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水汽能热泵及其应用

发布日期:2017-09-30 作者: 点击:

1 引言

随着人们生产生活水平的提高,对工作环境及生活环境的要求也日益提高。集中空调系统在提高人们生产生活水平所起到的作用逐年递增,与此同时,空调供暖系统所产生的各类污染物也相应增加,能耗相应增大。为了降低空调能耗、减少空调供暖系统对环境所产生的污染,各类工程技术研究人员从不同角度对空调系统进行了改进。水汽能热泵就是近年来备受推广与应用的一项新技术。


2 水汽能

地球表面的水体与各类大气下垫面(如土壤、森林、草地、建筑等)及各类含水物体中蕴含了大量的液态水,液态水在各类物质的表面无时不刻地发生汽化,也就是从液态转变为气态。在其转变过程中,液态水吸收环境的热量(即汽化潜热)后变为气态的水蒸气进入到空气中,因而空气中的水蒸气本身含有了大量的热量。就其本质而言,其所吸收的所有热量均来自于太阳所赋予地球的热量,所以,这部分能量也是太阳能的一部分。

空气体量相对于人类而言是无限大的,所以空气中的水蒸气含有的热量也是无限的。这部分热量一直存储在水蒸气内,直到水蒸气遇冷凝结时才会释放出来。在这个过程中,水会呈现气态、液态共存的现象,而热量就是在这个转变过程中得到了释放。由于水蒸气的形成是自发进行的,热量是自动进入到水蒸气内的,所以这部分能源是无偿且无限的。

由于这部分能源是储存在空气中的水蒸气内,可从水蒸气与液态水转变过程中得到,故命名为水汽能。目前国际上和国内对这部分热量研究极少,如果能将这部分热量利用起来则可以为人类供应无限的能源。


3 汽能吸收器

水汽能吸收器可以人为创造出比空气湿球温度低的环境,在水汽能吸收器内空气遇冷凝结,释放出水汽能,并对水汽能加以利用。对水汽能的开发利用不需要投入过多设备、对环境无影响、没有任何污染及排放物,并且由于水汽能是存储在空气当中的,数量是无限的,永远也开采不尽、利用不完。


4 水汽能热泵

水汽能是一种新的能源形式,主要存在于空气当中,其载体为空气中的水汽。空气通过水汽能采集系统后,原本存储在空气中水汽内的水汽能在水汽能收集器中被采集出来。采集后的水汽能通过水汽能运输系统转移至水汽能提升系统。在水汽能提升系统中,低品位的水汽能被提升为高品位能源,从而可以进一步地被水汽能利用系统以及其他用能系统所利用。

在水汽能采集、运输、提升及利用过程中,水汽能品位的提升至关重要。如果水汽能不能由原来的低品位状态转换为高品位状态,则水汽能无法被利用,因此水汽能提升系统在整个水汽能利用系统中占据了极为重要的位置,而水汽能提升系统中最主要的部件即为水汽能热泵,其作用直接影响水汽能提升系统的工作效果与效率。

水汽能热泵是一种利用逆卡诺循环原理,通过使特殊工质在不同部件之间往复压缩、冷凝、膨胀、蒸发从而使能量得到提升,在此过程中,特殊工质出现了温度的改变、压力的改变、相态的改变、所含能量的转变。其工作原理如下:

1)在初级能量交换器中,低沸点的液态提升工质吸收水汽能中的热量后直接蒸发为气态,热量由一级水汽能运输系统初级能量交换器中转移到提升工质内,气态提升工质在膨胀压力下流动;

2)部分未能完全汽化液态提升工质被初级能量交换器的气液分离装置分离并储存起来,一方面防止液态提升工质进入压缩机造成压缩机的损伤,另一方面为系统容纳部分提升工质,稳定系统工作状态;

