VM循环热泵技术的研究

江 晶 晶

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安　710043)



VM循环热泵技术的研究

江 晶 晶

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安710043)

从我国供热发展的需求出发，对燃气驱动的基于VM循环的热泵技术进行了介绍，并分析了其技术可行性，论述了该技术在国内外的研究现状，指出VM循环热泵技术具有制热性能系数高、低温适应性强、造价及维护费低等特点。

VM热泵，供热，节能减排，燃气

1　研究背景

我国幅员辽阔，各地气候差异较大，过渡季及冬季供暖需要因地制宜的解决方案。秦岭—淮河以北多采用热网集中供热，热源包括燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉[1]，以及燃煤或燃气电厂的热电联产(CHP)。北方部分城镇居民及长江流域大部分地区采用分布式采暖，即以空气源热泵、电加热器为主的局部加热形式[2]。自20世纪90年代以来，为了解决夏季高峰期供电不足的危机，燃气空调，即天然气驱动的吸收式热泵(直燃机)机组得到了快速发展，在我国占据了一定市场[3]。

分坛主太极虎任意行、副分坛主鬼算盘钱通、少林天问大师、武当紫阳道长和六位灰衣杀手，他们成两排在聚义堂门前站定。

从热力学角度来看，制热性能系数(COP)被定义为用户得到的热量与消耗的能源之比，直接反映了热源的能源转化效率。无论是电驱动的空气源热泵，还是燃气驱动的吸收式空气源热泵，效率相比直接燃烧煤或天然气等化石燃料的传统锅炉均有显著优势，然而，这二者均存在一定的技术瓶颈：电驱动的空气源热泵在低温工况下制热量与效率大幅衰减，为了解决这一问题，目前部分产品采用了电辅热，但仍无法保证低温工况下室内的供热量与热舒适性，而采用涡旋压缩机及经济器，或采用多级循环等改进方案还大多停留在实验室阶段，尚未成熟[4]；吸收式热泵多用于大型公共建筑，具有体积大、维护成本高、操作复杂等不可忽视的局限性。

在能源紧缺、环境污染、供暖面积大幅扩张等形势下，亟需一种高效、低污染、气候适应性强的供热新方式，燃气驱动的基于VM循环的热泵技术正是这样一种较为理想的供热新技术。

2　VM循环热泵技术

VM循环(Vuilleumier，又称维氏循环)不同于传统的由机械能或电能驱动的蒸气压缩式热泵循环，是一种由热能直接驱动的热泵循环。该技术类似于前文提及的吸收式热泵技术，从热力学原理上来看，都是由一个热机循环带动一个热泵循环，由热能直接驱动的热泵技术。

综上所述，我国土建工程发展进程较长，深基坑支护技术应用效果也比较成熟，随着技术人员开发效果深入，更多施工技术被研究出来，我国疆域辽阔，地貌多样，为满足各地区建筑工程要求，提高对工作人员生命安全财产的维护，就需要对应单位在前期设计合理规划，并投入使用正确的施工技术。

图1详细描述了实现VM热泵循环所需的一种技术方案和其在T—s(温—熵)图上对应的循环过程[5，6]。在该系统设计方案中，制冷剂工质被密封，在系统内部循环流动，属于闭式循环。常见的制冷剂工质都是低临界温度的小分子气体，例如氦气，以保证在室温工况下循环远离两相区。如图1所示，热机循环工作在高温(Th)和中温之间(Tm)，热泵循环工作在中温(Tm)和低温(Tc)之间。天然气在热腔外部燃烧，向热腔内的工质输入热量，实现从1→2的等温加热膨胀过程，与此同时，工质推动活塞膨胀做功，通过曲柄传递动力，驱动另一侧热泵的活塞压缩过程。热机侧工质膨胀后先通过高温回热器降温，再向中温(Tm)排热，即向所需制热室内空间吹热空气，提供有用的热量后流回高温回热器吸热，完成热机侧循环。热泵侧工质从低温侧(冬季和过渡季室外环境)吸热膨胀，经过冷回热器被加热，向中温(Tm)排热被压缩后反向经过冷回热器流回低温侧，完成热泵循环。其中，根据设备原理图，由于两个活塞通过一个曲柄连接，为了保证热机循环与热泵循环有90 ℃，即四分之一个周期的相位差，绝大部分原型机均需要一个耗电非常低的辅助电机来帮助启动系统，并克服系统内工质流动所需的压降。

表1　几种常见的民用供热系统方案比较

供热系统性能系数低温适应性造价及维护技术成熟度污染物VM循环燃气热泵1.2～2.2[7,8]强低[7]低NOx为主电驱动空气源热泵1.5～2.5[1]弱低中电厂污染燃气直燃机1.0～1.6[3]中高中NOx为主燃气锅炉0.9～0.95[1]强中高NOx为主燃煤锅炉0.6～0.75[1]强中高碳颗粒电锅炉(电热器)0.98～1.0[1]强高高电厂污染

目前仍处于原型机开发阶段，市面暂无采用该技术的产品，相比之下，传统的燃煤、燃气、电锅炉产品均非常成熟。

1)制热性能系数较高。

《右江民族医学院学报》为国内外公开发行的综合性学术理论刊物，为双月刊。本刊主要刊登基础医学、临床医学、预防医学、药学等医学类以及医药类新技术新方法方面的论文。读者对象为国内外医药、卫生、科技人员。

2)低温适应性强。

Fischer等人[7]在1994年总结了当时VM循环热泵的发展情况，系统供热性能系数在1.2～1.4之间。最新的研究表明，部分工况下新型VM热泵的COP可高达2.2[8]。

