熱泵技術(shù)

上海理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院 戴 睿 王麗慧同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 吳喜平

熱泵技術(shù)

上海理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院 戴 睿 王麗慧同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 吳喜平

熱泵技術(shù)是近年來(lái)全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)。熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經(jīng)過電力做功，提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。該文從介紹熱泵的定義入手，將熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分類并分析其主要特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，進(jìn)而分析熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)保效益。

熱泵系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)分析；節(jié)能

1 熱泵的定義

1.1 制冷機(jī)

（1）物質(zhì)相變和特點(diǎn)

在大自然界中，物質(zhì)通常有三種狀態(tài)，從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)我們稱之為物質(zhì)的相變。

相變的形式有四種：固←→液；液←→汽；固←→汽；固←→固。相變過程是等溫或近似等溫過程。相變過程中伴有能量的吸收或釋放，這部分能量稱為相變潛熱。相變潛熱一般較大，以水為例：

固→液 溶解熱：90kcal/kg（1atm，0℃）

液→氣 汽化熱：539 kcal/kg（1atm，0℃）

相變過程是一伴隨有較大能量吸收或釋放的等溫或近似等溫過程，因此它有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。例如制冷機(jī)就是利用制冷劑液→汽相變來(lái)達(dá)到制冷的目的；而冰蓄冷空調(diào)技術(shù)是利用水的液→固相變來(lái)達(dá)到最大限度蓄冷的目的。

（2）活塞壓縮制冷的基本原理

活塞壓縮制冷的基本原理是利用制冷劑如氟利昂或者氨的相變，即由汽態(tài)變成液態(tài)而放熱；液態(tài)變成汽態(tài)而吸熱的原理來(lái)達(dá)到制冷目的。

圖1所示是活塞壓縮式制冷機(jī)的基本組成主要四大件，即壓縮機(jī)1，冷凝器2，節(jié)流閥3和蒸發(fā)器4。汽態(tài)的制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮，溫度升高，壓力加大。被壓縮的汽態(tài)制冷劑接著流向冷凝器，在冷凝器內(nèi)制冷劑被冷卻水冷卻，在一定壓力下在冷凝器內(nèi)變成液態(tài)。經(jīng)過節(jié)流閥，制冷劑壓力降低。此后，制冷劑迅速汽化，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收冷凍水大量的熱量，冷凍水溫度降低，從而達(dá)到制冷目的。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收大量熱量后，全部汽化。汽態(tài)的制冷劑再進(jìn)入壓縮機(jī)，這樣周而復(fù)始的循環(huán)不斷產(chǎn)生冷量。

圖1 壓縮制冷機(jī)的工作原理

1.2 熱泵與制冷機(jī)的關(guān)系

制冷機(jī)在工作時(shí)，實(shí)際上同時(shí)產(chǎn)生熱量（冷凝器）和冷量（蒸發(fā)器），冬季能有效利用其熱量，夏天能有效利用其冷量的裝置稱為熱泵。如圖2所示，如果用一只四通換向閥來(lái)控制改變制冷劑在裝置中的流向，就可以達(dá)到夏季對(duì)室內(nèi)制冷、冬季對(duì)室內(nèi)供熱的目的。

圖2 熱泵裝置

熱泵的供熱系數(shù)恒大于1，他優(yōu)于其他供暖裝置（如電加熱器等）之處就在于消耗同樣多的機(jī)械功對(duì)室內(nèi)供暖可比用其他方法得到更多的熱量，即除了由機(jī)械功所轉(zhuǎn)換的熱量外還包括制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量。

2 熱泵的分類

按照不同的工作原理、驅(qū)動(dòng)形式、用途等，熱泵可以分成很多類型。

2.1 按熱源和熱匯(熱分配系統(tǒng))分類

（1）空氣-空氣熱泵。

以一側(cè)的空氣（或廢氣）為吸熱或放熱對(duì)象、以另一側(cè)的空氣（或氣體）為供熱或供冷對(duì)象的熱泵。以空氣作為熱源或冷熱源時(shí)使用很方便?？紤]當(dāng)室外氣溫較低時(shí)室外側(cè)熱交換器的除霜，多采用輔助熱源，以提高冬季供熱性能?？諝?空氣熱泵式空調(diào)器，冬天供熱，夏天制冷,詳見圖3。

