泵与风机的论文 热泵应用的战略意义

泵与风机论文热泵应用的战略意义摘要据统计，我国建筑用能已超过占全国能源消耗总量的1/4，并将随着人民生活水平的提高而进一步增长。我国建筑物的能耗中有60%左右消耗于采暖、空调与生活用水系统，占有建筑能耗的主要部分，这部分能耗具有三个特点关键词:热泵 战略 意义一、可再生能源技术建筑应用的战略意义1、低品位能源。热能根据其温度的高低可分为低品位能源和高品位能源，越接近环境温度的热能品位越低，而高出环境温度幅度越高则热能品位越高。建筑采暖所需的温度通常低于100，空调所需的温度通常高于5，均为低品位能源。2、狭窄的温度范围。建筑空调冷冻水的温度一般为512，供热热水温度在4560左右，地板供暖温度在40以下。由此可见，建筑能源的温度范围相当狭窄。3、与自然能源温度接近。地球环境内的各种介质均含有低品位的热（冷）能，这些介质包括土壤、地下水、河流湖泊及海水、污水和空气。以北京为例:土壤和地下水温度全年约14左右；污水厂冬季排出的处理后污水温度仍在16左右；空气温度一般为-1540。显然这个温度范围与空调供暖所需的温度相当接近。我国著名能源科学家吴仲华教授早在上世纪80年代初期就已提出温度对口，梯级利用的科学用能基本原则。根据建筑能耗的特点，建筑能源使用应遵循温度对口，梯级利用，因地制宜，多能互补的原则。对于建筑用能，所谓温度对口就是指建筑空调供暖用能所需的温度，是与自然能源即低品位的可再生能源的温度相当接近、彼此对口的。对于高品位的能源，如天然气、石油、煤炭等化石燃料燃烧后所产生的高温，则远远高出建筑空调供暖用能所需求的温度，直接应用是不对口的，直接应用就会造成能源品位退化，不仅能效低，而且燃烧会产生环境的污染。在这种情况下，应当先用温度高的能源来发电，然后再用剩下的低温中温能源来满足低品位能源的需求，这就是所谓梯级利用。所谓因地制宜就是每个地方的能源资源条件不一样，应该根据当地的能源资源情况来选择合适的供能形式。所谓多能互补是指单靠一种能源满足所有供能要求有时是不可能的或不经济的。应该根据实际，选择多种供能形式，互为补充。根据这一原则，可再生的自然能源应是建筑用能的最佳选择。一般来说自然能源可以包括以下六个来源：土壤、地下水、地表水（湖泊、河流等）、海水、污水及空气，它们所含有的热能来自太阳辐射和地热能，同时地球表面包括土壤和水体的储能作用也在自然能源的应用中起到了至关重要的作用。由此可见，大力推进可再生能源在建筑中应用，是解决建筑用能最科学、最经济、最合理的选择。但需要特别指出的是，自然能源虽与建筑能源的温度比较接近，这种能源品位很低，用来发电几乎是不可能的，通常也不被计入可再生能源利用的统计数据。但是，这种低品位可再生能源完全适用于建筑供暖空调用能的目的。为了实现这一技术目标，必须借助热泵技术的运用。热泵是一种高效节能的热工设备，这种装置从自然能源中吸取热（冷）能，提升或降低温度以适应建筑物采暖和空调的需求。根据获取的自然能源的能量来源不同，大致可分为土壤源热泵、水源热泵（地下水、地表水）、海水源热泵、污水源热泵、空气源热泵几大类。使用热泵系统可同时满足建筑物冬季供暖、夏季制冷和全年的生活热水的要求，不仅可以通过低品位可再生能源的应用达到节能的目的，还具有一机多用，使用寿命长、运行稳定和易于操作等优点。使用热泵供暖同直接电采暖相比，可以节约70%左右的电能。这是完全符合热力学第一、二定律的。可以说，热泵技术是实现大规模利用自然能源向建筑物供能的必需技术途径。十一五期间，我国要实现节能2.4亿吨标准煤的节能目标，其中建筑节能工程实现节能1.1亿吨标准煤，这是一个艰巨的任务，而可再生能源在建筑中规模化应用将提供可观的贡献度。在建设部出台的建设部关于贯彻国务院关于加强节能工作的决定的实施意见中明确指出：太阳能、浅层地能等可再生能源应用面积占新建建筑面积比例达25%以上。在建设部、财政部关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见中也指出，预计到十一五期末，太阳能、浅层地能应用面积占新建建筑面积比例为25%以上，到2020年，太阳能、浅层地能应用面积占新建建筑面积比例为50%以上。而有国内专家指出，通过热泵技术如能解决1/4城镇建筑的供暖，将大大缓解目前供暖与能源消耗、供暖与环境保护间的矛盾,电力负荷冬季与夏季的矛盾，实现高效的电驱动供暖。