目前家用空调，即电驱动的空气源热泵最常见的问题就是低温环境下制热量不足，电辅热效率低。因此，VM热泵在现有电驱动热泵无法有效工作的地区可以解决供热问题，提高室内热舒适性；在热泵电辅热长期开启的寒冷地区可降低供热能耗。这意味着性能系数大于1的热泵技术可从长江流域推广至华北甚至东北地区，为目前热网没有覆盖的地区及新建建筑提供一个全新的供热技术方案。

6)可用于热电(冷)联产系统。

自Vuilleumier于1918年为以其命名的VM循环申请专利[10]以来，国内外就VM循环的热力循环特性、制冷与热泵工况下的性能、原型机设计与研发，展开了深入、系统的研究。

由于采用了封闭式系统，相比锅炉等方案保养容易，运行维护费用低，使用寿命长[7]。相比之下，燃气驱动的吸收式热泵由于系统构造复杂，操作困难，不仅初投资高，维护费用也将远高于VM热泵。

4)技术有待完善。

如表1所示，相比现有的热源技术，VM循环热泵具有以下特点：

5)污染物较少。

二是应适时扩大钾肥储备范围。日前，相关领导以及中国石化联合会、钾盐钾肥行业分会、中国农资传媒层多次呼吁将国产钾肥纳入储备范围。“钾肥观察家”认为，“钾肥国储”不仅要担当调节国内钾肥市场的“蓄水池”，更深远的意义在于平衡国际、国内两个市场，保证供给平稳。应当在流通主渠道发挥优势的前提下，扩大储备数量和范围，特别是将国内开发和境外开发资源统筹规划，纳入储备机制全盘考量。

以燃气为代表的几种供热方式均面临着排放NOx污染物的缺点[9]，相比燃气直燃机及燃气锅炉，VM循环燃气热泵污染物较少。

第一，企业审计人员要有良好的道德素养，在各类干扰正常工作的行为下要坚持自己的职业道德，不接受任何形式的贿赂，按照相关要求规范操作。

类似于吸收式制冷/热泵系统，VM热泵可回收高温废热，可应用于燃气轮机或小型内燃机的余热回收，提高系统整体能源利用效率。

3　国内外研究概述

3)造价及维护费低。

青年志愿者活动参与行为调查发现：52.0%的被调查者只有在单位组织的情况下参加志愿活动，18.2%的被调查者只有在特殊时间或节日参加志愿活动；11.3%的被调查者1年只参加1次志愿活动，9.4%的被调查者每月或每2月参加1次志愿活动，6.7%的被调查者每周或每2周参加1次志愿活动[2]。较低的志愿活动参与率导致志愿服务人力资源短缺，医务志愿者服务队伍难以形成规模，医疗志愿活动开展受到制约。

丹麦理工的原型机采用了曲柄连接的双活塞设计，工质为氦气，研发的首个8 kW热泵在室外温度为5 ℃，天然气驱动温度为500 ℃～700 ℃时供热COP可达1.4～1.6[11]。更为系统的测试结果表明，该系统供热量对室外温度的降低不敏感，当室外温度从10 ℃下降至0 ℃时，供热量下降不到10%，相比电驱动热泵有显著优势[12]。

以三洋电机及三菱电机为代表的日本公司普遍采用自由活塞式设计，即通过工质压力而非曲柄及机械连杆来传递由主动活塞向从动活塞之间的动力[13]，取消曲柄装置对于减小系统的重量以及减小由于曲柄导热造成的热损耗都有积极意义。

德国多特蒙德理工在传统单级斯特灵热机的基础上增加了一个回热器，可以实现由燃气驱动的同时输出机械功(电能)和热能的复合斯特灵—VM循环系统，并可通过调节工质流量比，调节输出电能与热能的比例[14，15]。

近年来，随着电子控制元器件的进步，美国ThermoLift公司进一步提高了自由活塞设计的性能。精确控制活塞的位移可以进一步优化工质的压力变化，使实际循环向理论循环更加靠拢。据预测，新一代的原型机将在2016年开始进行长期测试，期待可将现有技术的制热COP从1.6提高到2.2[8]，为之后的产品化铺平道路。

建设项目压覆矿产资源的评估还应进行可否压覆的评价。评估的重点，是以被压覆资源近几年平均价格水平上的经济价值，与该工程项目产生的社会、经济、生态效益进行对比，评估压覆矿产资源的利弊，并给出建设项目是否值得压覆的建议，为行政主管部门批复项目工程提供依据。

在国内，华北电力大学对VM循环热泵进行了理论分析，提出了定量分析其性能的唯象模型[5]，在此基础上研究了以太阳能而非燃气驱动的热泵循环效率，进一步考虑了传热过程对热泵效率的影响[16,17]。此外，中科院理化所对VM循环用于制冷的可行性进行了分析，采用数值模拟的方法对热驱动的VM制冷循环进行了相关计算[17]。

4　结语

随着天然气在我国能源结构中地位的上升，由燃气直接驱动的VM循环热泵技术在我国的发展极具潜力。VM循环热泵低温适应能力强，结构简单，维护成本低，国外多年实测制热COP可达1.6，可作为寒冷及严寒地区的低温空气源热泵、分布式燃气锅炉等的替代技术满足冬季供热需求，或作为发电余热回收技术来构建新型热电(冷)联产系统。VM循环多使用低临界点小分子工质，无温室气体或臭氧破坏效应，在丹麦、德国、日本及美国已有多年的研发历史，从2012年起受到美国能源部的重视，目前正在产品化过程中。我国参与该技术的研究时间短，投入相对较小，在今后仍有大幅提高的空间。

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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，助理工程师

TU833

A