圖3 空氣—空氣熱泵系統(tǒng)圖

（2）空氣-水熱泵。

以空氣（或氣體）為吸熱或放熱對(duì)象、以水為供熱或供冷對(duì)象的熱泵。目前空氣-水熱泵式冷熱水機(jī)組是如今辦公大樓集中式空調(diào)系統(tǒng)使用較多的冷熱源兼用型一體化設(shè)備，其單機(jī)容量范圍為20～1000kW。詳見圖4。

圖4 空氣—水熱泵系統(tǒng)圖

（3）水-空氣熱泵。

以水（如河水、地下水、廢熱水等）為吸熱或放熱對(duì)象、以空氣（或氣體）為供熱或供冷對(duì)象的熱泵。詳見圖5。

圖5 水—空氣熱泵系統(tǒng)圖

（4）水-水熱泵。

以水（如河水、地下水、熱污水、工業(yè)冷卻水等）為吸熱或放熱對(duì)象、以水為供熱或供冷對(duì)象的熱泵。可用于向室內(nèi)的采暖裝置供應(yīng)熱水,供應(yīng)生活用熱水等。目前已有整裝機(jī)組，可供應(yīng)多種溫度的家庭熱水。由于水的比熱大，便于輸送，因此也適用于建筑物的集中供熱系統(tǒng)。目前已有很多應(yīng)用實(shí)例。詳見圖6。

圖6 水—水熱泵系統(tǒng)圖

（5）土壤-水熱泵（大地耦合式熱泵）。

以土壤為吸熱或放熱對(duì)象、以水為供熱或供冷對(duì)象的熱泵。由于地下土壤溫度比較穩(wěn)定，將盤管埋入土壤中，夏季可以降低冷凝溫度，冬季可以提高蒸發(fā)溫度，所以能效比較高。除了埋地盤管外換熱方式不同，裝置的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)水-水熱泵。作為典型的淺層地?zé)崮芾玫募夹g(shù)，目前已有廣泛工程應(yīng)用。

（6）土壤-空氣熱泵（大地耦合式熱泵）。

以土壤為吸熱或放熱對(duì)象、以空氣為供熱或供冷對(duì)象的熱泵。其余與土壤-水熱泵相同。詳見圖7。

圖7 大地耦合式熱泵

2.2 按全年所用的采暖機(jī)組數(shù)目分類

根據(jù)當(dāng)?shù)厮赜械模蛘咴谀撤N情況下給定的能源關(guān)系，有時(shí)選擇熱泵全單獨(dú)供熱，或者與一臺(tái)或幾臺(tái)機(jī)組一起供熱。按照運(yùn)行方式分類如下：

（1）單一熱泵，由該熱泵供應(yīng)全年所需的熱量。

（2）雙聯(lián)熱泵

1）交替運(yùn)行：熱泵僅在一年的部分時(shí)間供應(yīng)有用熱量，在其余時(shí)間.則由另一供熱裝置供應(yīng)能量；

2）并聯(lián)運(yùn)行：熱泵只在一年的一段時(shí)間單獨(dú)供給所需的有用熱量，在其余的時(shí)間里，熱泵仍然保持運(yùn)行，但是需要由其他的供熱裝置輔助供給能量、以滿足對(duì)熱量的峰值要求。

（3）三聯(lián)熱泵：熱泵滿足部分供熱需要，而由另外兩臺(tái)供熱裝置(例如采暖鍋爐和太陽(yáng)能裝置)供給所需的其余熱量(三聯(lián)方式)。

3 熱泵技術(shù)的主要特點(diǎn)及使用場(chǎng)合

3.1 熱泵技術(shù)的主要特點(diǎn)

