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

葉 文 波

(中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001)

·綠色環(huán)?！そㄖ?jié)能·

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

葉 文 波

(中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001)

對(duì)熱泵系統(tǒng)的分類及其特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，進(jìn)一步分析了熱泵供熱空調(diào)的能量消耗情況，指出使用新型的能源能減少對(duì)環(huán)境的破壞，從而促進(jìn)營造一個(gè)和諧、無污染的社會(huì)。

暖通空調(diào)，新能源，熱泵技術(shù)

目前，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面的發(fā)展有了很大的進(jìn)步，人們不僅對(duì)生活工作的環(huán)境有了更加嚴(yán)格的要求，而且對(duì)室外環(huán)境也有了要求。近年來，越來越嚴(yán)重的霧霾天氣不僅影響著人們的出行，對(duì)人們的身體健康也產(chǎn)生了很大的危害。國家對(duì)治理霧霾天氣也下了很大力度，例如，關(guān)停嚴(yán)重污染企業(yè)；治理一些大氣排放非達(dá)標(biāo)企業(yè)；私家車出行采用單雙號(hào)限制等等，其中采暖熱源也是大氣污染的一個(gè)重要因素，所以，國家下大力氣治理大氣污染，在北京、河北等地率先取締燃煤鍋爐，采取“煤改氣”“煤改電”“地?zé)崮堋⒖諝饽懿膳钡惹鍧嵞茉?，改善大氣環(huán)境。

“煤改氣”是指燃煤鍋爐用天然氣來取代，天然氣被戴上了清潔能源的桂冠。其實(shí)天然氣也是石化能源，也有清潔燃燒的問題，主要是燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量氮氧化物，而霧霾的主要成分是PM2.5，生成PM2.5的罪魁禍?zhǔn)拙褪堑趸铩Ｈ細(xì)忮仩t對(duì)控制氮氧化物沒有優(yōu)勢(shì)。北京的“煤改氣”后，霧霾天數(shù)只升不降。而且我國天然氣資源緊缺，用來“煤改氣”的天然氣嚴(yán)重不足，勢(shì)必會(huì)影響到天然氣供暖的穩(wěn)定性。

“煤改電”是國家采取治理大氣污染的積極探索的清潔、低碳、安全、高效新型能源消費(fèi)方式的一項(xiàng)重要舉措。但是，要是實(shí)施就必須落實(shí)政策、環(huán)境、電網(wǎng)等諸多因素，國家對(duì)用電采暖的政策能否長(zhǎng)期、持續(xù)，非常重要。另外還需要大規(guī)模增加電網(wǎng)的供電容量，電網(wǎng)改造的投資巨大。對(duì)實(shí)施“煤改電”方案有一定影響。

熱泵是建設(shè)綠色家園中不可缺少的產(chǎn)品，是節(jié)能減排高效的好產(chǎn)品，是真正清潔能源的方式。

1 熱泵系統(tǒng)的分類及其特點(diǎn)

熱泵通過對(duì)周圍環(huán)境之中的熱量進(jìn)行一系列的吸收作用，然后將吸收獲得的能量傳遞給那些需要獲取能量的對(duì)象。熱泵的工作機(jī)理與制冷機(jī)有一些類似之處，只是所需要的溫度不同而已。一般情況下，熱泵是由四部分構(gòu)成，以支持熱泵進(jìn)行熱量的傳遞的工作。第一部分就是驅(qū)動(dòng)能源，熱泵常用的一些驅(qū)動(dòng)能源有煤氣、柴油、電能、煤、汽油等等；第二部分是驅(qū)動(dòng)裝置，常用的驅(qū)動(dòng)裝置有蒸汽輪機(jī)、燃料發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等等；第三部分是工作機(jī)；第四部分是低溫?zé)嵩矗Ｓ玫囊恍┑蜏責(zé)嵩从械責(zé)?、太陽能、空氣、工業(yè)廢熱、水等等，熱泵利用這些低溫?zé)嵩矗?jīng)過一系列的處理，將其轉(zhuǎn)換為熱能，供人類對(duì)其進(jìn)行使用。

1.1 空氣源熱泵

1.1.1 空氣源熱泵的優(yōu)點(diǎn)

