熱泵系統(tǒng)在集中供熱中的應用

李 聰

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030001)

國民經(jīng)濟的高速發(fā)展促進了城市化水平的提高，因此在城市化不斷推進的今天，我國北方城市對集中供熱的需求越來越高。集中供熱是保障我國北方城市居民進行正常生產(chǎn)、生活的基本條件之一，同時也是保證城市能夠正常運轉的要求之一，因此，集中供熱在我國屬于基礎性產(chǎn)業(yè)，并且由于其對北方城市的重要性，在國民經(jīng)濟的發(fā)展過程中起到了重要的前瞻性作用，同時與社會工作的日常生活形成密切聯(lián)系。

1 熱泵系統(tǒng)概念及發(fā)展現(xiàn)狀

熱泵系統(tǒng)屬于新能源技術，主要從自然界的水、空氣、土壤以及地下熱能中獲取低位熱能，之后利用電能進行做功，從而為用戶提供高位熱能的熱能轉換裝置。

熱泵系統(tǒng)的發(fā)展歷程與能源技術的發(fā)展有著密切聯(lián)系，世界第一臺用于城市發(fā)展的熱泵系統(tǒng)誕生于1938年，主要利用蘇黎世河水為城市運轉提供熱能。從全球的熱泵系統(tǒng)發(fā)展歷史來看，熱泵系統(tǒng)的發(fā)展進程始終與能源發(fā)展相結合，從近年來熱泵行業(yè)的發(fā)展狀況來看，熱泵市場呈現(xiàn)出迅速增持的狀態(tài)，并且隨著當前世界范圍內的能源短缺問題越來越嚴峻，熱泵系統(tǒng)的發(fā)展勢頭更為迅猛，并且隨著世界內能源結構的改變，熱泵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有效推動了世界經(jīng)濟發(fā)展。

相對于西方發(fā)達國家來說，我國對于熱泵系統(tǒng)的研究以及應用起步較晚，但是發(fā)展速度較快，從20世紀50年代開始，我國開始對熱泵系統(tǒng)進行研究，60年代正式完成熱泵產(chǎn)品的上市。從當前形勢來看，我國的熱泵研究人員針對直燃機組、吸收式制冷、太陽能熱泵等技術進行了全面研究，但是由于我國幅員遼闊，因此我國的熱泵系統(tǒng)在實際應用中還需要與當?shù)貧夂颦h(huán)境相結合。

2 熱泵系統(tǒng)工作原理

熱泵系統(tǒng)由熱交換機、壓縮機、保溫水箱、軸流風扇、過濾器、水泵、儲液罐以及電子控制器和電子膨脹閥構成，在系統(tǒng)運行過程中，從自然界獲取低位熱能，進而通過電能做功，將低位熱能轉換成為高位熱能，以此為熱能用戶提供足夠的熱能供給。熱泵系統(tǒng)在接通電源之后，軸流風扇進行運轉，室內空氣何以通過蒸發(fā)器與室外空氣進行熱交換，同時通過排風系統(tǒng)將降溫后的空氣排除。與此同時，蒸發(fā)器內的工質通過吸熱之后進入壓縮機，從而將低壓氣體轉換成為高壓氣體，進而將轉換之后的高壓氣體輸入冷凝器，水泵系統(tǒng)循環(huán)中的液體則可以通過冷凝器完成加熱工作，之后送到用戶方以供其利用，在此過程中，熱泵中的工質可以冷卻成為液體，進而通過降溫后送入蒸發(fā)器進行循環(huán)利用。

3 熱泵系統(tǒng)在城市集中供熱中的實際應用

3.1 利用熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)冷熱聯(lián)供

當前我國城市的主要供熱方式單一，并且隨著我國城市化進程的進一步加快，能源短缺問題、供熱缺口增大問題變得越來越突出，因此如何解決上述問題成為熱力行業(yè)和城市集中供熱工作中所共同關注的重點。隨著熱泵系統(tǒng)及其應用技術的不斷完善，熱泵系統(tǒng)基于其制冷、制熱功能兼具的優(yōu)點，在城市集中供熱中獲得了廣泛應用，并且利用熱泵系統(tǒng)可以實現(xiàn)冷熱聯(lián)供，從而將多余熱量進行有效利用，提高能源利用率，提高經(jīng)濟發(fā)展的效益。

