暖通空調(diào)領(lǐng)域新能源熱泵技術(shù)應(yīng)用研究

陳穎+徐玉黨+江娟+李芳芳

摘 要 熱泵技術(shù)是一種經(jīng)濟有效的節(jié)能技術(shù)，利用地?zé)崮?、空氣能、太陽能和污水能等新能源對建筑物進行制冷供熱，能夠降低暖通空調(diào)的能耗，對于節(jié)能環(huán)保具有顯著效果。本文通過對新能源熱泵技術(shù)的工作原理及在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用進行簡單介紹，然后對各種新能源熱泵技術(shù)的特點進行分析，最后探討了各種新能源熱泵技術(shù)目前存在的技術(shù)難點，希望給相關(guān)人士提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞 熱泵技術(shù) 地?zé)崮?太陽能 空氣能 污水能

中圖分類號：TU831 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.09.023

Abstract Heat pump technology is a kind of economic and effective energy-saving technology， use of geothermal energy， air， solar energy and sewage can new energy to buildings for heating and cooling， and can reduce the energy consumption of HVAC， for energy conservation and environmental protection has significant effect. In this paper， by application on the and the working principle of the new energy heat pump technology in the field of heating， ventilation and air conditioning are introduced in this paper， and then analyzed the characteristics of all kinds of new energy heat pump technology， and discusses the technical difficulties existing in all kinds of new energy heat pump technology， hoping to provide some reference to the relevant people.

Key words heat pump technology； geothermal energy； solar energy； air energy； sewage energy

當(dāng)今社會人們對于舒適度的要求不斷提高，在建筑項目中暖通空調(diào)的應(yīng)用與居住環(huán)境的舒適度密切相關(guān)，而暖通空調(diào)所用能源占建筑總能耗的70%。尋找資源豐富并且對環(huán)境友好型的新能源，采取更加節(jié)能的技術(shù)加以利用是降低暖通空調(diào)能耗及建筑總能耗的有效途徑。

熱泵是一種利用卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)原理轉(zhuǎn)移熱量和冷量的裝置，其實質(zhì)是一種能量提升裝置，它通過消耗小部分能量（電能或熱能）將低溫?zé)嵩粗械臒崮苻D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩?，是一種有效的節(jié)能新技術(shù)。熱泵按照利用的熱源類型不同可分為地源熱泵、空氣源熱泵、太陽能熱泵、污水源熱泵和雙源熱泵等。本文就新能源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域利應(yīng)用及發(fā)展態(tài)勢展開研究。

1 地源熱泵

1.1 地源熱泵的工作原理

根據(jù)國家地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定：地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)及建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。國外上世紀60年代就已提出，并且快速商品化應(yīng)用到商場、住宅及學(xué)校等場所。我國地源熱泵起源于從上世紀90年代至今已有20多年的歷史，經(jīng)過國內(nèi)眾多學(xué)者的共同研究也已取得較大的進步。①地源熱泵系統(tǒng)既能制冷又能供熱，一套系統(tǒng)取代了空調(diào)和鍋爐兩個系統(tǒng)，同時還可以提供生活熱水。地源熱泵在運行過程中通過輸入少量的高品位能達到將低溫環(huán)境中的熱能轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境中的目的，實現(xiàn)為建筑制冷供熱的目標(biāo)，大大降低了暖通空調(diào)的能耗，提高了能源利用率。

冬季供暖，壓縮機對冷媒做功使其進行氣-液轉(zhuǎn)換的循環(huán)。地埋管中水路循環(huán)吸收巖土體、地下水或地表水的熱量通過冷凝器中冷媒的蒸發(fā)轉(zhuǎn)移到冷媒中，通過冷媒循環(huán)在蒸發(fā)器內(nèi)冷凝產(chǎn)生的熱量，該熱量被風(fēng)機盤管吸收送到室內(nèi)為房間供暖。

夏季制冷，壓縮機對冷媒做功并且調(diào)節(jié)閥門改變冷媒流向。通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)通過風(fēng)機盤管將室內(nèi)房間中的熱量轉(zhuǎn)移到冷媒中，冷媒循環(huán)到冷凝器內(nèi)冷凝將熱量轉(zhuǎn)移到地埋管水路循環(huán)中，由水路循環(huán)將該熱量釋放到巖土體、地下水或地表水中。