空氣源熱泵原理就是通過利用逆卡諾原理，用比較少的電能，吸收空氣中大量的低溫?zé)崮?，通過壓縮機(jī)的壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮埽且环N比較節(jié)能高效的熱泵技術(shù)，該系統(tǒng)相對(duì)于其他的系統(tǒng)來說對(duì)能源相對(duì)節(jié)約，耗電量?jī)H僅是電鍋爐的1/4，并且該技術(shù)不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。該系統(tǒng)一般使用電能作為其驅(qū)動(dòng)能源，對(duì)其工作狀態(tài)的控制能夠更順利、合理的完成，而且這個(gè)系統(tǒng)不僅僅能夠進(jìn)行熱能的制造，還能夠降低溫度，應(yīng)用范圍較廣，使用率相對(duì)較高。

1.1.2 空氣源熱泵存在的問題及目前解決的對(duì)策

雖然這種技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)很多，但是其仍然有一些問題不可避免，該技術(shù)由于是依靠外界空氣之中的能量進(jìn)行產(chǎn)熱的，外界空氣的變化不受人為的控制，對(duì)產(chǎn)熱工作會(huì)引起一些影響，所以在實(shí)際的工作生活之中使用這種技術(shù)需要注意增加一些加熱的部件，保證熱泵的工作效果能夠滿足用戶的要求?？諝庠礋岜闷毡榇嬖谝韵聨c(diǎn)問題：第一，熱泵所輸出的熱功率與熱負(fù)荷的要求相比較低；第二，空氣熱泵的壓縮機(jī)在溫度較低的情況之下運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)停機(jī)的現(xiàn)象；第三，在溫度較低時(shí)，COP的值相對(duì)較低。

1.1.3 解決問題的方法

空氣熱泵技術(shù)中存在的一些難點(diǎn)有待解決，可以從以下的三方面下手，第一，避免室外機(jī)發(fā)生霜凍的情況以及減少化霜的時(shí)間。目前，在黃河以北地區(qū)冬季干燥，結(jié)霜已經(jīng)不再是主要問題，而且現(xiàn)在可以通過有效的化霜措施來解決。第二增強(qiáng)壓縮機(jī)的變頻以及多級(jí)壓縮的功能。第三，加強(qiáng)空氣熱泵與其他熱泵進(jìn)行耦合使用的技術(shù)。

1.2 地源熱泵

地源熱泵技術(shù)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源(也稱為地源能，包括土壤、地下水、地表水等)的既可制冷空調(diào)又可采暖和提供熱水的高效節(jié)能空調(diào)技術(shù)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能)，以地源能作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季采暖供熱的低溫?zé)嵩?，同時(shí)實(shí)現(xiàn)建筑采暖、空調(diào)和生活熱水的三聯(lián)供。地源熱泵可以根據(jù)使用材料的來源不同而分為兩大類，一類就是通過對(duì)地下水以及地表水進(jìn)行利用的水源熱泵，另一類就是通過對(duì)土壤進(jìn)行利用的土壤源熱泵。由于該技術(shù)在實(shí)際的工作之中不需要利用到其他的一些人工冷熱源，所以這種技術(shù)可以被廣泛的應(yīng)用，對(duì)那些利用鍋爐進(jìn)行取暖以及市政管網(wǎng)取暖、中央空調(diào)取暖等方式進(jìn)行替換。并且這種技術(shù)還可以為一些用戶提供用水，不僅能夠?yàn)橛脩籼峁├?、熱的能量，還能夠提供用水，使用非常的合理、方便，可以大范圍的進(jìn)行推廣使用。

1.2.1 水源熱泵特點(diǎn)

這種系統(tǒng)主要是通過對(duì)一些被廢棄的礦井之中的地下水以及井水進(jìn)行人工提取，經(jīng)過一系列操作之后而提供熱能的一種形式。這種系統(tǒng)所利用的一些地下水以及地表水可以在利用完成之后直接排放到一些地下水以及地表水之中，對(duì)其不產(chǎn)生污染。

