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1、Chua KJ, Chou SK, Yang WM. Advances in heat pump systems: A review. Applied Energy, 2010, 87(2): 3611-3624.热泵系统的研究进展综述K.J. Chua, S.K. Chou, W.M. Yang摘要： 为了从消耗于各种工业、商业、住宅建筑内的不同热源中回收热量，热泵系统提供了一种经济的可选择的解决方案。随着能源价格的持续上涨，节能和提高能源效率就变得非常必要。从这点来看，热泵成为在能量回收系统中具有巨大节能潜力的一个关键组件。改进热泵的性能、可靠性及其对环境的影响已经成为一个持续关注的话题。
2、热泵系统最近的发展集中在热驱动和动力驱动两个先进循环的设计，改善循环部件（包括工质的选择），和拓宽其应用范围。对热泵来说它是一种经济命题，当发现新的应用场合时需要不断努力以提高热泵的性能与可靠性。某些最新的研究成果明显地提高了热泵的能源利用效率。例如，一个热驱动喷射应用到热泵系统使之效率提高了20%以上。此外，开发更好的压缩技术有使热泵系统的能量消耗降低高达80%的潜力。新的混合系统的开发已经使热泵完成高效广泛地应用。例如，嵌入干燥剂的热泵循环实现了更好的温湿度控制，且COP高达6。本文针对热泵系统的最近发展给出总结，旨在建立一个实用热泵解决方案的“一站式”档案。本文大致分为三部分，首先回顾改
3、善热泵性能的各种各样的方法。接下来描述适合各种热源应用的混合式热泵系统。最后，本文提出了在选择的行业中热泵系统的新颖应用。关键词： 热泵技术，蒸汽压缩循环，热量回收，能量效率，混合热泵系统，用途和解决办法1. 引言在过去两十年中热泵（HP）已经演变成为一项成熟的技术。但是，它还没被广泛地应用到它应该或可能被应用的范围。自从几个主要的制冷系统供应商提供大型热泵后，初投资、系统设计和集成一直是有待挑战的问题。在能源密集型运营系统，如区域供冷/供热，干燥和热电联产，能源高效使用是减少能源消耗和温室气体排放的关键。随着世界范围内碳/能源税的最终接受,在许多工业运营中节能将成为一个关键问题。随着燃料成本
4、的提高以及全球变暖处在世界瞩目的前沿，人们对热泵作为一种能量回收手段的兴趣似乎已经复活。热泵是解决温室效应最有效的办法之一。热泵将环境中的废热再循环成生产过程中的热量，这是一个唯一已知的过程；热泵提供节能和环保的制热与制冷，应用到住宅、商业建筑以及制造工业中1。实际研究表明，热泵对大幅减少温室气体的排放具有重大潜力，尤其是在减少二氧化碳排放量，空间加热量和发热量上。热泵对环境的影响取决于热泵的类型和混合动力装置的效率。在许多产业化经营中，改善能源效率的一个重要途径是回收每一个可能的废热源，并将它们变成有用的产出。为了促进这种做法，热泵成为一个关键的热力系统，是因为它拥有回收热量的能力。热泵从外
5、界环境中吸取热量，并引导这些热量转换成有益的成果，例如生产热水提供热能到居住建筑或则用来进行海水淡化。随着热泵在各种能源相关行业中产生新的应用，热泵的研究工作已经扩大到使其更节能，同时不断发展新的混合动力系统，以提高系统的整体效率。自从对各种热泵机组和热力系统熟知后，技术的优化整合仍然是一个具有挑战性的研发任务。几个热泵系统的存在，一些需要外界的动力驱动，而其它的需要外界的热能驱动。以蒸汽压缩循环和吸收循环为基础的商业热泵已广泛地应用到许多实际产业当中。新的热泵技术例如吸附循环和化学反应循环迅速崛起，尽管它们还没有发现应用在工业制造中2。本文描述了热泵系统各方面的应用和对能源效率的影响。为了达
