8.1 单独热源设备在线视频

首先

我们来看看 “单独热源设备”

对于单独热源设备

按照用户侧向室内末端输送冷热量的介质不同

可分为 热水式设备和热风式设备

热源侧的热量来源

包括 化石燃料燃烧产生的热能

可再生能源 工业余热以及电能等

其中

利用化石燃料燃烧形式的热源有 燃气锅炉

燃气热水器 城市热网

以及 与之配合的吸收式换热机组等等

也可以利用太阳能 中深层地热等

可再生能源和余热

它们可以通过换热 直接利用

或者是 利用水源热泵机组等热源设备

提升热量品位后用于供热

还有一类 是以电能为能源

采用直接电加热的方式

将电能转换为热能的热源设备

比如 电锅炉 电热水器

以及 我们常用的小太阳 电暖器 电热膜等等

也可以 利用蒸气压缩或者是吸收式热泵循环

通过消耗一定的电能

从空气或者是各种水体等低温热源中

提取热量用于供热

也就是 我们常说的“热泵”

它可以制取热风 或者是热水

向室内供热

比如 空气源热泵热风机 热泵热水器等等

下面 我对近年来发展起来的空气源热泵热风机

空气源热泵热水器 中深层地热能热泵机组

以及 吸收式换热机组四类新技术 进行简要说明

空气源热泵热风机 是一种空气-空气热泵系统

采用送风型 或者是对流末端

直接制取热风向室内供暖

是一种 “部分时间 部分空间” 的供暖设施

特别适用于 我国北方的农村地区的清洁供暖

它安装施工成本低 操作简单

与空气-水热泵系统相比

使用更为安全

没有热水管的冻结隐患

与壁挂式房间空调器相比

其室内机采用落地方式

避免了 壁挂式室内机出现的热风上浮

垂直温差大的缺点

由于室内机进风温度 相对于壁挂式室内机更低

系统的冷凝温度也更低

系统的能效比更高

且 可以根据使用需求来启停

具有良好的节能 节钱的效果

并保障室内的舒适性

在一定的区域内 集中使用空气源热泵热风机

在满足室内基本舒适的前提下

还可以 集中控制热风机的启停

以消纳弃风 弃光电力

有望成为 未来电力调峰的重要设备

小容量的空气源热泵热水器

和较大容量的空气源热泵热水机组

是重要的家用与商用生活热水生产设备

它通过消耗少量的电能

从室外空气中吸取大量低品位的热能

从而 高效地制取温度较高

满足用户需求的生活热水和工艺热水的设备

按照结构型式

即 按照热泵系统与储热水箱是否为一体

可以分为 整体式和分体式两种类型

整体式热泵热水器

一般上部设置有压缩机 蒸发器和节流装置

下部是 包含有热泵冷凝器的保温水箱

冷凝器 内置于水箱或者是缠绕在水箱的内胆上

但内置式冷凝器容易结垢

缠绕内胆方式的传热性能变差

这类热水器通常放在室内使用

制取热水的时候

热泵从室内取热

将室内空气的热量转移到热水中

分体式热泵热水器 也有两个部分

放置在室内侧的保温水箱

以及安装在室外侧的室外机

二者通过制冷剂液体管和气体管

连接成一个热泵循环

在分体式热泵热水器中

一般将 冷凝器设置在保温水箱内

当然 也可以设置在室外机中

室外机中至少包含了压缩机 蒸发器和节流装置

由于室外机需放置在室外

在室外温度较低时

蒸发器表面 容易结霜

为了便于除霜

故在室外机中 设置有热气旁通除霜电磁阀

或者是 与热泵型房间空调器相同的四通换向阀

按照加热方式的不同 热泵热水器

又可分为 静态加热式和动态加热式

静态加热式 是被加热水体在储热水箱中

以自然对流的方式

被冷凝热逐渐加热升温至设定温度

整体式热水器 一般是静态加热式

当然 采用整体式热水器水箱结构的

分体式热水器 也是静态加热式热水器

在较大容量的分体式空气源热泵热水机组中

常采用动态加热形式

动态加热式 就是让被加热水体流过冷凝器

通过强制对流的方式 将冷凝器释放的热量

传递到水体中 以加热热水

它又分为 一次加热式和循环加热式两种类型

若被加热的水体 一次流过热泵系统的冷凝器

就能够达到设定温度的话

这种加热方式就称为 一次加热式

若被加热水体 多次流过热泵系统

才能加热到设定水温

这就是 循环加热式

可见 循环加热式机组 需要循环水泵

容量较大的一次加热式

和循环加热式空气源热泵热水机组的冷凝器

一般都设置在室外机中

室内机 仅仅是一个热水的储水箱

首先 我们来看看

一次加热式热泵热水机组的工作原理

自来水 进入冷凝器后

被制冷剂的冷凝热 逐渐加热

到达设定水温以后 流出冷凝器

并存储在热水箱中

为了保证出水温度

需调节进入冷凝器中的水的流量

由于进 出水温差较大

例如 将15℃的水加热到55℃

采用常规制冷剂的热泵循环的话

就需要很高的冷凝温度

如 冷凝温度要达到60~65℃

热泵的能效比较低