水源熱泵的特點(diǎn)是供給其1 kW電力，它能提供給用戶4 kW熱量。比空氣源熱泵節(jié)能30%，比燃油鍋爐采暖節(jié)能50%，比電采暖節(jié)能70%；夏季采用熱回收，可免費(fèi)提供生活熱水；全年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約40%左右。

1.2.2 水源熱泵存在的問題及解決方法

這種系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用過程之中還存在著一些問題：1)一次性投資高。水源熱泵節(jié)能高達(dá)40%以上，但比一般中央空調(diào)投資高40%左右，主要是打井的費(fèi)用比較高。但它的運(yùn)行費(fèi)用低，地源熱泵的高投入部分實(shí)際上是一種高回報(bào)投資。2)系統(tǒng)結(jié)垢。防治結(jié)垢的主要方法有：a.配備有效的軟化水系統(tǒng)，定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查及維護(hù)保養(yǎng)，并對(duì)軟化水進(jìn)行化驗(yàn)，確保系統(tǒng)水質(zhì)；b.配備脫氣設(shè)施，降低水中空氣濃度及溶解氧濃度，保證系統(tǒng)運(yùn)行，減少系統(tǒng)腐蝕；c.有計(jì)劃的為系統(tǒng)添加緩蝕劑、殺菌滅藻劑及阻垢劑，保護(hù)設(shè)備及管件，降低腐蝕，殺滅水中細(xì)菌及藻類，減少粘泥生成，阻止水垢的生成；d.定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行排污，定期清洗系統(tǒng)過濾裝置。3)系統(tǒng)除沙。可適當(dāng)增加除沙設(shè)備，并可多級(jí)串聯(lián)使用，經(jīng)常清理除沙設(shè)施，加密機(jī)組前過濾網(wǎng)并經(jīng)常清洗，盡量防止含沙量較大的水進(jìn)入機(jī)組。4)系統(tǒng)水錘。水錘的預(yù)防措施：在熱泵取水系統(tǒng)中最常見的有啟停泵水錘和開關(guān)閥水錘啟泵水錘影響較小，其治理方法是設(shè)置泵的軟啟動(dòng)裝置；在管道的轉(zhuǎn)彎高處加裝自動(dòng)排氣裝置；啟泵前先將閥門關(guān)至20%左右，開啟水泵待水充滿后再逐漸開啟閥門。5)土壤冷熱不平衡問題。夏熱冬冷地區(qū)的夏季供冷量往往大于冬季供熱量，多出的熱量可通過冷卻塔散去，也可通過余熱回收系統(tǒng)，用于供應(yīng)生活熱水，從一定程度上緩解土壤熱不平衡的問題。6)如果使用抽地下水那種地源熱泵，對(duì)地下水和地質(zhì)有不好的影響，保護(hù)不好會(huì)污染地下水，回灌不好會(huì)影響地基下沉。

1.2.3 土壤源熱泵特點(diǎn)

該系統(tǒng)通過利用水等物質(zhì)在埋在土壤之下的管道之中通過不斷的流動(dòng)，從而達(dá)到與土壤進(jìn)行傳熱的行為，當(dāng)暖通系統(tǒng)需要熱能時(shí)，土壤源熱泵將土壤中的熱能進(jìn)行傳輸，以供應(yīng)能量。由于該系統(tǒng)僅僅需要一些傳導(dǎo)熱能的物質(zhì)，所以該系統(tǒng)屬于一種較為環(huán)保的裝置。

1.2.4 土壤源熱泵存在的問題

1)初投資較高(打井、鉆孔、埋管等)，機(jī)組初投資比冷水機(jī)組增加10%～30%，主要是打井費(fèi)用。2)對(duì)于土壤源熱泵機(jī)組需要有一定的空間埋設(shè)埋管系統(tǒng)。3)施工要求較高，需要專業(yè)施工隊(duì)伍和設(shè)備。4)冷熱負(fù)荷平衡的問題。

1.3 太陽能熱泵

1.3.1 太陽能熱泵的特點(diǎn)

太陽能熱泵能夠進(jìn)行采暖以及制冷兩種工作模式。太陽能熱泵采暖系統(tǒng)是將熱泵技術(shù)以及太陽能技術(shù)相互結(jié)合而研究制成的一種復(fù)合型的技術(shù)，所以該技術(shù)具有的系統(tǒng)是由熱泵系統(tǒng)以及太陽能集熱的系統(tǒng)共同組成的。這種系統(tǒng)可以利用很少的電能而產(chǎn)生很大的熱能，熱能基本是電能的數(shù)倍，高效率的對(duì)低溫?zé)嵩催M(jìn)行利用。