6、到论述主要热泵的特征和应用的目的，本文的重点是对各种动力驱动类型的论述，而不是热力驱动类型。表1概述了热泵在工业过程中的应用3。从表中可以看出，相对于热力驱动系统，机械蒸汽压缩式系统已广泛应用到许多制造工业中。此表可能不完全全面，但它突出表现的是热泵最常见的工业应用和类型。表1 热泵在工业过程中应用的代表概述（改编自美国能源部3）图1描述了这篇文章的结构和组成部分。文章的开始部分描述了各种各样的技术，这些技术目前正应用于改善热泵的性能。其次，本文提出了几种混合式热泵，这些热泵有能力从各种各样的热源中回收热量。最后，本文描述了一些热泵系统在各种能源密集型产业中的新应用。通过本文有关热泵的综述，我
7、们希望传达一个重要信息，那就是，不断努力改善热泵的性能将直接优化许多能源密集型经营产业的能源使用，以及减少碳的排放。图1 一个最近发展的热泵技术广义的分类2. 提高能源效率2.1. 多级循环多级系统采用多个压缩阶段。多级蒸汽压缩系统可以是混合系统或串级系统，如图2所示。多级系统由串联的两个或两个以上的压缩阶段组成。它可能有一台高级压缩机（较高压力）和一台低级压缩机（较低压力）或几台串联压缩机。与单级系统相比，多级系统在每阶段具有更小的压缩比和更高的压缩效率，以及更大的制冷效果，更低的高压排气温度，和更强的灵活性5,6。多级压缩系统中高压排气压力和低压吸气压力之间的压力称为级间压力。两级系统的级
8、间压力通常被确定以使两个压缩阶段的压缩比将近相等，从而达到更高的性能系数（COP）6。Tanaka and Kotoh 7研究了在日本寒冷地区用CO2作制冷剂的双级压缩热泵热水器的性能。他们指出压缩机吸气压力（低压）与排气压力(高压)的比值是巨大的，并且压缩机在寒冷地区恶劣条件下的工作最低温度范围可以从-10到-20。但是，这降低了热水的加热能力和系统的COP。为了提高热泵系统的性能和可靠性，他们将压缩过程分成两个阶段，并在中间压力状态下注射制冷剂7。因此，混合多级热泵系统提供了一个有利的选择，来提高系统在极端寒冷环境下工作时的COP。级联系统包括两个独立运行的单级制冷系统：一个低级系统维持一
9、个较低的蒸发温度并且产生制冷效果，而一个高级系统在较高的蒸发温度下运行，如图2所示4。这两个独立的系统用一个级联冷凝器连接起来，高级系统中的冷凝器从低级系统中的冷凝器中提取热量。Wang等8 研究了双级耦合热泵系统的潜力，即空气源热泵耦合到水源热泵。对比下，他们发现这样的耦合过程与纯粹的空气源热泵系统相比，能量效率提高了20%8。图2 （a）带中间冷却器两级循环，（b）带封闭节流装置的两级循环（c）喷射循环，和（d）图例4在众多商用热泵系统中包含单级蒸汽压缩循环系统。在该系统中，只有一个蒸发器用于冷却和除湿，并从单一热源中回收热量。由于热传递过程中存在可利用的物理区域，因此在热量回收过程中强加
10、了大量的机械约束。Chua和同事们进行了两级蒸发热泵系统的研究，如图3所示9。在他们的系统中，制冷剂蒸汽在冷凝器出口处分成两股。一股进入膨胀阀中，该股蒸汽具有较高的排流能力，从而达到较低的蒸发温度，而另一股蒸汽进入另一个膨胀阀中将升高到更高的温度9。两股蒸汽分别在高压和低压蒸发器中发生蒸发过程。高压冷凝器出口处的制冷剂蒸汽与低压冷凝器出来的制冷剂蒸汽混合前的压力，由一个背压力调节阀控制。在测试一个两级蒸发热泵辅助机械干燥系统中，他们有着重大的发现：与单一蒸发器热泵循环相比，两级蒸发器热泵干燥循环可以多回收35%以上的热量。通过这个结果表明，两级蒸发热泵系统可以显著改善热泵的性能 9。图3 一个
11、两级蒸发器系统图92.2. 提高压缩机性能为了尽量减少蒸汽压缩循环过程中能量的消耗，一个关键的方法是减少压缩机所需的压缩比。换句话说，也就是提高压缩机的性能。近年来，发明的涡旋压缩机是压缩机技术中一项重大的技术突破10。涡旋压缩机的效率超过标准往复式压缩机效率约10%。这种改进有三个主要原因11。第一，与往复式压缩机相比，涡旋压缩机的吸气和排气过程是独立的，这意味着没有热量添加到吸入蒸汽中。其次，与往复式压缩机的180度旋转对比，涡旋压缩机压缩过程进行了540度的旋转。因此，涡旋压缩机的驱动转矩波动只有往复式压缩机的10%。第三，涡旋压缩机可以消除往复式压缩机压力损失源头中吸气和排气阀的压力损
