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            水汽能熱泵及其應用

            文章來源: 作者: 發布時間:2017年09月22日 點擊數: 字號:

              水汽能熱泵及其應用

              湖南東尤水汽能產業發展有限公司

              黃國和

            1引言

              隨著人們生產生活水平的提高,對工作環境及生活環境的要求也日益提高。集中空調系統在提高人們生產生活水平所起到的作用逐年遞增,與此同時,空調供暖系統所產生的各類污染物也相應增加,能耗相應增大。為了降低空調能耗、減少空調供暖系統對環境所產生的污染,各類工程技術研究人員從不同角度對空調系統進行了改進。水汽能熱泵就是近年來備受推廣與應用的一項新技術。

            2 水汽能

              地球表面的水體與各類大氣下墊面(如土壤、森林、草地、建筑等)及各類含水物體中蘊含了大量的液態水,液態水在各類物質的表面無時不刻地發生汽化,也就是從液態轉變為氣態。在其轉變過程中,液態水吸收環境的熱量(即汽化潛熱)后變為氣態的水蒸氣進入到空氣中,因而空氣中的水蒸氣本身含有了大量的熱量。就其本質而言,其所吸收的所有熱量均來自于太陽所賦予地球的熱量,所以,這部分能量也是太陽能的一部分。

              空氣體量相對于人類而言是無限大的,所以空氣中的水蒸氣含有的熱量也是無限的。這部分熱量一直存儲在水蒸氣內,直到水蒸氣遇冷凝結時才會釋放出來。在這個過程中,水會呈現氣態、液態共存的現象,而熱量就是在這個轉變過程中得到了釋放。由于水蒸氣的形成是自發進行的,熱量是自動進入到水蒸氣內的,所以這部分能源是無償且無限的。

              由于這部分能源是儲存在空氣中的水蒸氣內,可從水蒸氣與液態水轉變過程中得到,故命名為水汽能。目前國際上和國內對這部分熱量研究極少,如果能將這部分熱量利用起來則可以為人類供應無限的能源。

            3 汽能吸收器

              水汽能吸收器可以人為創造出比空氣濕球溫度低的環境,在水汽能吸收器內空氣遇冷凝結,釋放出水汽能,并對水汽能加以利用。對水汽能的開發利用不需要投入過多設備、對環境無影響、沒有任何污染及排放物,并且由于水汽能是存儲在空氣當中的,數量是無限的,永遠也開采不盡、利用不完。

            4 水汽能熱泵

              水汽能是一種新的能源形式,主要存在于空氣當中,其載體為空氣中的水汽??諝馔ㄟ^水汽能采集系統后,原本存儲在空氣中水汽內的水汽能在水汽能收集器中被采集出來。采集后的水汽能通過水汽能運輸系統轉移至水汽能提升系統。在水汽能提升系統中,低品位的水汽能被提升為高品位能源,從而可以進一步地被水汽能利用系統以及其他用能系統所利用。

              在水汽能采集、運輸、提升及利用過程中,水汽能品位的提升至關重要。如果水汽能不能由原來的低品位狀態轉換為高品位狀態,則水汽能無法被利用,因此水汽能提升系統在整個水汽能利用系統中占據了極為重要的位置,而水汽能提升系統中最主要的部件即為水汽能熱泵,其作用直接影響水汽能提升系統的工作效果與效率。

              水汽能熱泵是一種利用逆卡諾循環原理,通過使特殊工質在不同部件之間往復壓縮、冷凝、膨脹、蒸發從而使能量得到提升,在此過程中,特殊工質出現了溫度的改變、壓力的改變、相態的改變、所含能量的轉變。其工作原理如下:

              1)在初級能量交換器中,低沸點的液態提升工質吸收水汽能中的熱量后直接蒸發為氣態,熱量由一級水汽能運輸系統初級能量交換器中轉移到提升工質內,氣態提升工質在膨脹壓力下流動;

              2)部分未能完全汽化液態提升工質被初級能量交換器的氣液分離裝置分離并儲存起來,一方面防止液態提升工質進入壓縮機造成壓縮機的損傷,另一方面為系統容納部分提升工質,穩定系統工作狀態;