因此，大规模使用低品位可再生能源为建筑提供供暖空调用能，是具有十分重要战略意义的举措。二、提高性能，效率为本目前业内科技人员普遍关注如何提高热泵机组本身的能效比，却往往对全系统能效比的提高重视不够。供暖工况下，热泵机组能效比不仅与机组采用的热力学原理有关系，同时与热泵运行工况（冷热源温度）有很大关系。当冷热源温差很小时，热泵机组自身的能效比可以达到很高的水平。但是全系统能效比就要低很多，对此我们应该给予充分重视，把整个系统中所有的能量转换和传递过程都考虑进来，以提高全系统能效比做为我们的研究方向。提高全系统能效比的技术措施主要有以下两项：1、强化传热，降低热阻。热泵系统实际上是由若干组换热器组成，大致分为三大部分：一是从自然能源中提取热能的换热器，如土壤源热泵的地埋管换热器、海水源热泵的换热器、气源热泵的室外换热器等；二是热泵机组的蒸发器和冷凝器；三是风机盘管、地板采暖盘管等向室内分配能量的换热器。其中，从自然能源中提取热能的换热器虽然换热器形式不同，大多数存在着传热温差小、工质流量大的特点，需要根据各自的使用特点采用强化传热技术来提高换热效果。如土壤源热泵的地埋管换热器中，换热器的热阻由四部分组成：Rs为R=Rf+Rpe+Rbe+Rs。Rf为内壁的对流换热热阻,Rpe为塑料管壁的导热热阻，Rbe为回填料的导热热阻，Rs土壤的导热热阻。地下换热器主要热阻分布在管壁、回填料、土壤中，对于选定的施工地点土壤类型无法改变，我们应该主要从管壁及回填料着手，改善地下换热器的换热性能。对于管壁，不仅仅是选用导热系数高的管材，也应该在承压能力许可的情况下，尽量选用壁厚较小的管子，并且从传热角度看，尽量采用双U型管。对于回填料，尽量选用导热系数较高，粘度和膨胀系数大的材料，以减少导热热阻和接触热阻。在地表水、海水、污水及地下水热泵系统中，换热器可以根据需求采用板式换热器、管壳式换热器、套管式换热器等。如何针对不同系统找到强化传热的方式是当前首要任务。对于热泵机组本身，采用更高效的换热器作为蒸发器和冷凝器也有非常重要的意义，突破传统使用先进的强化传热技术，不但可以提高热泵性能，还可以在金属价格不断上涨的情况下有效控制成本。热泵技术的使用还有一个非常突出的问题，那就是结垢。这些污垢形成了附加的热阻，使传热系数减小，换热器性能下降，从而增加了能量的损耗。根据德国斯图家特大学热工研究所的统计，全世界每年由于结垢造成的损失高达450亿美元。不仅有矿物质形成的垢，对于海水和污水水源热泵生物垢也是一个严重的问题。因此，开发先进的抗垢技术是提高热泵性能的重要技术途径。2、降低泵功率，提高流体输送效率。研究人员发现，我国使用的热泵系统泵和风机消耗电能往往超过系统总能耗的50%,因此，降低泵和风机能耗是提高系统效率的重要途径。泵和风机能耗所占比重过大，往往是因为设计人员在对泵与风机进行选型时，保险系数取得过高，以致泵和风机在运行时工作点偏离最高效率点，使消耗功率大幅增加。此外，由于大型空调系统分区复杂的特点，需要设置众多的水力调节阀和风阀，庞杂的调节机构造成过多的局部损失，导致泵与风机耗功量上升。对于现有建筑，泵与风机按照全负荷状况配置，但实际上空调系统多数情况下是在部分负荷状况下运行，现有设计在部分负荷下往往无法合理降低泵与风机功率，这时泵和风机所引起的系统整体效率降低问题更加突出;系统运行过程中供回水温差往往较小，水泵流量很大，流量大又引起水力损失增加，更加剧了水泵功耗。为降低泵与风机功耗在系统中所占比重，对泵与风机采用变流量控制是提高热泵系统效率的重要手段.目前我们面临着两项尚未解决的重大技术难题:一是设计出先进的热泵系统，通过系统优化、泵和流量调节装置的合理配置、变频技术的应用以及热工自控技术的集成，既能达到在全负荷运行时所要求的各项技术指标，也能适应部分负荷下的节能要求；二是目前对于各种不同类型的热泵技术，我们不但缺乏全系统能效的实测数据，也没有深入地进行各种类型间的比较性研究，这方面的工作急待深入开展，其研究成果将为因地制宜的合理的热泵选型及系统优化提供必要的技术支持和工程经验。三、自主创新，注重环保我国城镇化程度正在不断提高，热泵技术也正以前所未有的发展势态在中国本土大规模推广应用。这种发展形式不仅带来了一系列尚未解决的技术问题，同时也在环保和生态方面提出了新的挑战。