12、失。另外，涡旋压缩机具有更好的可靠性，因为它们有更少的运动部件，并能在液体猛烈撞击下运行的更好12,13。最近，一组研究人员开发出一种新的制冷压缩机，名为“旋转叶片（RV）压缩机” 14-17。据说，他们创新设计的显著特点涉及到激进的使用一种旋转汽缸，这种气缸与压缩机械一起转动，以减少能量的损失14。因此，摩擦和渗漏损失有效地减少了14。与活塞式相比，RV压缩机的径向间隙泄漏损失通常是40%，少于活塞式预期高达95%的容积效率。这种绿色和新型的压缩机显著降低了制冷压缩过程中的输入能量。实验数据表明，与目前市场上的系统来比，使用这种新型压缩机的系统能耗减少了80%14。一些不太有效的方法来提高压
13、缩机的性能，是为了确保压缩机在运行中保持低的温度。Wang等18 研究了两种方法来实现这一点。第一个方法用外部手段来冷却压缩机的电机而不是用吸入气体来进行冷却。第二种方法通过从压缩腔中转移热量，从而迫使压缩过程为一个等温过程。结果表明，在R22为制冷剂的制冷系统中，与等熵压缩相比较，等温压缩最多可以减少14%的压缩工作。若运行条件良好和流体的选择正确，这两种方法组合起来可以节约高达16%能源18。2.3. 喷射器系统喷射器是喷射式制冷系统的心脏， Charles Parsons 先生大约在1901年发明了喷射器，用于从一个蒸汽机的冷凝器中转移空气。在1910年，Maurice Leblanc
14、在蒸汽喷射式制冷系统中使用了一个喷射器19。喷射器是制冷与空调，海水淡化，石油炼制，化工等行业的重要组成部分。此外，喷射器是蒸馏塔，冷凝器和其他热交换过程中不可缺少的一部分。最近发表的一些文章集中在喷射压缩系统的各方面的研究，也就是，喷射扩张临界CO2热泵循环21，两相喷射循环22,23，多级蒸发制冷喷射器和以低品位余热或太阳能为动力的喷射制冷系统的性能25,26。以下部分突出描述喷射热泵系统近期的显著进展。喷射压缩式热泵采用低品位的热能，将提供更多的冷却和加热空间22,23,25。一个多功能喷射压缩增强系统如图4所示。它采用一个喷射器来执行不同程度的压缩制冷，该系统依赖于冷凝器出口处制冷剂的
15、质量和压力以及高温余热。一个气液分离器将制冷剂蒸汽分离扩大为气体和液体，气态制冷剂在较高压力下直接进入压缩机，而液态制冷剂流入蒸发器中与被冷却的空间交换热量。喷射器是压缩负载的一部分，这显著降低了压缩机的功率需求。当高温余热可用时，喷射器能承担全部的压缩职责，如图4中的虚线所示的循环。喷射器是根据几何学，航空动力学来进行机械设计。理论研究表明，与标准的蒸汽压缩循环相比，喷射压缩热泵的COP提高了21%。为了验证喷射压缩式热泵的节能性，Chaiwongsa and Wongwises 27设计了一个拥有三个不同出口直径喷嘴的实验装置。图5显示了喷射热泵在各种散热器温度系数下的运行性能23。同时，
16、他们在研究中发现热泵的能源效率与COP的提高值接近为6。图4 一个新的多变的喷射压缩增强系统图5 运行在不同喷嘴直径和各种散热器温度下热泵的性能系数232.4. 新的制冷剂HCFC-22可能是在热泵空调中使用最广泛的制冷剂。它具有相对较低的臭氧层破坏力，但因为它含氯，因此，人们正在寻找它的替代物。寻求一个潜在的制冷剂替代物，重要的是这种替代物具有被替换流体类似的热力性质。这种替代物也应具备匹配蒸发焓的理想属性。只有当这些参数能够密切地匹配，系统重新设计或重新配置的影响将变得微乎其微。确定具有相似热力性质的替代流体的工作不是特别的成功。这导致研究人员调查混合氢氟碳化物来取代HCFC-22的可能性28。在热泵空调中使用混合制冷剂，将不断地给工程师们带来新的挑战。一种纯粹单
