VM循環熱泵技術的研究

江 晶 晶

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安　710043)

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VM循環熱泵技術的研究

江 晶 晶

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安710043)

從我國供熱發展的需求出發，對燃氣驅動的基于VM循環的熱泵技術進行了介紹，并分析了其技術可行性，論述了該技術在國內外的研究現狀，指出VM循環熱泵技術具有制熱性能系數高、低溫適應性強、造價及維護費低等特點。

VM熱泵，供熱，節能減排，燃氣

1　研究背景

我國幅員遼闊，各地氣候差異較大，過渡季及冬季供暖需要因地制宜的解決方案。秦嶺—淮河以北多采用熱網集中供熱，熱源包括燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐[1]，以及燃煤或燃氣電廠的熱電聯產(CHP)。北方部分城鎮居民及長江流域大部分地區采用分布式采暖，即以空氣源熱泵、電加熱器為主的局部加熱形式[2]。自20世紀90年代以來，為了解決夏季高峰期供電不足的危機，燃氣空調，即天然氣驅動的吸收式熱泵(直燃機)機組得到了快速發展，在我國占據了一定市場[3]。

分壇主太極虎任意行、副分壇主鬼算盤錢通、少林天問大師、武當紫陽道長和六位灰衣殺手，他們成兩排在聚義堂門前站定。

從熱力學角度來看，制熱性能系數(COP)被定義為用戶得到的熱量與消耗的能源之比，直接反映了熱源的能源轉化效率。無論是電驅動的空氣源熱泵，還是燃氣驅動的吸收式空氣源熱泵，效率相比直接燃燒煤或天然氣等化石燃料的傳統鍋爐均有顯著優勢，然而，這二者均存在一定的技術瓶頸：電驅動的空氣源熱泵在低溫工況下制熱量與效率大幅衰減，為了解決這一問題，目前部分產品采用了電輔熱，但仍無法保證低溫工況下室內的供熱量與熱舒適性，而采用渦旋壓縮機及經濟器，或采用多級循環等改進方案還大多停留在實驗室階段，尚未成熟[4]；吸收式熱泵多用于大型公共建筑，具有體積大、維護成本高、操作復雜等不可忽視的局限性。

在能源緊缺、環境污染、供暖面積大幅擴張等形勢下，亟需一種高效、低污染、氣候適應性強的供熱新方式，燃氣驅動的基于VM循環的熱泵技術正是這樣一種較為理想的供熱新技術。

2　VM循環熱泵技術

VM循環(Vuilleumier，又稱維氏循環)不同于傳統的由機械能或電能驅動的蒸氣壓縮式熱泵循環，是一種由熱能直接驅動的熱泵循環。該技術類似于前文提及的吸收式熱泵技術，從熱力學原理上來看，都是由一個熱機循環帶動一個熱泵循環，由熱能直接驅動的熱泵技術。

綜上所述，我國土建工程發展進程較長，深基坑支護技術應用效果也比較成熟，隨著技術人員開發效果深入，更多施工技術被研究出來，我國疆域遼闊，地貌多樣，為滿足各地區建筑工程要求，提高對工作人員生命安全財產的維護，就需要對應單位在前期設計合理規劃，并投入使用正確的施工技術。

圖1詳細描述了實現VM熱泵循環所需的一種技術方案和其在T—s(溫—熵)圖上對應的循環過程[5，6]。在該系統設計方案中，制冷劑工質被密封，在系統內部循環流動，屬于閉式循環。常見的制冷劑工質都是低臨界溫度的小分子氣體，例如氦氣，以保證在室溫工況下循環遠離兩相區。如圖1所示，熱機循環工作在高溫(Th)和中溫之間(Tm)，熱泵循環工作在中溫(Tm)和低溫(Tc)之間。天然氣在熱腔外部燃燒，向熱腔內的工質輸入熱量，實現從1→2的等溫加熱膨脹過程，與此同時，工質推動活塞膨脹做功，通過曲柄傳遞動力，驅動另一側熱泵的活塞壓縮過程。熱機側工質膨脹后先通過高溫回熱器降溫，再向中溫(Tm)排熱，即向所需制熱室內空間吹熱空氣，提供有用的熱量后流回高溫回熱器吸熱，完成熱機側循環。熱泵側工質從低溫側(冬季和過渡季室外環境)吸熱膨脹，經過冷回熱器被加熱，向中溫(Tm)排熱被壓縮后反向經過冷回熱器流回低溫側，完成熱泵循環。其中，根據設備原理圖，由于兩個活塞通過一個曲柄連接，為了保證熱機循環與熱泵循環有90 ℃，即四分之一個周期的相位差，絕大部分原型機均需要一個耗電非常低的輔助電機來幫助啟動系統，并克服系統內工質流動所需的壓降。