1.2 地源熱泵的特點

地源熱泵具有清潔環(huán)保、節(jié)能高效的特性。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電能取暖相比電能消耗降低70%，在運行過程中既不消耗水源，也不會向水源、空氣中排放污染物質(zhì)。地源熱泵機組零部件小、結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省建筑空間。地源熱泵系統(tǒng)較為簡單，運行安全可靠性高，維護成本低，使用壽命長。

地源熱泵技術(shù)清潔環(huán)保、經(jīng)濟可行性高，得到了政府部門的大力支持和引導(dǎo)。2003年被政府部門作為建筑行業(yè)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的重大成果大力推廣；2006年《中華人民共和國可再生能源法》將地?zé)崮艿拈_發(fā)與利用列入新能源鼓勵發(fā)展范圍；2010年《關(guān)于加快推行合同能源管理促進節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展意見的通知》解決了地源熱泵系統(tǒng)初期投資大的難題；2012年《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》明確了地?zé)崮芤?guī)劃的發(fā)展目標(biāo)。國家和地方頒布的一系列政策法規(guī)都為地源熱泵技術(shù)的推廣提供的良好的發(fā)展環(huán)境。②

1.3 地源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)狀

在長期研究使用過程中也發(fā)現(xiàn)了地源熱泵的許多不足之處。地質(zhì)條件限制，對于使用地下水源熱泵的項目在進行方案設(shè)計前必須了解當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)水資源使用的政策法規(guī)，對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境進行勘測確保大量開采地下水不會引起地面裂縫、沉降或塌陷等問題。必須采取安全可靠的地下水回灌措施，保證不會對地下水源造成污染和浪費。③初投資大回收期長，地源熱泵系統(tǒng)由于施工工藝限制打井得到達一定的深度才能得到常年恒定的環(huán)境溫度，初投資相對空氣源熱泵、太陽能熱泵而言較高，因此需要政府的大力支持與推廣。

2 空氣源熱泵

2.1 空氣源熱泵發(fā)展現(xiàn)狀及特點

熱泵的設(shè)計最早于19世紀50年代由英國科學(xué)家開爾文提出，直到1917年第一臺工業(yè)用熱泵在德國被制造出來，1927年第一臺家用空氣源熱泵由蘇格蘭制造并投入使用。我國空氣源熱泵技術(shù)最早于上世紀50年代由天津大學(xué)呂燦仁教授提出，并于1965年成功研制出第一臺國產(chǎn)水冷式熱泵空調(diào)機組?？諝庠礋岜檬抢秒娔茯?qū)動壓縮機通過冷媒循環(huán)，獲取環(huán)境空氣中能量的設(shè)備。

空氣能是取之不盡用之不竭的可再生能源，空氣源熱泵正是采用這種可再生能源輔以清潔的電能進行能量提升的節(jié)能設(shè)備。相對于地源熱泵、太陽能熱泵和污水熱泵，空氣源熱泵適用區(qū)域更為廣闊，除了氣候條件的限制外幾乎不受其他任何限制?？諝庠礋岜每照{(diào)節(jié)能效果顯著，通過輸入少量的電能可以得到3～4倍的熱能，④系統(tǒng)安裝維護簡單，運行費用低。據(jù)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)冬季運行費用數(shù)據(jù)顯示：在嚴寒地區(qū)比燃氣壁掛爐節(jié)省15%，比電采暖節(jié)省60%；在寒冷地區(qū)比燃氣壁掛爐節(jié)省50%，比電采暖節(jié)省70%；在夏熱冬冷地區(qū)比燃氣壁掛爐節(jié)省41%，比電采暖節(jié)省24%。在運行過程中，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對于環(huán)境的污染物排放也極低，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

隨著新型建筑保溫材料的發(fā)明和空氣源熱泵技術(shù)的不斷完善，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)憑借其節(jié)能、環(huán)保、安全和美觀等優(yōu)點快速商品化，逐步應(yīng)用于商場、酒店、大型車站、綜合醫(yī)院等集中供暖制冷的場所。

