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        空氣源熱泵技術(shù)綜述

        2020-06-02 21:56:27李亞寧閆曉彤王洪利
        裝備維修技術(shù) 2020年23期

        李亞寧 閆曉彤 王洪利

        摘 要:空氣源熱泵,作為一種熱泵技術(shù),一種采暖所用的機(jī)械設(shè)備,相較于燃煤鍋爐、電鍋爐、蓄熱水箱等,具有更為廣泛,且更為廣闊的發(fā)展前景,被譽(yù)為“大自然能量的搬運(yùn)工”。因其具有低成本、操作便捷、采暖效果顯著、安全性高、干凈衛(wèi)生等多重優(yōu)勢(shì),因此,在我國(guó)大部分地區(qū),都有較為廣泛的應(yīng)用。它不僅僅能夠日常的燃煤、電力進(jìn)行供能,更能利用太陽(yáng)能等空氣中可利用的能量,在不同地區(qū),采用不同形式的空氣源熱泵,能夠最大程度利用當(dāng)?shù)啬芰?,以?shí)現(xiàn)最高的經(jīng)濟(jì)效益。因此,進(jìn)一步研究空氣源熱泵,不斷完善和發(fā)展,不僅僅能解決嚴(yán)寒地區(qū)供暖問(wèn)題,更能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保雙豐收的奇效。

        關(guān)鍵詞:空氣源熱泵;供暖;能源;除霜

        近十多年以來(lái),我們一致提倡“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)保理念,盡管如今我們也在不斷開(kāi)發(fā)新興能源,但仍然無(wú)法避免造成污染。所以,煤改電工程,煤改氣工程,愈發(fā)受到人們的關(guān)注。本文主要對(duì)空氣源熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的技術(shù)問(wèn)題,以及需要改進(jìn)的方向進(jìn)行分析,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效、環(huán)保的目的。

        1 空氣源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀分析

        1.1發(fā)展歷程

        目前我們采暖的主要措施就是燃煤取暖,通過(guò)加熱暖氣片內(nèi)的水體,利用水蒸氣進(jìn)行取暖,或是直接采用地暖供熱。無(wú)論是哪種方式,都會(huì)大量地消耗煤炭,帶來(lái)較為嚴(yán)重地空氣污染。也正因此,空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用而生。最開(kāi)始,在2001年,北京地區(qū)率先開(kāi)啟煤改電工程。在經(jīng)歷不斷嘗試之后,我們采用了如今的空氣源熱泵技術(shù)。繼而,在我國(guó)由北京牽頭,率先進(jìn)行探索和嘗試,不斷深化煤改電工程。2014年,大力推廣直熱式電暖器;2015年,采用蓄能式電暖器;2016年,大力推廣空氣源熱泵且明令禁止使用直熱式電暖器;2017年,綜合前期經(jīng)驗(yàn),對(duì)直熱式供熱設(shè)備完全禁止,逐步完善蓄能式電暖器,同時(shí)也對(duì)其使用進(jìn)行一定的限制,為空氣源熱泵的發(fā)展開(kāi)綠燈。

        1.2優(yōu)缺點(diǎn)

        1.2.1缺點(diǎn)

        (1)定頻熱泵機(jī)組由于制熱量不可調(diào)節(jié),當(dāng)機(jī)組的制熱量大、需求的供熱量小時(shí),會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)頻繁啟停,使得供水溫度變化引起地面溫度的波動(dòng),降 低了熱舒適性。常規(guī)的地暖系統(tǒng)管間距較大,與地面總接觸面小,傳熱的效率低,因此蓄熱層地表溫升會(huì)比較慢。[1]

        (2)盡管空氣源熱泵能夠?qū)崿F(xiàn)冷暖雙供應(yīng),但是安裝條件相較于常見(jiàn)的地暖、太陽(yáng)能、電熱器等較為復(fù)雜苛刻。因?yàn)榭諝庠礋岜酶鼮楣?jié)能的特點(diǎn),熱泵資源需要吸收土壤中的太陽(yáng)能,需要采取較為復(fù)雜的安裝方式。它通常會(huì)采用打井,輸管等特殊方式,而這樣的安裝條件,更適合庭院、獨(dú)立別墅等一些人均財(cái)富較高的高檔地區(qū)。因此,它的普及性暫時(shí)還遠(yuǎn)低于燃煤暖氣等常見(jiàn)北方取暖方式。

