前言:在上周的综合能源关键技术系列文章中,为大家介绍了高效的供热设备冷凝锅炉,今天的主角是清洁供暖/冷领域受到国内外广泛认可和推广的热泵技术,不仅安全环保,热源选择灵活,而且高效节能,应用场景覆盖工商业和居民住宅,对能源转型的推进也大有助力。虽然热泵技术的发展有一些制约因素,但综合来看市场仍旧处于不断扩张的阶段。本文将从各个角度为大家展开介绍节能减排的关键技术——热泵技术

一、技术原理简介

热泵技术的原理是利用热循环过程,将低温热源,例如室外的空气,循环水或地面的热能,传递到高温物体中,用来加热水或采暖。为了将低温热源中的能量传递到高温热源,热泵需要来自外部的驱动能,可以是电能也可以是热能,流量温度越高,驱动能需求越大。而热泵制冷管道中的特殊阀门可使循环反向进行,因而同一设备不仅可以加热也可以制冷。

热泵技术与应用(热泵的原理及应用现状)

图1:热泵的制冷和制热循环

按照工作原理分类

常见的热泵可分为压缩式热泵和吸收式热泵两大类。这两大类热泵,根据升温(压)设备的不同,又各自分为多个子类。

对于压缩式热泵,以制冷剂作为媒介,制冷剂在特定压强下汽化温度低,在低温时即可汽化,故此,它与外界温度存在着温差,冷媒吸收了外界的温度后汽化,通过压缩机压缩制热,变成高温高压气体,再经热交换器与水交换热量后,经膨胀阀释放压力,回到低温低压的液化状态,通过制冷剂的不断循环并与水交换热量,将水罐中的水加热。

热泵技术与应用(热泵的原理及应用现状)

图2:压缩式热泵工作原理

吸收式热泵,是一种以热能为动力,利用溶液的吸收特性来实现将热量从低温热源向高温热源的泵送的热泵设备。吸收式热泵中,不需要压缩机,取而代之是吸收器和发生器两个热交换设备。这两个设备所起的作用,相当于蒸气压缩式热泵系统中的压缩机的作用,因此,常把热泵中吸收器和发生器及其附属设备所组成的系统,称为“热压缩机”。

热泵技术与应用(热泵的原理及应用现状)

图3:吸收式热泵工作原理

按照热源分类

热泵可分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵等。

空气源热泵:空气源热泵在运行中,蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质,工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升,高温蒸气通过黏结在贮水箱外表面的特制环形管时,冷凝器冷凝成液体,将热量传递给空气源热泵贮水箱中的水。

热泵技术与应用(热泵的原理及应用现状)

图4:空气源热泵工作原理

水源热泵:地球表面浅层水源(一般在1000 米以内),如地下水、地表的河流、湖泊和海洋,吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量,并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵技术的工作原理就是:通过输入少量高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源。

热泵技术与应用(热泵的原理及应用现状)

图5:水源热泵工作原理

地源热泵:地源热泵是一种利用浅层地热资源(也称地能,包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源,

热泵技术与应用(热泵的原理及应用现状)

图6:地源热泵工作原理

二、热泵发展历史

热泵世界发展史

1824年,法国物理学家萨迪卡诺发表论文提出“卡诺循环”理论(压缩式热泵)。185年,英国科学家开尔文(L.Kelvin)提出,冷冻装置可以用于加热,将逆卡诺循环用于加热的热泵设想,首个正式热泵系统的概念出现。

20世纪20年代热泵进入初期发展阶段。1912年瑞士的苏黎世成功安装了一套水源热泵系统,预示着世界上第一套热泵系统面世。1924年空气源热泵技术发明面世。1927年英国苏格兰安装了第一台空气源热泵并试验其运行情况。该台热泵以空气为热源作热水供应和采暖使用。

20世纪40-50年代热泵进入了迅速发展期,各种家用及商用热泵得以研发并进入市场。这期间出现了多款具有代表性的热泵装置,欧洲1937~1941年应用至学校、医院、办公室和牛奶场等各种热泵装置。

上世纪70年代各个国家纷纷加大对热泵的研发力度,制定了多样发展计划,开拓热泵更广泛的使用用途及技术,至此热泵进入发展黄金时期。日本、瑞典和法国等国家注重生产以室外空气为热源的小型家用热泵,英国和德国更注重把大型热泵装置用于大型商业和公共建筑物的热回收系统中。

1971-1976年美国热泵产量从8.2万套增至30万套,1977年日本热泵年产量超50万套,澳大利亚、英国、法国、北欧、新加坡等国家产量成倍增长。

热泵中国发展史

热泵发展历史虽长,但中国热泵的发展却相当滞后,直到20世纪80年代热泵才得到发展和研究。90年代国家积极引进国外热泵技术和先进生产线,开始大力开发适合国情的热泵装置和热泵系统,我国热泵行业在理论研究、实验研究、产品开发、工程应用等方面取得丰硕成果,并逐步形成了完整的热泵工业体系。

进入21世纪以后,我国热泵技术不断创新。热泵理论研究的深度与广度不断加大,对空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵和水环热泵空调系统等进行了系统研究。近年来因国家煤改电、节能减排等政策推动,人们对环保节能产品的追求,空气能热泵技术的成熟,热泵自然冷媒、变频技术等创新突破,应用广泛的热泵在中国开辟出自己的一席之地,迎来发展春天。

三、技术优势

在新型供热技术中,热泵是非常杰出的代表。相比其他供能设备,热泵最显著的优势就是其节能环保,热泵热效率全年可以达到300%以上,而锅炉的热效率不会超过100%。

热泵技术与应用(热泵的原理及应用现状)

