吸收式热泵在农村地区余热资源回收中的应用

摘要：在我国农村可以使用吸收式热泵将各种余热资源回收利用。介绍了吸收式热泵的原理，讨论了吸收式热泵在农村地区余热资源回收利用的方式，为农村余热资源的回收利用指出了研究方向。

关键词：吸收式热泵；农村；余热；回收利用

中图分类号：Ｓ２１０．４５；ＴＨ３８文献标识码：Ｂ文章编号：0439－８114（２０11）02－0398-03

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ in Waste Ｈｅａｔ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｉｎ Ｒｕｒａｌ Ａreas

ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｌü－ｌｉｎ，ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｌｅｉ，ＪＩＡＮＧ Ｌｉ

（Department ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Changzhou Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３０１６， Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ rural areas， ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｃｙｃｌｅｄ ｂｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ． Tｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ aｂｓｏｒｐｔｉｏｎ hｅａｔ pｕｍｐ waｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｍｏｄｅ ｏｆ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｉｎ ｒｕｒａｌ ａｒｅａｓ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｉｎ ｒｕｒａｌ ａｒｅａｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： aｂｓｏｒｐｔｉｏｎ hｅａｔ pｕｍｐ； rｕｒａｌ aｒｅａｓ； wａｓｔｅ hｅａｔ； rｅｃｙｃｌｉｎｇ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ

在我国农村有些地区主要以柴禾为生活燃料，而这些燃料的利用率比较低，一般都只有１０％左右。即使采用节能灶，利用率也不到３０％。吸收式热泵以消耗热能为补偿，实现从低温热源向高温热源的泵热过程［１］。与压缩式热泵相比，它突出的优点在于可以直接利用各种热能来驱动，除可以利用燃料燃烧的高势能外，还可以利用自然界中大量存在的低势能，如太阳能、地热、工业废水与乏汽中的余热等。因此利用低级能源驱动的吸收式热泵，不仅具有节能作用，而且能减少温室气体的排放。随着现代农业的高速发展，能源的需求量越来越大。而农村地区很多场合所需要的低温（５０～１３０℃）热能，却是以高热值的一次能源转换获得的，与此同时，大量农业生产中的余热被丢弃，导致能源利用率很低。所以，针对我国农村地区的吸收式热泵节能及应用研究，具有较高的经济效益和环保效益。

１吸收式热泵的工作原理

吸收循环按用途不同可以分为制冷、热泵、热变换器三类，其中后两者都可以称为吸收式热泵。其理论循环如图１所示。通常所说吸收式热泵（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｐｕｍｐｓ，简称ＡＨＰ）指的是第一类吸收式热泵，利用高温热能驱动，回收低温热量，提高能源利用率；第二类吸收式热泵又称吸收式热变换器（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，简称ＡＨＴ），ＡＨＴ利用中低温废热驱动，将部分废热能量转移到更高温位加以利用。

无论是哪一类吸收式热泵，其节能的方法都是充分利用了低级能源，从而减少了高级能源的消耗。因此，利用吸收式热泵回收余热等低级能源，可提高一次能源利用率，同时还可以减少因燃料燃烧产生ＳＯ２、ＮＯ２、烟尘等所造成的环境污染。

吸收式热泵的工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。热泵在工作时，它本身消耗一部分能量，把环境介质中储存的能量加以挖掘，通过传热工质循环系统提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分，因此，采用热泵技术可以节约大量高品位能源。水从高处流向低处，热由高温物体传递到低温物体，这是自然规律。然而，在现实生活中，为了农业灌溉、生活用水等的需要，人们利用水泵将水从低处送到高处。同样，在能源日益紧张的今天，为了回收通常排到大气中的低温热气、排到河川中的低温热水等中的热量，热泵被用来将低温物体中的热能传送至高温物体，然后高温物体来加热水或采暖，使热量得到充分利用。所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体），其供暖利用过程如图２所示（图２中１、２、３为循环水泵）。