        (3)自身仍然存在較大的技術(shù)問(wèn)題尚未得到完美解決——結(jié)霜問(wèn)題。盡管?chē)?guó)內(nèi)已對(duì)該技術(shù)進(jìn)行諸多研究,如高森的全無(wú)霜熱泵系統(tǒng)及吸附式除濕法、周?chē)?guó)峰的石墨烯電熱涂層抑霜除霜法、以及各類(lèi)熱力除霜系統(tǒng)、超聲波除霜系統(tǒng)、電場(chǎng)除霜系統(tǒng)等,無(wú)論是哪種方法,都會(huì)或多或少存在一定的局限性。當(dāng)熱泵技術(shù)運(yùn)用在我國(guó)東北地區(qū)、西藏地區(qū)等一些嚴(yán)冬地區(qū)時(shí),除霜這個(gè)問(wèn)題更會(huì)被進(jìn)一步放大。結(jié)霜,不僅僅會(huì)產(chǎn)生噪音,影響室內(nèi)溫度,還會(huì)使得機(jī)器運(yùn)行效率降低,能量傳輸消耗增加,甚至在一定程度上會(huì)減少機(jī)器的使用壽命。

        1.2.2優(yōu)點(diǎn)

        (1)環(huán)保性更高,且更為安全。相較于北方傳統(tǒng)的燃煤式取暖,空氣源熱泵技術(shù)拒絕使用煤炭、秸稈等燃料,也就從根本上拒絕了CO、SO2、SO3等有毒性氣體的產(chǎn)生,從而起到環(huán)保的效果。同時(shí),太陽(yáng)能、電能等都可以作為空氣源熱泵的能量來(lái)源,也使得我們對(duì)能量的要求更低,采用混合式能源供應(yīng)、間歇性能源供應(yīng)也使得我們有更多的選擇性,更加利于不同地區(qū)的推廣。

        (2)節(jié)能效果更為顯著。盡管目前研究出來(lái)的熱泵技術(shù)較為成熟,能源供應(yīng)系統(tǒng)也是五花八門(mén),但是目前占據(jù)主導(dǎo)地位的仍然是運(yùn)用最為廣泛的電能??諝庠礋岜迷谥茻釙r(shí),采用的主要能源還是空氣源中的低溫?zé)嵩矗娔苤皇亲鳛檩o助能源,用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。也正因此,空氣源熱泵在消耗電能上,與中央空調(diào)、電熱爐相比,耗電量可謂是相當(dāng)?shù)?,也是普通電鍋爐的四分之一。

        (3)末端形式更廣??照{(diào)、地暖、地暖機(jī)、熱水器等,都可以作為它的末端。也正因此,它的選擇形式更為多樣化,生活化會(huì)更加完善,一機(jī)多用效果也會(huì)更加明顯。對(duì)于大型社區(qū)來(lái)說(shuō),一臺(tái)機(jī)器,多種功能,節(jié)能、節(jié)資、節(jié)源效果也更好。同時(shí),它的智能化極高,內(nèi)置微電腦的特點(diǎn),讓它可以輕松實(shí)現(xiàn)智能化控制,傻瓜式操作,在社區(qū)的應(yīng)用也會(huì)更好地滿(mǎn)足老人和兒童的需求。

        2 目前研究重點(diǎn)

        2.1除霜

        在溫度較低、濕度較大的情況下,空氣源熱泵在運(yùn)行時(shí),在室外換熱器的表面容易產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。霜層對(duì)于空氣源熱泵而言,就如同水垢對(duì)于鍋爐,隨著霜層的不斷加厚,熱泵內(nèi)外的能量交換、空氣流通會(huì)越來(lái)越低,機(jī)器的工作性能也會(huì)越來(lái)越低。在某種程度上可以說(shuō),如何高效除霜將決定空氣源熱泵技術(shù)能否再上一個(gè)臺(tái)階。