3)在流动压力下,气态提升工质进入高效低温初级压缩机内,提升工质进一步被压缩,压缩后的提升工质呈现为高温高压气态,在此状态下,提升工质不仅具有从初级能量交换器内吸收来的能量,同样也吸收了压缩机压缩过程中转变的能量,从而具有高比焓值、高能量,水汽能品质由此得到了提升;

4)气态提升工质被压缩后在压力作用下流入中级能量交换器,将其在初级能量交换器内和压缩机内所获得的能量传递给二级水汽能运输系统,自身冷凝为液态。二级水汽能运输系统内的运输介质在中级能量交换器中吸收提升工质中的能量,介质温度上升,将能量提供给水汽能利用系统;

5)液态提升工质离开中级能量交换器后进入绝热膨胀节流装置,在此装置内液态提升工质进行等比焓绝热膨胀,压力与温度下降后再次进入初级能量交换器中从而进行下一个能量提升循环。

在水汽能热泵工作过程中,水汽能由一级水汽能运输系统在初级能量交换器中转移并提升,通过提升工质的蒸发、冷凝,品位提升后的水汽能转移至中级能量交换器从而被水汽能利用系统所吸收。当对最终使用的水汽能品位有严格要求时,水汽能热泵可增加高效低温双级压缩机、增加高级能量交换器等设备,从而进一步提升水汽能品位,将水汽能提升至超高品位。

水汽能热泵的工作状态受水汽能提纯平台采集来的水汽能本身品质的影响,采集来的水汽能品位越高,水汽能热泵工作状态越稳定、工作效率越高。为了使水汽能热泵工作在较高的效率下,应尽可能提高水汽能采集系统的采集效率、初级能量交换器的交换效率等。


5 水汽能热泵系统的应用

水汽能热泵系统的应用过程如图1所示。

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图1 水汽能热泵空调系统工作流程


地球表面的空气中蕴含着大量的水蒸气,大量含有水蒸气的空气通过水汽能收集器,在水汽能收集器中循环溶液将空气中的显热与潜热进行吸收,循环溶液在循环泵的驱动下进入到水汽能热泵中,水汽能热泵通过逆卡洛循环将循环溶液所携带的低品位热量提升至高品位热量,然后将热量传递给水汽能利用系统,水汽能利用系统通过室内空气的循环,将热量传递给最终的用户,从而实现从空气中提取热量、转移热量、提升热量、供给最终用户热量的整个过程。

水汽能空调系统不仅适用在新建建筑中,还特别适用在旧有建筑的空调系统改造中。在对原有空调系统进行改造的过程中,仅需要对空调机房内原有的空调主机进行改造、对原有冷却塔进行升级换代,即可将原单冷机改造为冷热双供的热泵,同时能够将产生环境污染的燃煤、燃油、燃气锅炉进行拆除,减少了碳排放、节约了能源。

湖南冷水江市政府行政中心办公大楼已成功使用水汽能热泵3年,没有锅炉,制冷制热效果稳定,比常规挂机节能50%以上。

上海延安饭店于2012年开始改造燃油锅炉制热和供洗浴热水,改造前锅炉燃油116.6 t,改造后只用24万kW·h电,从经济上算省钱68.7%。

华东民航管理局虹桥机场航管楼在改造之前一年集中空调费用128万元,改造之后一年才48万元,节约80万元,节约62.5%。

上海市政府政务大厦集中空调也将原有的知名品牌主机拆除,改成了应用水汽能热泵技术的集中空调。

有着100多年历史的上海瑞金医院,也将原有空调主机和锅炉拆除,改成了应用“水汽能”新能源的热源塔热泵主机。

以上项目业绩稳定运行、效果可靠的前提下,取得了良好的节能经济效益。在淘汰锅炉减少污染物排放的同时,还净化和过滤了室外空气中的雾霾,有良好的社会效益。


6 结语

水汽能热泵是在我国节能环保的大背景下应运而生的,其环境友好、节能低碳的运行效果和“不生产热量、只搬运热量”的能源利用方式将在我国得到极大的发展与应用,对我国降低碳排放、实现绿色空调作出巨大的贡献。


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