表1　幾種常見的民用供熱系統方案比較

供熱系統性能系數低溫適應性造價及維護技術成熟度污染物VM循環燃氣熱泵1.2～2.2[7,8]強低[7]低NOx為主電驅動空氣源熱泵1.5～2.5[1]弱低中電廠污染燃氣直燃機1.0～1.6[3]中高中NOx為主燃氣鍋爐0.9～0.95[1]強中高NOx為主燃煤鍋爐0.6～0.75[1]強中高碳顆粒電鍋爐(電熱器)0.98～1.0[1]強高高電廠污染

目前仍處于原型機開發階段，市面暫無采用該技術的產品，相比之下，傳統的燃煤、燃氣、電鍋爐產品均非常成熟。

1)制熱性能系數較高。

《右江民族醫學院學報》為國內外公開發行的綜合性學術理論刊物，為雙月刊。本刊主要刊登基礎醫學、臨床醫學、預防醫學、藥學等醫學類以及醫藥類新技術新方法方面的論文。讀者對象為國內外醫藥、衛生、科技人員。

2)低溫適應性強。

Fischer等人[7]在1994年總結了當時VM循環熱泵的發展情況，系統供熱性能系數在1.2～1.4之間。最新的研究表明，部分工況下新型VM熱泵的COP可高達2.2[8]。

目前家用空調，即電驅動的空氣源熱泵最常見的問題就是低溫環境下制熱量不足，電輔熱效率低。因此，VM熱泵在現有電驅動熱泵無法有效工作的地區可以解決供熱問題，提高室內熱舒適性；在熱泵電輔熱長期開啟的寒冷地區可降低供熱能耗。這意味著性能系數大于1的熱泵技術可從長江流域推廣至華北甚至東北地區，為目前熱網沒有覆蓋的地區及新建建筑提供一個全新的供熱技術方案。

6)可用于熱電(冷)聯產系統。

自Vuilleumier于1918年為以其命名的VM循環申請專利[10]以來，國內外就VM循環的熱力循環特性、制冷與熱泵工況下的性能、原型機設計與研發，展開了深入、系統的研究。

由于采用了封閉式系統，相比鍋爐等方案保養容易，運行維護費用低，使用壽命長[7]。相比之下，燃氣驅動的吸收式熱泵由于系統構造復雜，操作困難，不僅初投資高，維護費用也將遠高于VM熱泵。

4)技術有待完善。

如表1所示，相比現有的熱源技術，VM循環熱泵具有以下特點：

5)污染物較少。

二是應適時擴大鉀肥儲備范圍。日前，相關領導以及中國石化聯合會、鉀鹽鉀肥行業分會、中國農資傳媒層多次呼吁將國產鉀肥納入儲備范圍。“鉀肥觀察家”認為，“鉀肥國儲”不僅要擔當調節國內鉀肥市場的“蓄水池”，更深遠的意義在于平衡國際、國內兩個市場，保證供給平穩。應當在流通主渠道發揮優勢的前提下，擴大儲備數量和范圍，特別是將國內開發和境外開發資源統籌規劃，納入儲備機制全盤考量。

以燃氣為代表的幾種供熱方式均面臨著排放NOx污染物的缺點[9]，相比燃氣直燃機及燃氣鍋爐，VM循環燃氣熱泵污染物較少。

第一，企業審計人員要有良好的道德素養，在各類干擾正常工作的行為下要堅持自己的職業道德，不接受任何形式的賄賂，按照相關要求規范操作。

類似于吸收式制冷/熱泵系統，VM熱泵可回收高溫廢熱，可應用于燃氣輪機或小型內燃機的余熱回收，提高系統整體能源利用效率。

3　國內外研究概述

3)造價及維護費低。

青年志愿者活動參與行為調查發現：52.0%的被調查者只有在單位組織的情況下參加志愿活動，18.2%的被調查者只有在特殊時間或節日參加志愿活動；11.3%的被調查者1年只參加1次志愿活動，9.4%的被調查者每月或每2月參加1次志愿活動，6.7%的被調查者每周或每2周參加1次志愿活動[2]。較低的志愿活動參與率導致志愿服務人力資源短缺，醫務志愿者服務隊伍難以形成規模，醫療志愿活動開展受到制約。