２农村地区吸收式热泵的主要应用

２．１水空调的应用

空调器的作用已为人们认识和接受，但其昂贵的价格和巨大的耗电量令广大工薪阶层和普通老百姓可望而不可及。电风扇只用于夏季但不能调节温度，暖气片只用于冬季但制热效果不理想，而水空调是制冷又制热的理想空调。

水空调是利用家庭做饭时炉灶的余热，将升温的热水经过水管送进空调器内蒸发器中，同时空调器内的风机将室内冷空气吸入蒸发器内，利用热力学原理，二者发生能量交换。水将携带的热量经管壁传给翅片并被冷空气吸收，吸热后冷空气温度升高，并由风机吹入室内；放热后的水温度降低并经回水管道重新流回炉内加热。如此往复循环，室内冷空气不断吸收水放出的热量而温度升高，从而实现制热的目的［２］。整个过程因其设计制造带有自循环功能，无需任何辅助动力，自然重力循环，此项功能彻底克服了其他空调依靠泵才能实现循环的弊端。夏季水空调充分利用不超过１７℃的地表水，作为冷源形成良性循环。经表冷器（蒸发器）进行能量交换，可以在炎热高温时吹出２０℃左右的冷风，冷热交换使室内温度控制在２５℃左右，既无任何污染，又极大地节约了电能，耗电量是一般空调（氟利昂）的１／１０［３］。

这项技术的应用有很大的前景，在我国农村，灶炉的使用燃料大多效率低，所以热泵可以大幅度地提高燃料的利用率，同时农村用水也多是地下水，这都为热泵的利用提供了良好的环境。

２．２沼气中的利用

沼气是一种可再生能源，在农村，它的原料来源很广，农业的废弃物、秸秆、生活垃圾等都是其发酵的原料。沼气是一种优质的气体燃料，据试验测定，１ ｍ３沼气完全燃烧可产生约２３ＭＪ的热量，即使按６０％的热效率计算，也相当于０．６～０．７ ｋｇ汽油或４ ｋｇ木材燃烧产生的热值。一口１０ ｍ３的沼气池，一年可产沼气４００ ｍ３，造价仅１ ０００余元，而其产生的热值相当于节省了１ ０００～２ ０００ ｋｇ的煤，或节电２ ０００ ｋＷ·ｈ［４］左右。沼气与液化石油气或煤气的数据比较见表１。沼气的比价最低，热值仅次于液化石油气，原料成本也最低。

所以，如果将农村沼气作为热源驱动吸收式热泵，就可充分发挥两者的节能、环保和经济上的优势，产生较高的经济和环保效益。虽然吸收式热泵与其他供热方式相比，初期投资成本较高，但热效率及一次能源利用率也高于其他供热方式。例如，热泵用于供热的能量约为燃料能量的１．３倍，与燃煤和燃气锅炉相比，供热的一次能源利用率可分别提高１１０％和７５％以上［５］，所以其综合经济效益较高。而且，在我国以煤为主的能源结构和供电效率不高的特定条件下，用沼气作燃料驱动的吸收式热泵的温室气体排放最低，有利于环境保护。

近年来国家为了建设生态化农村，投资建设了很多沼气池。因此，可考虑在条件较好的地区建立一定规模的集中式沼气站，以沼气为燃料驱动较大型吸收式热泵，不仅可解决农村土特产品加工过程中的加热干燥问题，而且有利于改善食品加工中的卫生条件，保证食品的品质，同时又减少了温室气体的排放。据统计，如以沼气为能源并结合各领域的节能技术推广应用于农村地区，农村生产和生活中ＣＯ２和ＳＯ２排放量每年可分别减少１．８２３×１０１０ ｋｇ和７．１３０×１０７ ｋｇ，有利于促进农村生态环境的改善。

２．３热泵热水器的应用

目前市场上热泵热水器种类很多，主要有太阳能助推型、水源和空气源３种系列。太阳能助推式热泵是热泵与太阳能技术结合使用的一种热泵技术；水源热泵是利用一定温度的水源（２０℃以上）作为热源，以制冷剂为媒介，将水源中的热量吸收后经压缩机压缩制热，通过热交换器与冷水交换热量以达到取暖和制取热水的目的，水源热泵必须有一定温度和流量的水源；空气源热泵以水源热泵类似方法从空气中获得热量来加热水［６］。３种热泵中，空气源热泵受到的条件限制最小，发展空间最大，因此这里着重对空气源热泵热水器进行分析讨论，其工作流程如图３所示。