熱泵機(jī)組既可以進(jìn)行制冷，又可以進(jìn)行供熱。熱泵機(jī)組供熱的主要特點(diǎn)是：高效、節(jié)能、環(huán)保、安全。無(wú)燃燒，無(wú)電器推動(dòng)元件，絕對(duì)安全；無(wú)任何廢氣、廢水、廢渣排放，絕對(duì)環(huán)保，熱泵機(jī)組全年平均運(yùn)行成本只需電直接加熱的1/4，燃油、燃?xì)饧訜岬?/3～1/2，常規(guī)太陽(yáng)能的1/1.5。

（1）空氣源熱泵，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。由于冬季供熱時(shí)可省去鍋爐房，夏季供冷時(shí)省去冷卻水系統(tǒng)(包括冷卻塔、冷卻水泵、管網(wǎng)及水處理設(shè)備)，布置十分方便，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但它也有不少的缺點(diǎn)：

1）空氣熱容量小。為了從空氣中獲得所需熱量，換熱器體積大，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也大。

2）空氣溫度變化大。冬季，其制熱量隨室外空氣溫度降低而減少，而在夏季，制冷量隨室外空氣溫度升高而減少，這與建筑熱負(fù)荷需求趨勢(shì)正好相反。

3）當(dāng)室外側(cè)換熱器表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，且低于0℃時(shí)，換熱器表面會(huì)結(jié)霜，需要定期除霜，這也要消耗大量的能量，在除霜過程中，壓縮機(jī)及四通閥的穩(wěn)定運(yùn)行受到影響。

（2）水源熱泵，其主要優(yōu)點(diǎn)有：

1）機(jī)組效率高，設(shè)備緊湊。水的溫度一般較穩(wěn)定，且冬季水溫高于大氣溫度，夏季水溫低于大氣溫度。因此，機(jī)組運(yùn)行工況良好，其制熱、制冷系數(shù)均高于空氣源熱泵。

2）機(jī)組運(yùn)行可靠，不存在冬季制熱運(yùn)行時(shí)室外機(jī)結(jié)霜問題。

水源熱泵的主要缺點(diǎn)是受當(dāng)?shù)厮Y源因素影響，應(yīng)用場(chǎng)合受到限制;其初投資一般也較大。

（3）地源熱泵，它的優(yōu)點(diǎn)有：

1）屬可再生能源利用技術(shù)。儲(chǔ)存于地表淺層的地?zé)崾且环N可再生能源，土壤源熱泵正是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的空調(diào)系統(tǒng)。且這種空調(diào)系統(tǒng)不受地域、資源等限制。

2）屬高效、經(jīng)濟(jì)的節(jié)能技術(shù)。由于地表5米以下溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，夏季比環(huán)境空氣溫度低，冬季比環(huán)境空氣溫度高，是熱泵很好的冷/熱源。這種溫度特性使得土壤源熱泵比傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高，節(jié)能效果明顯，運(yùn)行更加可靠、穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，機(jī)組制冷制熱系數(shù)要高出40%，可達(dá)到4.0～4.5。

3.2 熱泵技術(shù)使用場(chǎng)合

空氣源熱泵使用場(chǎng)合十分廣泛，可廣泛應(yīng)用于工廠,家庭、商業(yè)等領(lǐng)域，可用于公寓、別墅、學(xué)校、醫(yī)院、辦公樓、賓館酒店等多種建筑?？諝庠礋岜迷谖覈?guó)長(zhǎng)江流域的夏熱冬冷地區(qū)正得到了大力的推廣應(yīng)用。但是在黃河流域及北方寒冷地區(qū)，冬季由于室外溫度低于-5℃時(shí)，出水溫度降低，熱備出力降低，仍按傳統(tǒng)模式，由空氣熱泵與風(fēng)機(jī)管組成的空調(diào)系統(tǒng)就難于產(chǎn)生足夠的可用于采暖的熱風(fēng)。

