維勒米爾循環

維勒米爾循環(Vuilleumier，又稱維氏循環，VM循環)不同於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。該技術類似於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。 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。 VM循環熱泵功率在幾千瓦到幾十千瓦之間，與這些小容量家庭用戶的冷熱負荷匹配;VM循環熱泵採用自然工質氦氣或氮氣等作為工作介質，環保性好;VM循環熱泵採用熱能驅動，可以有效利用餘熱資源，分布能源系統中的餘熱煙氣可以被VM循環熱泵有效利用。

基本介紹

• 中文名：維勒米爾循環
• 外文名：Vuilleumier cycle
• 提出者：維勒米爾
• 提出時間：1918年
• 別稱：維氏循環、VM循環
• 領域：熱力工程

提出歷史

VM循環熱泵最早在1918年由維勒米爾(R. Vuilleumier)提出，是一種效率高、結構緊湊的熱泵。 VM循環熱泵功率在幾千瓦到幾十千瓦之間，與這些小容量家庭用戶的冷熱負荷匹配;VM循環熱泵採用自然工質氦氣或氮氣等作為工作介質，環保性好;VM循環熱泵採用熱能驅動，可以有效利用餘熱資源，分布能源系統中的餘熱煙氣可以被VM循環熱泵有效利用。通過以上分析可知，系統採用VM循環熱泵可以滿足用戶的冷熱負荷需求，並且可以實現能量的梯級利用，顯示了VM循環熱泵在分散式能源系統中有一定套用前景。

國內外研究概述

自Vuilleumier於1918年為以其命名的VM循環申請專利以來，國內外就VM循環的熱力循環特性、製冷與熱泵工況下的性能、原型機設訓一與研發，展開了深入、系統的研究。
丹麥理工的原型機採用了曲柄連線的雙活塞設計，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℃一700℃時供熱COP可達1.4一1.6。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。
以三洋電機及三菱電機為代表的日本公司普遍採用自由活塞式設計，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回，取消曲柄裝置對於減小系統的重量以及減小由於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)和熱能的複合斯特靈一VM循環系統，並可通過調節工質流量比，調節輸出電能與熱能的比例。
近年來，隨著電子控制元器件的進步，關國ThermoLift公司進一步提高了自由活塞設訓一的性能。精確控制活塞的位移可以進一步最佳化工質的壓力變化，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，為之後的產品化鋪平道路。
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，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。此外，中科院理化所對VM循環用於製冷的可行性進行了分析，採用數值模擬的方法對熱驅動的VM製冷循環進行了相關計算。

VM循環熱泵技術

VM循環(Vuilleumier，又稱維氏循環)不同於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。該技術類似於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。
圖1詳細描述了實現VM熱泵循環所需的一種技術方案。在該系統設計方案中，製冷劑工質被密封，在系統內部循環流動，屬於閉式循環。常見的製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( T,)和中溫之間(T, }，熱泵循環工作在中溫( T,)和低溫( T)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。熱機側工質膨脹後先通過高溫回熱器降溫，再向中溫( T,)排熱，即向所需制熱室內空間吹熱空氣，提供有用的熱量後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( T,)排熱被壓縮後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，由於兩個活塞通過一個曲柄連線，為了保證熱機循環與熱泵循環有90 0C，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，並克服系統內工質流動所需的壓降。

VM熱泵循環

VM循環熱泵的特點

制熱性能係數較高

Fischer等在1994年總結了當時VM循環熱泵的發展情況，系統供熱性能係數在1.2一1.4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 。

低溫適應性強

口前家用空調，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。這意味著性能係數大於1的熱泵技術可從長江流域推廣至華北甚至東北地區，為口前熱網沒有覆蓋的地區及新建建築提供一個全新的供熱技術方案。

造價及維護費低

由於採用了封閉式系統，相比鍋爐等方案保養容易，運行護費用低，使用壽命長。相比之下，燃氣驅動的吸收式熱泵由於系統構造複雜，操作困難，不僅初投資高，維護費用也將遠高於VM熱泵。

技術有待完善

口前仍處於原型機開發階段，市而暫無採用該技術的產品，相比之下，傳統的燃煤、燃氣、電鍋爐產品均非常成熟。

污染物較少

以燃氣為代表的幾種供熱方式均而臨著排放NO污染物的缺點回，相比燃氣直燃機及燃氣鍋爐，VM循環燃氣熱泵污染物較少。

可用於熱電(冷)聯產系統

類似於吸收式製冷/熱泵系統，VM熱泵可回收高溫廢熱，可套用於燃氣輪機或小型內燃機的餘熱回收，提高系統整體能源利用效率。

採用VM循環熱泵的分散式能源系統

採用VM循環熱泵的分散式能源系統布置方式，系統主要包括微型燃氣輪機、VM循環熱泵、換熱器、四通閥、水泵以及風機盤管系統等。主要工作過程為:燃料和空氣被微型燃氣輪機利用發電供給用戶，微型燃氣輪機排出的煙氣驅動VM循環熱泵進行工作，VM循環熱泵高溫腔排出的煙氣進一步與換熱器1換熱，最後煙氣排放到大氣中。

冬季供暖時，風機盤管出口水先經過VM循環熱泵室溫腔進行換熱，經過風機盤管將熱量供給用戶。埋管換熱器出口水經過VM循環熱泵的冷腔換熱，最後回到埋管換熱器換熱。夏季時，風機盤管出口水經過VM循環熱泵的冷腔換熱，然後經過風機盤管將冷量供給用戶。埋管換熱器出口水經過VM循環熱泵室溫腔換熱，然後回到埋管換熱器換熱。其中風機盤管和埋管換熱器水循環迴路的換熱路徑通過兩個四通閥進行調節。

展望

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、分散式燃氣鍋爐等的替代技術滿足冬季供熱需求，或作為發電餘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、日本及關國已有多年的研發歷史，從2012年起受到關國能源部的重視，口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，在今後仍有大幅提高的空間。