術的利用，人們用水泵實現了水往高處流，將低處的水提升到高處，由此原理，熱泵也同樣利用技術將熱量傳遞的順序變?yōu)閺牡蜏責崃總鬟f到高溫熱量，所以，熱泵就是基于逆卡諾循環(huán)原理實現的一種熱量提升裝置。熱泵的作用就是從裝置周圍的環(huán)境中吸取地熱、空氣、太陽能等能量的熱量，并把這些熱量傳遞給溫度較高的媒質，以高溫媒質為加熱對象。

熱泵熱水裝置主要的四大部件是蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥。使環(huán)境中的熱量不斷的轉移到水中，主要是通過讓工質不停的進行蒸發(fā)→壓縮→冷凝→節(jié)流→再蒸發(fā)這樣的熱力循環(huán)過程實現的。

熱泵熱水機組是一種節(jié)能環(huán)保并且工作高效的熱泵產品，在熱泵系統(tǒng)的工作循環(huán)中，運用熱泵技術的原理，把免費的空氣熱能能源輸送至水里，以實現將冷水加熱成熱水的目的。熱泵熱水機組不僅節(jié)能環(huán)保，且效率極高，它的熱效率最高可以達到590%，年平均熱效率也能達到360%。

3 超低溫空氣源熱泵有什么特點

空氣源熱泵主要是通過利用熱泵設備里的吸熱介質即冷媒，從自然環(huán)境或者空氣中直接采集熱能，在運用壓縮機進行壓縮之后來使冷媒的溫度得以提高，同時，通過熱交換器冷媒放出熱量來使冷水溫度提高，加熱后釋放出冷氣，以此技術制取的熱水可以通過水循環(huán)系統(tǒng)直接服務于人們，可以直接作為熱水供應，也可以輸送至用戶進行采暖。

超低溫空氣源熱泵，主要是它的運行環(huán)境溫度更低，但是效率和穩(wěn)定性卻更高，這與普通的空氣源熱泵類型就有很大的區(qū)別。由于我國北方冬天溫度更低，所以超低溫空氣源熱泵在北方的市場是非常廣闊的，并且如今已經發(fā)展為大部分地區(qū)煤改電的指定用品了，在實際使用中更是得到了廣泛的應用。近年來世界上許多專家學者都做了大量的調查研究工作，以提高空氣源熱泵在低溫環(huán)境中的適用性，主要研究針對在環(huán)境溫度低至-20℃甚至低至-25℃的情況下還可以正常工作實現制熱。

機組運行還是以逆卡諾循環(huán)原理為基本的原理依據：液態(tài)的工質先在蒸發(fā)器里通過吸收空氣中的熱量之后汽化，汽化潛熱就是我們所要回收的熱量，在經過壓縮機壓縮之后，形成高溫高壓氣體，隨即進入冷凝器內液化，通過液體把吸收到的熱量輸送給需要加熱的冷水中，液態(tài)的工質經過膨脹閥降壓膨脹之后又重新回到膨脹閥內，吸收熱量蒸發(fā)從而實現一個完整的循環(huán)過程，如此循環(huán)往復，通過不停的吸收低溫能源的熱量來傳送給需要加熱的冷水中，加熱冷水達到理想的溫度。超低溫熱泵與普通熱泵相比，超低溫熱泵多了一條聯(lián)通壓縮機的噴射增焓支路，普通熱泵在-10℃以及更低溫的環(huán)境下，會由于蒸發(fā)溫度低導致蒸發(fā)量下降，從而使壓縮機回氣量比較少，冷凝放熱的效果會大大降低，但是使用超低溫熱泵后，由于增加過聯(lián)通壓縮機的噴射增焓支路，它能在壓縮機回氣不足的情況下直接給壓縮機進行補氣，使冷凝器的放熱量得以提升，所以超低溫熱泵在-25℃的環(huán)境下也能正常工作實現制熱。在超低溫熱泵廣泛的應用中也可以看出，當環(huán)境溫度低至-20℃時它的綜合COP還高達2．0左右，溫度低至-25℃的時候也能正常運作，由此看來，機組最低運行環(huán)境溫度-25℃的時候是可以正常運作制熱的。

4 空氣源熱泵在低溫環(huán)境下能效如何

空氣源熱泵主要是通過吸收環(huán)境空氣中的熱量并經過壓縮機做功產熱的節(jié)能設備，它的效率跟周圍環(huán)境的溫度高低有著直接的關系，如圖1所示。

圖1

通過空氣源熱泵的廣泛應用及使用效果來看，它在低至-25℃乃至-50℃的環(huán)境條件下都是可以正常運行制熱的。熱泵的類型有很多，現在比較常見的有超低溫空氣熱源泵、高溫熱泵、常規(guī)熱泵以及泳池熱泵等等。我們在日常使用中，只要根據不同地區(qū)不同環(huán)境的不同溫度來選擇合適類型的熱泵，都能保證在該溫度范圍內熱泵都可以正常運行，實現制熱的目的。

空氣源熱泵能效指的是熱泵系統(tǒng)可以達到的制熱量和輸出功率的比值，當工況不變的情況下，比值跟熱泵系統(tǒng)的效率是成正比的，也就是比值越大，效率越高，也就越節(jié)約能源。所以在比較制熱系統(tǒng)COP值之前，一定要確保各熱泵系統(tǒng)的工況是沒有差異的，這樣得出的比值才更準確。衡量機組的節(jié)能程度以及用戶需求的滿足度的決定性標準就是能效的高低。專家們也針對此做了一系列的實驗，并得到以下數據如表1。

從上面圖表中的數據能直觀的看出，能效的高低不僅和環(huán)境溫度有關，還和機組的進出水溫度有關。當環(huán)境溫度比較高的時候，能效和制熱效果也是比較好的，而隨著環(huán)境溫度的下降，能效和制熱效果也是越來越差的；同時，當進水溫度比較高的時候，能效也是比較高的，隨著進水溫度的下降，能效也同時呈現下降趨勢。由此，我們可以利用這樣的特性，在實際應用中根據實際情況合理的進行調整，使它的能效得到最大程度的實現。

5 結語

從本文可以看出，低溫空氣源熱泵供熱方式與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐集中供熱以及直接電暖供熱方式相比擁有巨大的優(yōu)勢，不僅能源消耗低，二氧化碳的排放量也非常小，如此節(jié)能環(huán)保的技術應加大利用，并進行多方面的研究和創(chuàng)新。

表1 空氣源熱泵低溫環(huán)境的能效測試表

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