热泵热水器由压缩机、热交换器、轴流风扇、保温水箱、水泵、储液罐、过滤器、电子膨胀阀和电子自动控制器等组成。接通电源后，轴流风扇开始运转，室外空气通过蒸发器进行热交换，温度降低后的空气被风扇排出系统，同时，蒸发器内部的工质吸热汽化被吸入压缩机，压缩机将这种低压工质气体压缩成高温、高压气体送入冷凝器，被水泵强制循环的水也通过冷凝器，被工质加热后送去供用户使用，而工质被冷却成液体，该液体经膨胀阀节流降温后再次流入蒸发器，如此反复循环工作，空气中的热能被不断“泵”送到水中，使保温水箱里的水温逐渐升高，最后达到５５℃左右，正好适合人们洗浴，这就是空气源热泵热水器的基本工作原理［７］。

热泵热水器有许多优点：①高效节能。其输出能量与输入电能之比即能效比（ＣＯＰ）一般在２．００～６．００之间，平均可达到３．００以上，而普通电热水锅炉的ＣＯＰ不大于０．９５，燃气、燃油锅炉的ＣＯＰ一般只有０．６０～０．８０，燃煤锅炉的ＣＯＰ更低，一般只有０．３０～０．７０；②环保无污染。通过吸收环境中的热量来制取热水，所以与传统型的煤、油、气等燃烧加热制取热水方式相比，无任何燃烧外排物，制冷剂对臭氧层零污染，是一种低能耗的环保产品；③运行安全可靠。整个系统的运行无传统热水器（燃油、燃气、燃煤）中可能存在的易燃、易爆、中毒、腐蚀、短路、触电等危险，热水通过高温冷媒与水进行热交换得到，电与水在物理上分离，是一种完全可靠的热水系统；④使用寿命长，维护费用低。使用寿命可长达１５年以上，设备性能稳定，运行安全可靠，并可实现无人操作（全自动化智能程序控制）；⑤可一年四季全天候运行。该机组热源来源广泛，包括阳光、雨水、空气、地下水和土壤等，无论白天、黑夜、室内、室外、地下室，不管晴天、阴天、刮风下雨或下雪都能照常工作。这样简单的操作对农村用户有着重要的意义［８］。

３小结

热泵是回收利用低温热能的有效手段之一，吸收式热泵对能源的合理利用和余热的回收效果显著，从节能和环境保护的角度，开发和推广吸收式热泵十分必要。吸收式热泵在农村地区的节能应用，特别是对农村余热资源的回收利用还有很大的潜力，有待充分的挖掘，一般农业上热能利用率为４０％左右，可回收利用的余热资源约为余热资源的６０％左右，因此吸收式热泵在我国农村地区未来推广应用的市场前景十分广阔。

参考文献：

［１］ 郁永章． 热泵原理与应用［Ｍ］． 北京：机械工业出版社，１９８９．

［２］ 方贵银． 空气——水热泵系统的节能分析［Ｊ］． 安徽工学院学报，１９９５，１４（３）：３７－４０．

［３］ 韩厚德，卢士勋． 地下冷源在制冷空调工程中的应用研究［Ｊ］． 制冷学报，１９９７（２）：１７－２１．

［４］ 崔文富． 直燃型溴化锂吸收式制冷工程设计［Ｍ］． 北京：中国建筑工业出版社，２０００．

［５］ 王其荣． 发展沼气是可持续发展的有效途径［Ｊ］． 技术经济， ２００２（３）：１０－１２．

［６］ 荆有印，王保生，刘同欣，等． 热泵循环的分析与研究［Ｊ］． 暖通空调，２００５，３５（１）：４７－４８．

［７］ 王越． 机械驱动式分离型热管－热环的研究［Ｄ］． 天津：天津轻工业学院，２０００．

［８］ 孙立香． 双源供暖系统的研究［Ｄ］． 北京：华北电力大学，２００１．

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