由于 自来水的温度低

制冷剂与水体的传热温差大

导致 出现了很大的不可逆损失

两种流体的（火积）耗散很大

即使 增大冷凝器的传热面积

也难以 降低热泵循环的冷凝温度

如果 采用CO2跨临界循环

从它的T-s图 可以看出

利用自来水进口的低温

降低高压CO2超流体的再冷温度

利用CO2的高温排气 加热后段的热水

以提高热水的出水温度

这样的话

制冷剂 在高压侧的变温放热过程

正好与 逐渐吸热的水体的变温吸热过程相匹配

形成逆流换热

减少了换热过程的（火积）耗散

不仅可以 获得较高的出水温度

还可以 大幅度提升热泵循环的能效比

由于 CO2是一种环保性能非常好的天然工质

其 ODP为0 GWP为1

因此

用于一次加热式空气源热泵热水机组中

具有非常好的环保和节能性能

我们再来看一下

循环加热式空气源热泵热水器的T-s图

在蒸发器一侧 与上面的一次加热式完全相同

但热水侧 则由循环水泵推动水体

将热水箱内的冷水 逐渐从自来水温度

加热至所需的水温

在开始阶段

热泵机组的冷凝温度较低

能效比也较高

但随着水温的升高

冷凝温度也升高

其能效比就降低了

因此

如果 将CO2跨临界循环

应用于循环加热式空气源热泵热水器中

将失去 利用低温自来水 降低再冷温度

利用高温排气 提高出水温度的优势

与一次加热式热水系统相比

其制热能效比 显著降低

我们再来看看 近期发展起来的单独热源系统

中深层地热

它有望成为今后逐渐得到发展

且非常重要的建筑热源形式

说到地热能 一定与“干热岩”发生联系

干热岩 是一种没有水或蒸汽

即使是含有少量水 但不流动

普遍埋藏于 距地表2~10km的地层深处

温度介于 90~650℃ 的高温岩体中

蕴藏在其中的热能 就是干热岩的地热能

地壳内的温度 随着深度的增加逐渐升高

距地表 2000m 以内的地热 称为 “浅层地热”

其温度较低

一般低于90℃

距地表 2000~3000m 的地热叫做 “中深层地热”

其干热岩的温度为 90~150℃

深度大于 3000m 时

其地热为 “高温地热”

其干热岩的温度 可达150℃以上

开发距地表 2000~3000m 的中深层地热

用于建筑供暖 已在我国很多地方取得了成功

下面 我简要介绍一下它的工作和应用原理

中深层地热能供热技术的基本原理是

通过在深度为 2000~3000m 的钻孔中

安装密闭的 双层金属套管式换热器

其外侧 与干热岩通过导热方式提取热量

将建筑取热后的低温水 加热至70℃~100℃

再从套管换热器的底部折返

经芯部管道回流

向建筑供热

根据取水温度的高低

可以采用 水源热泵

以及水源热泵和换热器的组合方式

来提取中深层地热能

当提取的水温较低时

从双层换热器芯部流回来的水

直接进入水源热泵机组的蒸发器中

并从水源热泵机组的冷凝器侧

制取建筑所需温度的热水

当从地下提取的水温较高时

则让其 先通过水-水换热器 提取高品位的热能

换热降温后的热水

再进入水源热泵机组的蒸发器

从冷凝器中 制取供热用热水

以充分利用从地下提取的热量

并减小输配能耗

上述 中深层地热的利用方式

具有“取热不取水” 不破坏地下环境

取热持续稳定 地温恢复快

环境影响低等突出的优点

与水源热泵结合

实现大温差取热

还能够降低热水的输配能耗

因此

在地热能丰富的地区

这种供热方式 必将在今后得到快速的发展

我们 在前面的吸收式制冷与热泵的部分

介绍了吸收式热泵 具有第一类

和第二类两种类型

并介绍了基于第一类吸收式热泵和换热器

结合构建的第一类吸收式热换机组

从它的一次侧和二次侧热水接管方式

和热量传递效果来看

它是一种 传热效能大于1的特殊换热器

我们把它叫做 “吸收式换热器”

将第二类吸收式热泵和换热器结合

也可以构成 第二类吸收式热换机组

它是另一种“吸收式换热器”

因此

吸收式换热器 是第一类吸收式热泵

与第二类吸收式热泵原理的典型应用

第一类吸收式换热器 能将大温差转换为小温差

其目的是

在保证二次网供热温度和温差的前提下

从一次网中 获取更多的热量

并降低一次网的回水温度

第二类吸收式换热器

是利用第二类吸收式热泵原理

利用大量中温余热 制取温度更高的热能

从而实现 余热的收集和品位的提升

实现了 将大流量小温差的中温余热

转换为小流量 大温差热源

利用吸收式换热器

可以实现

流量极不匹配的两股流体之间的高效传热

减少不匹配导致的（火积）耗散

实现低品位余热利用

实现热量的远距离传输

提升热网的供热能力

两类吸收式换热器的单独应用和组合应用后

就成为了像 “变压器”一样的“变温器”

