[科普中国]-维勒米尔循环

提出历史

VM循环热泵最早在1918年由维勒米尔(R. Vuilleumier)提出，是一种效率高、结构紧凑的热泵。 VM循环热泵功率在几千瓦到几十千瓦之间，与这些小容量家庭用户的冷热负荷匹配;VM循环热泵采用自然工质氦气或氮气等作为工作介质，环保性好;VM循环热泵采用热能驱动，可以有效利用余热资源，分布能源系统中的余热烟气可以被VM循环热泵有效利用2。通过以上分析可知，系统采用VM循环热泵可以满足用户的冷热负荷需求，并且可以实现能量的梯级利用，显示了VM循环热泵在分布式能源系统中有一定应用前景。

国内外研究概述
自Vuilleumier于1918年为以其命名的VM循环申请专利以来，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、原型机设训一与研发，展开了深入、系统的研究3。
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℃一700℃时供热COP可达1.4一1.6。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。
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回，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3，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一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。
近年来，随着电子控制元器件的进步，关国ThermoLift公司进一步提高了自由活塞设训一的性能。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，为之后的产品化铺平道路。
在国内，华北电力大学1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，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。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。

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4。
图1详细描述了实现VM热泵循环所需的一种技术方案。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( T,)和中温之间(T, }，热泵循环工作在中温( T,)和低温( T)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( T,)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( T,)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 0C，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。

VM循环热泵的特点制热性能系数较高
Fischer等在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1.2一1.4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 5。

低温适应性强
口前家用空调，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，为口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。

造价及维护费低
由于采用了封闭式系统，相比锅炉等方案保养容易，运行护费用低，使用寿命长。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。

技术有待完善
口前仍处于原型机开发阶段，市而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。

污染物较少
以燃气为代表的几种供热方式均而临着排放NO污染物的缺点回，相比燃气直燃机及燃气锅炉，VM循环燃气热泵污染物较少。

可用于热电(冷)联产系统
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。

采用VM循环热泵的分布式能源系统
采用VM循环热泵的分布式能源系统布置方式，系统主要包括微型燃气轮机、VM循环热泵、换热器、四通阀、水泵以及风机盘管系统等。主要工作过程为:燃料和空气被微型燃气轮机利用发电供给用户，微型燃气轮机排出的烟气驱动VM循环热泵进行工作，VM循环热泵高温腔排出的烟气进一步与换热器1换热，最后烟气排放到大气中1。

冬季供暖时，风机盘管出口水先经过VM循环热泵室温腔进行换热，经过风机盘管将热量供给用户。埋管换热器出口水经过VM循环热泵的冷腔换热，最后回到埋管换热器换热。夏季时，风机盘管出口水经过VM循环热泵的冷腔换热，然后经过风机盘管将冷量供给用户。埋管换热器出口水经过VM循环热泵室温腔换热，然后回到埋管换热器换热。其中风机盘管和埋管换热器水循环回路的换热路径通过两个四通阀进行调节。

展望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1.63，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、日本及关国已有多年的研发历史，从2012年起受到关国能源部的重视，口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。