1.3.2 太陽能熱泵存在的問題

這種技術(shù)對(duì)環(huán)境的污染沒有污染，但是太陽能這種能源也存在著不太穩(wěn)定的情況，并且這種技術(shù)的投資費(fèi)用相對(duì)較高，研究難度相對(duì)較大，為有關(guān)的人員提出了一定的難題。

1.4 污水源熱泵

1.4.1 污水源熱泵的特點(diǎn)

我國城市居民的生活污水量不斷的增多，但是污水與江水、河水相比較其溫度的變化情況相對(duì)較小，處于一個(gè)幾乎穩(wěn)定的狀態(tài)，具備一定的熱能性質(zhì)。該技術(shù)主要是以污水作為系統(tǒng)運(yùn)行、工作的冷熱源，利用熱泵進(jìn)行升溫、降溫等處理，為用戶提供熱能、制冷等。污水源熱泵在工作之中不會(huì)產(chǎn)生廢氣、廢水等物質(zhì)，對(duì)環(huán)境的影響較小，并且由于該技術(shù)可以采暖也可以制冷，所以可以省去一些冷卻塔、鍋爐等設(shè)備的建設(shè)使用，大大的縮減對(duì)環(huán)境的破壞，對(duì)能源進(jìn)行大大的節(jié)約。

1.4.2 污水源熱泵存在的問題

在暖通空調(diào)領(lǐng)域，污水源熱泵在使用時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)污水堵塞、污染換熱器等情況的發(fā)生，所以還需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行不斷地研究。

2 熱泵供熱空調(diào)的能量消耗分析

2.1 熱泵對(duì)能源的利用系數(shù)與傳統(tǒng)方式的對(duì)比

不同的供熱方式所產(chǎn)生的能源利用系數(shù)見表1。

表1 不同的供熱方式所產(chǎn)生的能源利用系數(shù)

其中，能源的利用系數(shù)E等于熱泵對(duì)熱量的供應(yīng)量與對(duì)初級(jí)的能量所消耗的量的比值。

2.2 熱泵對(duì)高位能進(jìn)行了科學(xué)的利用

熱泵在提升低溫的熱源熱量品位的過程之中，會(huì)利用到一定的高品位熱量。在實(shí)際的工作過程中，首先需要熱泵供熱的系統(tǒng)科學(xué)的利用高位能W將動(dòng)力機(jī)進(jìn)行推動(dòng)，之后通過推動(dòng)起來的動(dòng)力機(jī)將工作機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣工作機(jī)可以在低溫的熱源中對(duì)熱能Qe進(jìn)行吸取，并且在不斷的工作之中將低溫的熱源溫度進(jìn)行提升，從而達(dá)到對(duì)暖通空調(diào)的供熱，由Qh=Qe+W進(jìn)行計(jì)算。β表示熱泵制熱的性能系數(shù)，用β=Qh/W=Qe/W+1對(duì)能量的效率進(jìn)行科學(xué)的審核。

3 結(jié)語

在暖通空調(diào)的系統(tǒng)之中使用一些新型的能源，促進(jìn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)，但是這些新型能源的利用過程當(dāng)中還存在著一些問題，有關(guān)人員應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)其的研究，早日解決這些問題。

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On application of new-energy heat pump technique in heat-supply and ventilation field

Ye Wenbo

(ShanxiElectricPowerSurveyandDesignInstitute,ChinaEnergyEngineeringCorporationLimited,Taiyuan030001,China)

The paper mainly introduces the classification for the heat pump and its features, analyzes the energy consumption of the heat pump heat-supply air-conditioner, and points out the new resources can reduce the damage on the environment, so as to enhance the harmonious and non-polluted society.

heat-supply and ventilation air-conditioner, new energy, heat pump technique

1009-6825(2017)22-0179-03

2017-05-26

葉文波(1966- )，女，高級(jí)工程師

F407.2

A