              3)在流動壓力下,氣態提升工質進入高效低溫初級壓縮機內,提升工質進一步被壓縮,壓縮后的提升工質呈現為高溫高壓氣態,在此狀態下,提升工質不僅具有從初級能量交換器內吸收來的能量,同樣也吸收了壓縮機壓縮過程中轉變的能量,從而具有高比焓值、高能量,水汽能品質由此得到了提升;

              4)氣態提升工質被壓縮后在壓力作用下流入中級能量交換器,將其在初級能量交換器內和壓縮機內所獲得的能量傳遞給二級水汽能運輸系統,自身冷凝為液態。二級水汽能運輸系統內的運輸介質在中級能量交換器中吸收提升工質中的能量,介質溫度上升,將能量提供給水汽能利用系統;

              5、液態提升工質離開中級能量交換器后進入絕熱膨脹節流裝置,在此裝置內液態提升工質進行等比焓絕熱膨脹,壓力與溫度下降后再次進入初級能量交換器中從而進行下一個能量提升循環。

              在水汽能熱泵工作過程中,水汽能由一級水汽能運輸系統在初級能量交換器中轉移并提升,通過提升工質的蒸發、冷凝,品位提升后的水汽能轉移至中級能量交換器從而被水汽能利用系統所吸收。當對最終使用的水汽能品位有嚴格要求時,水汽能熱泵可增加高效低溫雙級壓縮機、增加高級能量交換器等設備,從而進一步提升水汽能品位,將水汽能提升至超高品位。

              水汽能熱泵的工作狀態受水汽能提純平臺采集來的水汽能本身品質的影響,采集來的水汽能品位越高,水汽能熱泵工作狀態越穩定、工作效率越高。為了使水汽能熱泵工作在較高的效率下,應盡可能提高水汽能采集系統的采集效率、初級能量交換器的交換效率等。

            5 水汽能熱泵系統的應用

              水汽能熱泵系統的應用過程如圖1所示。

            圖1 水汽能熱泵空調系統工作流程

              地球表面的空氣中蘊含著大量的水蒸氣,大量含有水蒸氣的空氣通過水汽能收集器,在水汽能收集器中循環溶液將空氣中的顯熱與潛熱進行吸收,循環溶液在循環泵的驅動下進入到水汽能熱泵中,水汽能熱泵通過逆卡洛循環將循環溶液所攜帶的低品位熱量提升至高品位熱量,然后將熱量傳遞給水汽能利用系統,水汽能利用系統通過室內空氣的循環,將熱量傳遞給最終的用戶,從而實現從空氣中提取熱量、轉移熱量、提升熱量、供給最終用戶熱量的整個過程。

              水汽能空調系統不僅適用在新建建筑中,還特別適用在舊有建筑的空調系統改造中。在對原有空調系統進行改造的過程中,僅需要對空調機房內原有的空調主機進行改造、對原有冷卻塔進行升級換代,即可將原單冷機改造為冷熱雙供的熱泵,同時能夠將產生環境污染的燃煤、燃油、燃氣鍋爐進行拆除,減少了碳排放、節約了能源。

              湖南冷水江市政府行政中心辦公大樓已成功使用水汽能熱泵3年,沒有鍋爐,制冷制熱效果穩定,比常規掛機節能50%以上。

              上海延安飯店于2012年開始改造燃油鍋爐制熱和供洗浴熱水,改造前鍋爐燃油116.6t,改造后只用24萬kW·h電,從經濟上算省錢68.7%。

              華東民航管理局虹橋機場航管樓在改造之前一年集中空調費用128萬元,改造之后一年才48萬元,節約80萬元,節約62.5%。

              上海市政府政務大廈集中空調也將原有的知名品牌主機拆除,改成了應用水汽能熱泵技術的集中空調。

              有著100多年歷史的上海瑞金醫院,也將原有空調主機和鍋爐拆除,改成了應用“水汽能”新能源的熱源塔熱泵主機。

              以上項目業績穩定運行、效果可靠的前提下,取得了良好的節能經濟效益。在淘汰鍋爐減少污染物排放的同時,還凈化和過濾了室外空氣中的霧霾,有良好的社會效益。

            6結語

              水汽能熱泵是在我國節能環保的大背景下應運而生的,其環境友好、節能低碳的運行效果和“不生產熱量、只搬運熱量”的能源利用方式將在我國得到極大的發展與應用,對我國降低碳排放、實現綠色空調作出巨大的貢獻。

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