丹麥理工的原型機采用了曲柄連接的雙活塞設計，工質為氦氣，研發的首個8 kW熱泵在室外溫度為5 ℃，天然氣驅動溫度為500 ℃～700 ℃時供熱COP可達1.4～1.6[11]。更為系統的測試結果表明，該系統供熱量對室外溫度的降低不敏感，當室外溫度從10 ℃下降至0 ℃時，供熱量下降不到10%，相比電驅動熱泵有顯著優勢[12]。

以三洋電機及三菱電機為代表的日本公司普遍采用自由活塞式設計，即通過工質壓力而非曲柄及機械連桿來傳遞由主動活塞向從動活塞之間的動力[13]，取消曲柄裝置對于減小系統的重量以及減小由于曲柄導熱造成的熱損耗都有積極意義。

德國多特蒙德理工在傳統單級斯特靈熱機的基礎上增加了一個回熱器，可以實現由燃氣驅動的同時輸出機械功(電能)和熱能的復合斯特靈—VM循環系統，并可通過調節工質流量比，調節輸出電能與熱能的比例[14，15]。

近年來，隨著電子控制元器件的進步，美國ThermoLift公司進一步提高了自由活塞設計的性能。精確控制活塞的位移可以進一步優化工質的壓力變化，使實際循環向理論循環更加靠攏。據預測，新一代的原型機將在2016年開始進行長期測試，期待可將現有技術的制熱COP從1.6提高到2.2[8]，為之后的產品化鋪平道路。

建設項目壓覆礦產資源的評估還應進行可否壓覆的評價。評估的重點，是以被壓覆資源近幾年平均價格水平上的經濟價值，與該工程項目產生的社會、經濟、生態效益進行對比，評估壓覆礦產資源的利弊，并給出建設項目是否值得壓覆的建議，為行政主管部門批復項目工程提供依據。

在國內，華北電力大學對VM循環熱泵進行了理論分析，提出了定量分析其性能的唯象模型[5]，在此基礎上研究了以太陽能而非燃氣驅動的熱泵循環效率，進一步考慮了傳熱過程對熱泵效率的影響[16,17]。此外，中科院理化所對VM循環用于制冷的可行性進行了分析，采用數值模擬的方法對熱驅動的VM制冷循環進行了相關計算[17]。

4　結語

隨著天然氣在我國能源結構中地位的上升，由燃氣直接驅動的VM循環熱泵技術在我國的發展極具潛力。VM循環熱泵低溫適應能力強，結構簡單，維護成本低，國外多年實測制熱COP可達1.6，可作為寒冷及嚴寒地區的低溫空氣源熱泵、分布式燃氣鍋爐等的替代技術滿足冬季供熱需求，或作為發電余熱回收技術來構建新型熱電(冷)聯產系統。VM循環多使用低臨界點小分子工質，無溫室氣體或臭氧破壞效應，在丹麥、德國、日本及美國已有多年的研發歷史，從2012年起受到美國能源部的重視，目前正在產品化過程中。我國參與該技術的研究時間短，投入相對較小，在今后仍有大幅提高的空間。

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Research progress of the heat pump based on VM loop

Jiang Jingjing

(ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupLtd.,Xi’an710043,China)

From our heating supply development demand, this paper introduced the heat pump technology of gas-powered based on VM loop, and analyzed the feasibility of its technology, discussed the research status of this technology at home and abroad, pointed out that the VM loop heat pump technology had high heating performance coefficient, low temperature strong adaptability, low cost and maintenance cost and other characteristics.

VM heat pump, heating supply, energy conservation and emissions reduction, gas

1009-6825(2016)08-0154-03

2016-01-07

江晶晶(1989- )，女，助理工程師

TU833

A