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燃气热泵空调的原理及优点有哪些?

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燃气热泵空调的原理及优点有哪些?

       什么是燃气热泵。所谓的泵,就是把液体、气体从低处通过泵的做功抬升到高处的设备。譬如我们熟知的水泵,油泵,就是如此。把气体从低压气体转变成高压气体的叫气泵,譬如空压机或者轮胎充气的气泵。而热泵,顾名思义就是把热能从低温端通过热泵对介质做功后传递到高温端。那么燃气热泵的工作原理是什么呢?它有哪些优点呢?

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       我们最常见的空调和冰箱都是热泵的典型。

       对空调而言,夏季制冷的时候,空调的原动机(电动机或者其他发动机)对传热介质(氟利昂)做功,介质吸收室内的低温热量通过泵(压缩机)把介质变成高温蒸汽,通过室外的散热器把热量散发到室外的大气环境中。

       空调在冬季制热的工作过程,和夏季制冷的过程完全相同,只是空调内的介质流动方向不同了,空调里的氟利昂吸收室外寒冷大气中的热量,通过压缩机做功后循环进入室内机,热量通过室内机的风机盘管被吹到室内。

       我们家用的冰箱或者大型冷库也都是热泵的典型应用。冰箱里的介质氟利昂在电动机、压缩机的作用下,把冰箱(冷库)里的低温食物的热量吸收再泵送到外边的散热器上把热量散发到周围的空气中,这样就能使冰箱、冷库里的物体温度降低。

       燃气热泵按照介质的类型分为两大类,吸收式热泵和压缩式热泵。

       吸收式热泵,通常使用的介质有两种,一个是氨气-水系统,所以也叫氨吸收式热泵。另一种是溴化锂-水系统,也叫溴化锂热泵。氨吸收系统的工作原理都是从热源来的热能驱动氨气在冷热两端进行吸收/解吸循环,从而把热能从低温端泵送到高温端。这个热源可以是高温水蒸汽,也可以是燃气燃烧产生的热能,或者其他形式的工业废热。溴化锂吸收系统是外来热源促使溴化锂的水溶液中水在冷端和热端的的吸收和蒸发来完成工作循环的。

       压缩式热泵,最常见的工作应用就是我们家用的空调和冰箱。使用的介质称为氟利昂,这是一族含氟、氯(或者不含氯)的碳氢化合物的统称,这个氟利昂家族是人类迄今为止找到的最优秀的热泵介质,得到了最广泛的应用。以至于90%以上的热泵都是采用氟利昂压缩式热泵。(氟利昂对大气中臭氧层的破坏是另一个话题,人类现在广泛使用不含氯的氟利昂做介质就极大解决了这个问题)。

       从驱动压缩机的动力源分类,热泵分两种,分别是以电动机为动力源的电动式热泵和燃气发动机为动力源的燃气热泵。

       电动热泵使用电动机直接驱动压缩机,推动制冷介质氟利昂循环,把热能从低温端泵到高温端。燃气热泵使用燃气发动机(类似汽车发动机)拖动,驱动压缩机内的介质氟利昂循环,把热能从低温端泵到高温端。

       所以二者的区别只是原动机的区别。电动机结构简洁,接上电就能使用。燃气发动机的结构就要稍微复杂一些,除了要接通燃气管路,还要有辅助燃烧的空气通路,以及用来精细完美控制发动机工作的电气控制系统,实现无极变频调节。

       由于电力是二次能源,电能本身是从一次能源(燃气,燃油,煤炭,风能,光伏,水电,核能)通过电网长途跋涉运送到使用处的。一二次能源转换本身的效率往往只有40%以下,而且传统的长距离供电的时候,电缆自身电阻发热会损耗50%以上的电能,所以最终综合计算能源效率的时候,燃气等一次能源只有小于30%转移到了压缩机的轴功率上。

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       而燃气压缩式热泵,直接使用一次能源燃气在发动机的气缸里燃烧做功,推动热泵的压缩机工作,这个过程30%的能量转化为轴功率,70%的废热以缸套冷却水和高温烟气的形式存在,通过精心设计的热回收,可以回收50%的余热,剩余的20%以烟气形式和机体散热形式排出到大气中。所以燃气热泵对一次能源燃气的能源利用率达到80%。加上热泵吸收的空气中的热量泵送,燃气热泵每输入一单位的燃气能量,能够在另一端获得1.6倍的能量。

       燃气热泵相对电动热泵还有最大的优点,冬季取暖的时候,由于室外机过冷结霜严重,电动热泵要频繁地停机,更换介质流动方向来除霜,结果就是室内温度波动很大,很难升上来。而燃气热泵由于有被综合利用后的中低温烟气排放,这个烟气可以直接接到室外机的换热器上,这样就避免了结霜和除霜操作,所以同等功率下燃气热泵可以做到提升温度的性能就很暴力,极短时间就能把室温升到目标温度并稳定下来,不存在温度波动问题。

       另外,燃气热泵在夏季制冷的同时,可以同时副产生活用热水,用于夏季洗浴、淋浴等。这个功能尤其适用于宾馆酒店使用,一套设备同时制冷和生产热水。而使用电动空调的时候,还需要额外配一个低效率的锅炉来生产热水。这样对比之下,宾馆使用燃气热泵可以一份的投入获得双倍的效果,远远优于电动热泵的中央空调。

       夏季上海为代表的华东地区电网电能的50%+是用于空调制冷。冬季以北京为代表的华北地区电网电能的50%+用于空调制热。今年冬季的极寒天气更是极大推动了取暖用电的消耗。以至于中国中东南部很多省份发生了严重的电力短缺问题,所以使用燃气热泵空调代替电动热泵空调就成了迫在眉睫的问题。

       以清华大学的李先庭教授和天津城建大学的刘凤国教授倾心研究多年的压缩式热泵技术已经是国内最先进的热泵技术,在国内生产基地已经大量商品化生产,上海虎博电子科技有限公司的翟成合负责压缩式热泵空调在全国的技术和销售市场应用。

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