2.2 空氣源熱泵存在的問題

空氣源熱泵低溫適應(yīng)性差，普遍存在的問題有：（1）熱泵的熱輸出功率遠低于熱負荷需求；（2）低溫環(huán)境下壓縮機運行容易過熱導(dǎo)致停機，需要電加熱輔助；（3）低溫環(huán)境下的COP值偏低等。⑤需要攻克的技術(shù)難點有：（1）減少室外機的霜凍現(xiàn)象和縮短化霜時間；（2）壓縮機實現(xiàn)多級壓縮和變頻運行；（3）與其它熱泵耦合使用等。

3 太陽能熱泵

3.1 太陽能熱泵采暖

太陽能熱泵系統(tǒng)是將太陽能利用技術(shù)和熱泵技術(shù)有機組合的復(fù)合型技術(shù)，其采暖系統(tǒng)由太陽能集熱系統(tǒng)（包括：太陽能集熱器、水泵和蓄熱水箱等）和熱泵系統(tǒng)（包括：壓縮機、換熱器、節(jié)流閥、散熱器等）組成。太陽能熱泵采暖系統(tǒng)突出的優(yōu)點就是通過極少量的電能獲得數(shù)倍于電能的熱量，能夠有效利用低溫?zé)嵩?。與地源熱泵、空氣源熱泵耦合使用能夠有效克服太陽能的分散性和間歇性等問題的不足。⑥

3.2 太陽能熱泵制冷

太陽能熱泵制冷系統(tǒng)與采暖系統(tǒng)相比增加了熱交換器、儲冷水箱及制冷末端等設(shè)備，其工作原理是利用制冷劑在壓縮機的作用下蒸發(fā)吸收儲冷水箱的熱量降低其溫度，儲冷水箱通過熱交換器降低管道中空氣或水等介質(zhì)的溫度，通過管道將冷量送至制冷末端設(shè)備達到降低室內(nèi)溫度的目的。

3.3 太陽能熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，通過熱泵技術(shù)利用太陽能是解決當(dāng)前能源危機的一種重要途徑。太陽能熱泵在進一步發(fā)展中還需要克服太陽能分散性、不穩(wěn)定性強，項目初投資費用高，各個生產(chǎn)廠家標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題。

4 污水源熱泵的工作原理及特點

污水源熱泵技術(shù)從城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展中應(yīng)運而生，成為一種“新能源”利用技術(shù)。城市污水全年溫度變化小，相對江河水溫度穩(wěn)定，具有良好的熱能特征。污水源熱泵是以城市污水為冷熱源，利用熱泵原理提升能量為建筑物制冷供熱的節(jié)能設(shè)備。在一定程度上緩解了當(dāng)前能源與環(huán)境的緊張形勢。

污水源熱泵能夠有效回收城市污水的廢熱，利用熱泵技術(shù)既可以制冷又可以供暖，省去了鍋爐系統(tǒng)和冷卻塔等設(shè)備。運行過程中不向環(huán)境排放任何廢水、廢渣和廢氣，節(jié)能環(huán)保效果顯著。目前污水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用還有許多技術(shù)問題亟待解決，如污水水質(zhì)處理、污水堵塞及換熱器污染結(jié)垢等。

5 總結(jié)

熱泵技術(shù)作為一種高效的節(jié)能技術(shù)對清潔環(huán)保的地?zé)崮?、空氣能、太陽能和污水能等新能源加以利用為建筑物制冷供熱，起到了降低暖通空調(diào)的能耗和建筑總能耗的作用，實現(xiàn)了提高能源的利用率，節(jié)能環(huán)保的雙重目標(biāo)。盡管新能源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展仍有諸多技術(shù)障礙，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新、工藝的不斷優(yōu)化，新能源熱泵技術(shù)將會有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

注釋

①③胡平放，黃峙，孫心明，等.地源熱泵技術(shù)研究與應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r[J].制冷與空調(diào)，2014.12：104-109.

② 方菲菲.我國地源熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及用對策略[J].山西建筑，2015.41（1）：189-190.

④ 付冰，劉亮.空氣源熱泵熱水機組節(jié)能分析[J].節(jié)能與環(huán)保，2008.9：29-31.

⑤ 張行星，趙旭東，譚軍毅，馬世歌.歐洲低溫空氣源熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].暖通空調(diào)，2015.45（7）：48-51.

⑥ 王侃宏，畢文峰，太陽能輔助加熱土壤源熱泵系統(tǒng)理論分析[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報，2012（5）：110-114.