面对着这些问题和挑战，我们往往不能从国外获得已有的答案，这就需要我们自主创新、开拓进取，创造性地解决我国在低品位能源规模化应用的工程实践中所提出的科学技术和环境生态问题。1、关注热泵技术大规模应用可能产生的环境生态问题。在水源热泵系统的推广应用中，如何合理地抽取和回灌地下水是关系到保护水资源的重大课题。在水资源贫乏的北京地区，大规模应用水源热泵技术，如果不能做到地下水的合理回灌，就会对地下水资源造成严重的破坏。因此，研究开发先进的回灌技术迫在眉睫。土壤源热泵通过地埋管换热器获取热能和冷能，不需要抽取地下水，因而在环保方面更具有独特的优势，这种技术在我国的应用正在迅猛发展。但是，在人口密集的城市，长时期的集中采用这种技术所造成地温变化以及相关的生态问题是值得我们关注和研究的。目前，地表水、江湖河泊等水源做为热源得到了使用和发展。在重庆地区，长江、嘉陵江的水温冬季仍在10以上，因此以长江、嘉陵江水做为热源，通过热泵技术的使用为城市提供冷热源，其发展前景十分广阔。在重庆，部分理想的巨大资源受到了政府和民众的高度重视。重庆正大力发展以长江、嘉陵江为热源的热泵供暖空调技术，能满足数千万建筑平米的建筑能耗需求。在其他很多南方城市使用湖泊做为热源也得到日益重视，但其对生态的影响应给予适当的必要关注。大规模使用热泵还必须要注意热泵工质可能产生的对臭氧层的破坏作用和温室效应问题。由于传统制冷及热泵工质CFC及HCFC类物质对臭氧层具有破坏作用，是蒙特利尔议定书中要求削减直至禁止使用的物质,寻找替代工质势在必行。目前,R134a作为R12的替代制冷剂已经得到了广泛应用,主要用于汽车空调、冰箱和一些冷水机组及空气源热泵系统中。美国、日本和欧洲的一些制冷空调设备制造厂商，采用R410A对原来的R22产品进行了优化设计，目前已经成为住宅和商用热泵系统中R22的主要替代物。自然工质氨、二氧化碳及碳氢化合物也日益受到重视。2、海水水源热泵规模化应用需要解决的技术问题。海水水源热泵虽在瑞典、挪威得到成功应用。由于我国主要经济发达地区地处东部沿海，因此把海水作为热源是合理的设想。我国已在大连、青岛等北方城市实施了建筑面积百万平米以上的巨大海水水源热泵工程，这不仅带动了建筑节能事业的发展，也推动了机械制造业等相关产业的发展。但是，我国北方冬季海水温度偏低，青岛冬季海水温度约为3.6左右，难以维持热泵在冬季的高效运行，需要采用其他的供热技术作为补充，因而提高了投资和使用成本。我们必须找到解决这一技术问题的合理方案，否则海水水源热泵的大规模应用可能会受到相当的制约。由于海水具有一定的腐蚀性，换热器的材质选择也至关重要。当前通常钛合金和铜合金是普遍使用的换热器材料，但其价格高昂，从而使热泵系统的成本大大增加。研究各种抗腐蚀技术，如何选用各种低成本的金属非金属材料是我们面临的重要课题。这些都可能是大规模推广海水水源热泵技术必要的前提技术条件。3、热泵复合能源系统的研究和应用。把不同形式的热泵相互结合或将热泵与其他可再生能源利用设备集成应用可以组成效率更高的复合能源系统。比如太阳能与地源热泵、土壤热泵与地表水或地下水热泵结合、气源热泵与水源热泵相结合都可以组成不同类型的高效复合能源系统。建筑物复合能源系统可取长补短,弥补单独采用某种热泵技术时的不足,使其热泵的性能得到更充分的发挥。我们在这方面的研究工作尚在起步阶段，还有很大的发展潜力和技术集成的创新空间。比如太阳能与地源热泵复合能源系统，冬季运行时，太阳能集热器可以作为地源热泵系统的辅助热源，减小地下换热器的负担，提高制热运行效率；在不需要供暖或热负荷较低时，太阳能集热器可用来制备生活热水；夏季运行时，使用单一地源热泵系统供冷，此时太阳能集热器可以用来制备生活热水；在过渡季节，热泵系统停止使用，太阳能集热器全部用来制备生活热水。但是建筑物复合能量系统集成了不同的可再生能源技术，设备和运行控制都比较复杂,需要在技术集成和系统优化方面开展大量工作。4、开发新型高效热泵技术。在现有热泵技术规模化应用的同时，我们还需关注新型热泵技术的应用和发展。比如近年在国外出现了直接膨胀式土壤源热泵系统并已大规模使用，在奥地利，60的热泵都采用这种技术。这种系统中没有中间换热工质（通常是水或加有防冻液的水溶液）和中间换热器，将热泵机组内的制冷剂铜管环路直接埋入地下，实现制冷剂和土壤的直接热交换。和间接