在热电联产和余热利用领域

具有广阔的应用前景

下面 我将对它们的原理

以及应用方式 做进一步说明

这是一个 位于供热站的吸收式换热器

它是 第一类吸收式换热器

例如 供热站的一次网进水温度为90℃

二次网的进 出水温度分别为40℃和50℃

该吸收式换热器 将一次网的回水温度

降至25℃后 再返回一次网的热源

可见

一次网的回水温度 25℃

远远低于二次网的进水温度40℃

其供回水温差 达到了90-25=65℃

显然 这是常规换热器不可能实现的

那它是怎么实现的呢

第一类吸收式换热器

主要由 一个第一类吸收式热泵

和一个如板式换热器的常规换热器 两部分组成

90℃的一次网高温热水

先进入第一类吸收式热泵的发生器中

给吸收式热泵提供高温热源

温度降低至70℃

在发生器中产生的冷剂水蒸气 在冷凝器中冷凝

将一部分二次网的进水 加热到44℃

从发生器流出的一次网中温热水

再进入常规换热器 向二次网放热

温度降至45℃

同时 将另一部分二次网的40℃进水

加热到50℃的供水温度

离开常规换热器的一次网低温热水

再返回吸收式热泵的蒸发器中 进一步放热

温度降低至25℃后 返回一次网的热源

蒸发器产生的冷剂水蒸气 在吸收器中放热

对从冷凝器中流出的44℃的二次网热水

进一步加热

使其达到供水温度50℃

两股二次网的回水 分别经过冷凝器+吸收器

以及 常规换热器

均加热到供水温度50℃

为用户提供所需温度的供暖热水

从上述工作过程 可以看出

常规换热器 仅仅是将从发生器中流出的

一次网的中温热水的热量

通过换热的方式 传递至二次网的一部分热水

而将一次网热水的高温段热水

作为吸收式换热器的高温热源

驱动了一个第一类吸收式热泵 从蒸发器中

进一步吸收 从常规换热器中流出的

低温热水的热量

使一次网的出水温度 降低至25℃

这里给出了 吸收式换热器工作过程的T-Q图

从图中 可以看出

通过一次网热水的高温段

实现了吸收热泵的发生-冷凝过程

中温段热水呢 实现了 换热器的换热过程

一次网的低温段热水

实现了 吸收式热泵的蒸发-吸收过程

这样使得 在冷凝器+吸收器

以及常规换热器中

分别加热了一部分二次网热水

使其温度 均达到供热水温

同时 使一次网热水经过发生器

常规换热器和蒸发器的三级串联换热器

将一次网回水温度

降低至二次网进水温度以下的状态

在理解了上述第一类吸收式换热器后

我们就很容易理解

第二类吸收式换热器的工作原理了

这里给出了 余热的进出水温度

分别为 75℃和70℃

它将进水温度为25℃的二次网热水

加热到90℃的第二类吸收式换热器的例子

从它的总体换热效果 工作原理图

和T-Q图中 可以看出

它以75℃的余热热水为驱动热源

驱动一个第二类吸收式热泵

配合一个常规换热器

将25℃的热水 经三级串联的冷凝器

常规换热器和吸收器加热至90℃

75℃的余热水 分别进入发生器

常规换热器和蒸发器中

吸收式热泵的发生-冷凝过程

为吸收式热泵 提供驱动源

使进入冷凝器中的25℃的低温热水升温

升温后的二次网热水 再与常规换热器进行换热

再经过 吸收式热泵的蒸发-吸收过程

在吸收器中 将流出常规换热器的中温热水

进一步加热至90℃

在工厂等余热丰富的地方

我们可以将 第一类和第二类吸收式换热器

组合应用

就可以 将工厂产生的余热转移到热用户

为用户提供供暖的热源

首先

通过余热采集装置 将余热转化为75℃的热水

在热源站一侧 利用第二类吸收式换热器

将75℃工业余热的热量 转移到一次网中

将25℃的一次网热水 从25℃提升至90℃

再经过热网 将90℃的热水送到换热站内

利用第一类吸收式换热器

为用户输出50℃的热水

同时 将一次网的回水温度降低至25℃

再返回热源站

通过上述过程

在余热源热源站一侧 为小温差大流量

由第二类和第一类吸收式换热器和管道

构成的一次网 为大温差 小流量

在换热站以后

又转换为大流量 小温差

这种系统 这就像变压器输电一样

能够改变热量的品位

因此

我们可称之为 “变温器”

这是一种 实现工业余热利用

减少一次网输配泵耗的重要技术方案

可实现热量的长距离传输

必将成为 未来回收工业余热

实现集中供热的重要方式