        對(duì)于除霜問(wèn)題,最為常見(jiàn)的就是熱力除霜系統(tǒng),它主要包括逆循環(huán)除霜系統(tǒng)、熱氣旁除霜系統(tǒng)以及蓄能除霜系統(tǒng)。[2]前兩者是我們目前使用最多的方式,就目前來(lái)看,這兩者也是除霜效果最好的,但同時(shí)也是所需時(shí)間最長(zhǎng)的。在這兩者的基礎(chǔ)上,又出現(xiàn)了第三種嘗試——蓄能除霜系統(tǒng)。因?yàn)樗窃谀嫜h(huán)的基礎(chǔ)之上改造而來(lái)的,所以它也更為成熟一些。它不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)時(shí),也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的效果,使用性能上,效果也更加明顯。

        要實(shí)現(xiàn)除霜,一個(gè)方向是做到善后,也就是抑霜。霜層的形成是因?yàn)榭諝庠礋岜孟到y(tǒng)在低溫高濕的環(huán)境下形成的,所以只要適當(dāng)空氣濕度問(wèn)題,那也就是可以做到抑制霜的效果。在這個(gè)方向上,主要有液體吸附式除濕裝置和固體吸附式除濕裝置兩種。液體的有點(diǎn)就在于可以連續(xù)性地處理大量濕空氣,但也因?yàn)槭且后w的緣故,容易使得除濕液隨空氣而揮發(fā)散失,同時(shí)也具有一定腐蝕性;固體就較好地解決了前者的問(wèn)題,同時(shí)還兼具節(jié)能、操作簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

        2.2供能系統(tǒng)改進(jìn)

        在北方的大部分地區(qū),由于冬季夜晚經(jīng)常出現(xiàn)零下的低溫,這也就為結(jié)霜問(wèn)題提供了一個(gè)良好的“溫床”,然而白天又處于相對(duì)較為溫暖的環(huán)境。這樣一來(lái),就容易造成白天攝能過(guò)量,夜晚間歇性工作,所以單一的空氣源熱泵系統(tǒng)并不能滿(mǎn)足一些嚴(yán)寒地區(qū)。

        為解決上述問(wèn)題,目前已經(jīng)研發(fā)出空氣源熱泵+蓄熱水箱、空氣源熱泵+電鍋爐+蓄熱水箱、空氣源熱泵+水源熱泵等多種混合式供能系統(tǒng)。[3]

        3? 結(jié)語(yǔ)

        傳統(tǒng)的燃煤取暖、供能方式已經(jīng)在被逐漸淘汰,以空氣源熱泵為核心的新式采暖方式正在崛起。為建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì),我們不得不向著更為節(jié)能、更為先進(jìn)、更為完善的熱泵技術(shù)進(jìn)發(fā),我們也必要對(duì)空氣源熱泵進(jìn)行技術(shù)革新。它的應(yīng)用,不僅僅能實(shí)現(xiàn)“無(wú)污染、零排放”的目標(biāo),也能解決燃煤鍋爐供暖帶來(lái)的大氣污染,氣候變暖等環(huán)境問(wèn)題,何理推廣應(yīng)用,前景將十分廣闊。

        參考文獻(xiàn):

        [1]望怡,張小松,夏燚.變頻空氣源熱泵地暖系統(tǒng)蓄熱過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2021,40(02):21-23+20.

        [2]孫茹男,羅會(huì)龍,李志國(guó),劉兆宇,惠寵.空氣源熱泵供暖技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2021,47(01):99-102.

        [3]韓衛(wèi)珍,劉勇,任文晉.空氣源熱泵成為可靠供暖熱源技術(shù)的探討[J].山西建筑,2021,47(06):161-163.

        [4]高森,趙兆瑞,陳曦.全無(wú)霜空氣源熱泵系統(tǒng)及吸附式除濕方法[J].廣州化學(xué),2021,46(01):16-24+44.

        (華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北 唐山063210)

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