水源熱泵，理論上可以利用一切的水資源，其實(shí)在實(shí)際工程中，不同的水資源利用的成本差異是相當(dāng)大的。所以在不同的地區(qū)是否有合適的水源成為水源熱泵應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵。目前的水源熱泵利用方式中，閉式系統(tǒng)一般成本比較高，而開式系統(tǒng)，能否尋找到合適的水源就成為使用水源熱泵的限制條件。對(duì)開式系統(tǒng)，水源要求必須滿足一定的溫度、水量和清潔度。此外，對(duì)于不同的建筑負(fù)荷特性，所需要的水體情況不一致，水體的冷熱品質(zhì)和水體的物理特性決定了水源熱泵機(jī)組是否可以正常運(yùn)行。若水體條件較差，與建筑的負(fù)荷特性不匹配，就可能不能采用水源熱泵系統(tǒng)。因此，水體的熱物理性質(zhì)決定了并非所有項(xiàng)目都適合水源熱泵系統(tǒng)。

地源熱泵的使用場(chǎng)合相當(dāng)?shù)膹V泛，可用于醫(yī)院、辦公樓、商場(chǎng)等多種建筑。但是實(shí)施需要具備的一定的基本條件：首先、同時(shí)具有冬夏空調(diào)負(fù)荷，并且年冷熱負(fù)荷較接近時(shí)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的持久運(yùn)行有利。其次、當(dāng)?shù)氐叵峦寥罍囟仍?3～19℃之間時(shí)土壤換熱器有較好的冬夏取放熱特性，這個(gè)范圍基本包括我國(guó)大部分夏熱冬冷地區(qū)和京津唐地區(qū)，但在東北和華南采用熱泵并不合適，其冷熱負(fù)荷差異過大，熱泵冬夏兩用效能難以發(fā)揮且土壤熱平衡難以保證。再者、使用空調(diào)系統(tǒng)地區(qū)100 m范圍內(nèi)應(yīng)不存在較厚的礫石等堅(jiān)硬地層，存在保水性好的砂土層對(duì)于實(shí)施土壤源熱泵最為有利。最后、項(xiàng)目具備合適的土壤換熱器布置面積，但是不能為了埋設(shè)較多的土壤換熱器而減小合理的土壤換熱器間距，否則不但土壤換熱器的出力會(huì)下降而且會(huì)惡化土壤換熱器的持久運(yùn)行特性。

3.3 熱泵技術(shù)的節(jié)能特點(diǎn)

熱泵作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源方式，近十年來(lái)，得到了廣泛的應(yīng)用，除了其方便之外，更重要的是它的節(jié)能。眾所周知，制冷機(jī)工作時(shí)，就是把低溫端的熱量（蒸發(fā)器）拿到高溫端（冷凝器）去，在其他條件不變的情況下，高、低溫端的溫差小則制冷（制熱）量就大。夏季空氣溫度遠(yuǎn)高于地表水，土地及深井水，制冷時(shí)，如把工業(yè)廠房?jī)?nèi)的熱量排到地表水、土地或深井水中去，這樣消耗電能少。也就是說(shuō)制冷的COP值大，達(dá)到節(jié)能效果。冬天制熱正好相反，因此地源熱泵、水源熱泵得到了廣泛的應(yīng)用，它們確實(shí)收到了很好的節(jié)能減排效果。

[1]張旭等.熱泵技術(shù)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007

Heat Pump System

Dai rui,Wang li hui,Wu xi ping

In recent years,heat pump technology,as a new energy technology,has attracted more attention in the world wide.The heat pump is a device that transferring low-grade energy into high-grade energy through electric power.This paper introduces the definition of heat pump,its classification and application.At last,analyses its economic benefits and environmental benefits.

heat pump system；economic analysis；energysaving

國(guó)家自然科學(xué)基金50908147、51108263。

戴 睿，1990年8月生，上海理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院在讀研究生，攻讀供熱供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程專業(yè)。