熱泵采暖
關注創建者：劉浩 創建時間：2016-09-27
熱泵采暖的實例教程
熱泵采暖系統分為冷媒系統和水系統兩部分。本文從熱泵采暖系統結構原理特點以及實際應用環境負荷變化對水系統的要求進行分析，提出了利用變頻技術調節水泵電機的轉速，來調節流量和壓力的變化取代用閥門控制流量，增加系統運行的穩定性和可靠性的解決方案，可以帶來明顯的節能效果和良好的經濟效益。
一、熱泵采暖系統工作原理及特點
熱泵采暖系統是由一連串的流體機械和熱交換器組合而成的。它主要由制冷系統、水循環系統、地暖管系統和風機盤管系統四部分組成。圖1為典型熱泵采暖系統工作原理示意圖。
圖1.熱泵采暖系統工作原理示意圖
熱泵采暖系統的特點如下：
1. 冷熱負荷要求的不均勻性。
在熱泵采暖系統設計時，為保證在大氣溫度最低的情況下能滿足使用要求，所以按最大負荷設計并有15%左右的富裕量，而平時使用時并不能達到滿負荷，所以存在較大裕度，其中熱泵主機可以根據負載變化使用變頻壓縮機或者并聯多臺主機來自動加載、卸載，而水泵的流量如不能隨熱泵主機進行調節，必然存在很大的能量浪費。
除此之外，每年的氣象條件是隨季節呈周期性變化的。據統計，國內中央空調水泵在滿負荷情況下運行的時間較少，大部分時間運行在總負荷的60%～80%之間(如圖2)。而從歐盟ERP指令中關于水泵EEI指數計算流量、時間百分比來看（如表1），歐洲采暖系統水泵運行負荷更多集中在50%以下，這可能和歐洲建筑保溫效果好有很大關系。
展開 熱泵作為一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱，經過電力做功，輸出能用的高品位熱能的設備，其技術已成為全世界備受關注的新能源技術。如今我國主要利用三種熱泵技術，分別是空氣源熱泵，水源熱泵，以及地源熱泵。此外，新出現的電磁熱泵采暖技術也大有與傳統熱泵技術一較高低之勢。
空氣源熱泵技術
空氣源(風冷)熱泵目前的產品主要是家用熱泵空調器、商用單元式熱泵空調機組和熱泵冷熱水機組。熱泵空調器已占到家用空調器銷量的40-50%，年產量為400余萬臺。熱泵冷熱水機組自90年代初開始，在夏熱冬冷地區得到了廣泛應用，據不完全統計，該地區部分城市中央空調冷熱源采用熱泵冷熱水機組的已占到20-30%，而且應用范圍繼續擴大并有向此移動的趨勢。
目前設計選用的風冷熱泵冷熱水機組，常根據計算得到的冷熱負荷，考慮同時使用系數及冷(熱)量損耗系數后，按機組銘牌標定值選擇機組臺數。由于空氣源熱泵機組的產冷(熱)量隨室外參數的改變而變化，這種選擇方法可能造成機組選得過大，造成浪費；或者選得過小，使供冷(熱)量不足，達不到使用要求。為此建議采用空調的逐時冷熱負荷和熱泵機組的供熱供冷能力的逐時變化曲線對照選擇，會得到比較滿意的結果。
此外，空氣源熱泵冬季供熱運行時，最大的一個問題就是當室外氣溫較低時，室外側換熱器翅片表面會結霜，這便需要采取一定的除霜措施。專家認為：采用自調整模糊除霜控制的思路及系統的基本結構。
展開 對于市民關心的采暖價格方面，國家發改委關于完善居民階梯電價制度的通知要求，要“全面推行居民用電峰谷分時電價政策。”峰谷電價政策的實施，將大大降低居民電采暖費用，為電熱采暖的推廣創造了極為有利的條件。
國家電網全力支持
國家電網公司印發電能替代實施方案中明確提出：“要大力實施‘以電代煤、以電代油、電從遠方來’的發展戰略，全面開展電能替代工作，優化終端能源消費結構，積極破解城市霧霾難題。”國家電網公司重點提出：“在城市集中供暖、商業、工農業生產等領域大力推廣熱泵、電采暖、電鍋爐、雙蓄能等電能替代技術，重點排查、淘汰城市中心區能耗高、效率低的燃煤小鍋爐；在直轄市、省會城市、計劃單列市、國家環保部重點關注的污染嚴重城市優先實施一批‘示范性強、經濟效益好、推廣效果佳’的電采暖替代燃煤鍋爐的示范工程，形成宣傳效應，爭取政府出臺更大力度的電能替代燃煤鍋爐的支持政策。”
研究表明，在我國電能占終端能源消費的比重每提高1個百分點，單位GDP能耗可下降4%。截至目前，在全國按規定必須實施供暖的省、市，已有90%以上出臺了鼓勵支持電采暖的優惠政策。如對居民電采暖實行普通民用電價、峰谷分時電價等。此外，有些省、市還對居民采暖給予不同形式的補貼。電價優惠政策為電采暖的大面積應用開辟了廣闊的市場空間。
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展開 5、減碳過程中新的機遇
5.1熱泵熱水器采暖