图7:热泵效率图

因此,热泵不仅可以大大减少转化过程中的能耗损失,而且可以变少为多。此外,因为热泵的种类繁多,根据需求和应用场景的不同,可选择最适合的热泵产品,如:

· 吸收式热泵实现工业余热的回收利用或在冷热电三联供系统中作为冷热供应设备。

· 压缩式电热泵可通过光伏+热泵(制冷)模式,实现点转热(冷),消纳新能源。

此外热泵还有以下优点:

1、适用范围广:热泵适用温度范围根据产品的不同,适用范围十分广,有低温热泵与高温热泵之分。

2、安装方便:热泵占地空间很小,通常可直接接保温水箱或与供暖管网连接,适合于大中城市的高层建筑以及大型中央供热。采用多台机组并联的安装模式,当用户量增大时,可随时增添设备。

3、运行费用低:与燃油,燃气锅炉比,全年平均可节70%的能源,加上电价的走低和燃料价格的上涨,运行费用低的优点日益突出。

4、运行安全,无需值守:与燃料锅炉相比,运行安全,而且容易实现智慧运维,无需人员值守,可节省人员成本。

四、政策现状

2019年我国相继出台了很多相关的政策来促进热泵产业的发展:

1、李干杰——《国务院关于研究处理大气污染防治法执法检查报告和审议意见情况以及有关决议落实情况的报告》

国家财政部安排139.2亿元用于支持京津冀及周边地区、汾渭平原35个城市的农村地区散煤治理和清洁取暖。

2、国家能源局布——《关于做好2018-2019年采暖季清洁供暖工作的通知》

鼓励各类发电企业通过电力直接交易参与电供暖,研究探索新能源发电企业通过建设专用输配电设施清洁供暖。逐步扩大蓄热式、热泵型电供暖比重。电网企业要加快配电网和农网建设改造,并加强输变电设备的运行监测和安全保护。做好应急预案,对可能出现的各类故障提前制定应对措施。

3、国家发展改革委等七部门——《绿色产业指导目录(2019年版)》

空气源热泵应用成功编入《目录》第1项节能环保产业——高效节能商用设备制造,第1.5项节能改造——锅炉(窑炉)节能改造,第3.2项清洁能源设施建设和运营——热泵设施建设和运营

4、李克强——与热泵行业相关的政府工作报告

(1)完成新一轮农村电网升级改造。在北方地区大规模开展的“煤改清洁能源”项目,扩大农村电网升级改造。

(2)持续推进污染防治,巩固扩大蓝天保卫战成果。

(3)持续开展京津冀及周边、长三角、汾渭平原大气污染治理攻坚。

 

五、政策现状国内外优秀案例

国内优秀案例

应用场景:保定农村地区“太阳能+空气源热泵”采暖系统示范

项目概况:该项目试点位于河北省保定市阜平县某农村居民住宅。阜平县气候为大陆性季风气候,暖温带半湿润地区,冬季寒冷、干燥、少雪,年均气温为12.6℃。建筑面积100㎡,末端设施为地板辐射采暖。

本系统将太阳能技术和空气能技术有机结合在一起,利用空气源热泵与之联合运行,辅助供暖,当太阳能系统的热量不能满足建筑热负荷需求时,使用空气源热泵来满足。由太阳能供暖系统和空气源热泵供暖系统组成的复合式供暖系统,形成一个冬季取暖四季热水供应系统,从而提高系统的COP值。

太阳能集热系统主要包括太阳能集热器系统,太阳能储热水箱,循环管道、自动控制系统等。整套系统通过自控柜自动控制,自动控制功能包括太阳能供热系统的运行控制、防冻和防过热保护、太阳能集热系统和辅助加热系统的切换、保持供热水箱出口温度恒定等控制。太阳能集热系统和辅助加热系统的工作切换采用定温控制,当蓄热水箱温度低于“设计供水温度”时开启辅助加热设备,当蓄热水箱温度高于“设计供水温度”时停止辅助加热设备。系统如下图所示:

热泵技术与应用(热泵的原理及应用现状)

图8:太阳能+空气源热泵”采暖系统原理示意图

技术参数:依据农村住宅房屋建筑实际情况,系统设计为:每户配备真空管太阳能集热器模块6组,每组集热器由50支φ58-1800太阳能真空管组成;下置式保温水箱1000L1个;辅助能源加热设备选用5P空气源热泵机组一台,其额定制热量为14kW;太阳能供暖专用控制柜1个,具有自动控制水位、水温、太阳能集热器智能加热循环及辅助采暖系统智能加热循环及远程监控等功能,含水温水位传感器、连接信号线、电源线等。该采暖系统于2018年1月31日完工投入运行,至3月15日采暖期间,室内供暖温度达到18℃~23℃。

国外优秀案例

应用场景:柏林某住宅区地源热泵系统

项目概况:该居民区的能源系统建于1930年和1960年,配有浅层地热储系统,该地热储能系统同时也作为地热源。这些储能单元直接位于每座建筑物旁土壤表面下,每座建筑物大约容纳400立方米的土壤,储热能力在750至1450立方米之间。

屋顶上太阳能收集器表面的剩余热量存储在该浅层地热储能系统,并且与地下土壤层热量一起作为地源热泵热源。此外,该热泵设备与太阳能集热设备和热水箱结合,使得该系统年性能系数达到了6.0。

此外,该系统还结合了光伏系统,余电用作热泵驱动电源,结合系统的核心动态能源管理器(DEM),实现了该热泵系统的智慧启停。

技术参数:

热泵技术与应用(热泵的原理及应用现状)

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