熱泵作為高效清潔供熱的有效手段，在民用、工業方面發揮了越來越重要的作用。作為連接電能和熱能的高效能量轉換技術，熱泵技術必將成為熱能供應的核心技術。隨著消費者對于生活質量及舒適性的高要求，地暖的市場占有率在不斷提升，目前最大比例為傳統的室內暖氣片供暖。傳統的供暖系統主要使用燃煤對鍋爐內的水進行加熱并分布至不同的供熱單元，大量的燃煤消耗是導致霧霾及高碳排放的主要原因之一。
隨著國家對于北方冬季采暖的清潔性、環保性的要求不斷提高，熱泵熱水機組作為冬天熱水加熱的高效設備，近年來在北方廣泛應用。根據IEA（International Energy Agency）發布的ETP（Energy Technologies Perspectives）預測，到2030年，市場保有量將達到目前的3倍，到2040年熱泵熱水器將成為主流建筑供暖及制冷設備。
5.2電動汽車
交通領域用能是能源消耗重要的組成部分之一，交通領域實現降低碳排放最主要的途徑是電氣化。有數據顯示到2025年我國新生產的轎車滲透率將達到20%，到2035年將主要生產電動轎車。
電動轎車電池冷卻、電控系統冷卻、電驅系統冷卻和乘客艙冷卻將帶來汽車熱管理領域大量的業務機會。大量的充電樁會建設起來，充電樁冷卻市場同樣巨大。余熱利用熱泵系統與電加熱相比，根據不同的駕駛工況，可增加13%～15%的續航里程數。
5.3風力發電變流器冷卻
海上風電起源于歐洲，目前在國內沿海地區有一定程度應用，預計接下來將迎來快速發展期。風電變流器發熱量大，工作環境多為高溫、高濕。目前10 kW以下設備變流器使用傳統風冷散熱及熱虹吸冷卻散熱技術較多；對于10 kW以上的設備，壓縮機氟泵雙循環冷卻散熱技術（圖4）有望得到廣泛應用。
展開 此外，以螺桿式壓縮機為主機的螺桿式熱泵廣泛應用在采暖空調方面，有空氣熱源型、水熱泵型、熱回收型、冰蓄冷型等。
其中，單螺桿壓縮機主要由一個圓柱形螺桿、兩個平面星輪和機殼組成的。螺桿和星輪組成嚙合副裝在機殼內，由螺桿槽、星輪、機殼組成密封容積變化的氣腔。當螺桿主軸在外部電機的驅動下運轉時，星輪也隨著螺桿運轉。兩個星輪將螺桿分成對稱獨立的封閉空間，當螺桿轉動時,星輪在螺旋槽內相對運動，改變星輪、螺旋槽、機殼組成的密封空間的大小，實現吸氣、壓縮、排氣的過程。
圖1 單螺桿壓縮機
單螺桿壓縮機雖然具有零部件少、重量輕、機械效率高、噪聲低和振動小等優勢，但由于其結構緊湊，壓縮機轉子齒頂密封齒與殼體之間的泄露間隙非常小，使得其三維CFD仿真變得十分困難。
針對螺桿壓縮機結構復雜、泄露間隙小，且仿真過程中存在高質量網格生成困難、耗時長的問題，流體機械和系統虛擬仿真軟件Simerics-MP/MP+配備了專業的螺桿壓縮機網格模板，可以根據螺桿壓縮機結構特點（如：螺桿軸的類型是否存在截面變化、橫向運動方式、間隙尺寸等）一鍵生成高質量的網格。
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熱泵采暖的最新內容
此外，以螺桿式壓縮機為主機的螺桿式熱泵廣泛應用在采暖空調方面，有空氣熱源型、水熱泵型、熱回收型、冰蓄冷型等。
其中，單螺桿壓縮機主要由一個圓柱形螺桿、兩個平面星輪和機殼組成的。螺桿和星輪組成嚙合副裝在機殼內，由螺桿槽、星輪、機殼組成密封容積變化的氣腔。當螺桿主軸在外部電機的驅動下運轉時，星輪也隨著螺桿運轉。
此外，新出現的電磁熱泵采暖技術也大有與傳統熱泵技術一較高低之勢。
空氣源熱泵技術
空氣源(風冷)熱泵目前的產品主要是家用熱泵空調器、商用單元式熱泵空調機組和熱泵冷熱水機組。
5、減碳過程中新的機遇
5.1熱泵熱水器采暖
熱泵作為高效清潔供熱的有效手段，在民用、工業方面發揮了越來越重要的作用。作為連接電能和熱能的高效能量轉換技術，熱泵技術必將成為熱能供應的核心技術。隨著消費者對于生活質量及舒適性的高要求，地暖的市場占有率在不斷提升，目前最大比例為傳統的室內暖氣片供暖。
國家電網公司重點提出：“在城市集中供暖、商業、工農業生產等領域大力推廣熱泵、電采暖、電鍋爐、雙蓄能等電能替代技術，重點排查、淘汰城市中心區能耗高、效率低的燃煤小鍋爐；在直轄市、省會城市、計劃單列市、國家環保部重點關注的污染嚴重城市優先實施一批‘示范性強、經濟效益好、推廣效果佳’的電采暖替代燃煤鍋爐的示范工程，形成宣傳效應，爭取政府出臺更大力度的電能替代燃煤鍋爐的支持政策。”
圖1為典型熱泵采暖系統工作原理示意圖。
圖1.熱泵采暖系統工作原理示意圖
熱泵采暖系統的特點如下：
1. 冷熱負荷要求的不均勻性。