熱泵系統(tǒng)中冷熱聯(lián)供的工作原理是逆卡諾循環(huán)，在冷熱聯(lián)供的過程中，制冷設備的工作原理也是逆卡諾循環(huán)，但是制冷設備的工作目的是降低工作對象的溫度，而熱泵的工作目的則是提高工作對象的溫度，因此熱泵系統(tǒng)與制冷設備的工作范圍是不同的。眾所周知，在高溫區(qū)和低溫區(qū)之間的熱量傳遞是非自動的，因此通過熱泵系統(tǒng)的運轉可以有效實現(xiàn)從低溫區(qū)到高溫區(qū)的熱量傳遞。根據(jù)能量守恒定律可知，能量在自然界之中是恒定不變的，因此在這一熱量傳遞的過程中，高溫能量等于熱泵利用能量和低溫能量的總和。

以城市中的酒店供熱為例，其冬季供暖所需熱量和運營所需用水主要由換熱站提供，而夏季制冷設備的運行主要由制冷站控制，換熱站和制冷站之間的設備是相互獨立的，也就意味著制冷系統(tǒng)在運行的時候必須將多余的熱量排到系統(tǒng)外部，從而形成了能源浪費。通過熱泵系統(tǒng)可以將夏季制冷設備運行過程中產(chǎn)生的多余熱量進行回收利用，主要方案有以下兩種：

1)利用熱泵系統(tǒng)將夏季制冷過程中所產(chǎn)生的多余熱量進行回收利用，進而滿足酒店內的熱水供給；

2)在夏季直接利用熱泵技術滿足酒店自身的制冷和生活熱水需求。通過數(shù)據(jù)分析后可以得出，方案一更具優(yōu)勢。

3.2 利用污水源熱泵實現(xiàn)集中供熱

在我國的城市生活中，污水排放往往夾雜著大量的熱量，而從當前的供熱技術來看，我國大多數(shù)中小城市在城市給排水以及集中供熱的設計中并不能對生活污水中的余熱進行有效利用。本文以北京市的污水源熱泵系統(tǒng)在集中供熱中應用案例進行分析，在北京的城市集中供熱系統(tǒng)中，其污水余熱成為余熱資源的重要組成部分，通過熱泵系統(tǒng)可以對污水余熱進行二次利用，從而有效發(fā)揮污水源熱泵系統(tǒng)應有的作用，實現(xiàn)集中供熱。

在實際應用過程中，將城市供熱網(wǎng)絡與污水余熱處理系統(tǒng)相結合，從而將污水中的余熱能源用于熱網(wǎng)回水的加熱工作，以此對污水余熱能源進行有效利用，同時可以優(yōu)化集中供熱的能源結構。此外，利用污水源熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)集中供熱還可以提高供熱中的可再生能源利用效率，減少化石能源的消耗，進一步實現(xiàn)節(jié)能減排，減少集中供熱對環(huán)境造成的破壞。

在城市集中供熱系統(tǒng)中，供熱管網(wǎng)可以有效滿足熱能需求，北京市的熱力企業(yè)提供了建筑供暖以及生產(chǎn)生活供暖所需的熱量，此外，結合城市供熱網(wǎng)絡可以提高污水源熱泵系統(tǒng)的工作效率，進而擴大污水源熱泵在城市集中供熱中的應用，形成規(guī)模效應，提升污水源熱泵系統(tǒng)的余熱再利用效率。在當前的污水源熱泵系統(tǒng)中主要有直接回收利用和間接回收利用兩種方式，但是直接回收利用投資較高、運行效率低且維護成本較高，因此在城市污水源熱泵系統(tǒng)的建設中，大多采取間接回收利用，以此降低投資成本、運行成本、維護成本。

3.3 地巖熱泵在集中供熱中的應用

除了冷熱聯(lián)供和污水源熱泵應用之外，在地熱能豐富的地區(qū)可以利用地巖熱泵系統(tǒng)有效提高供熱能力，從而解決供熱中的能源短缺問題。不同于污水源余熱能源的是，地熱能屬于新型的可再生清潔能源，因此可以在一定程度上取代化石能源，以此為城市發(fā)展和經(jīng)濟建設提供能源支撐。長期以來，我國經(jīng)濟發(fā)展過于依賴化石能源，但是化石能源的不可再生性導致我國經(jīng)濟發(fā)展面臨嚴重的能源短缺問題，這一點也深刻體現(xiàn)在城市集中供熱中，因此采取地巖熱泵系統(tǒng)提高集中供熱效率，可以有效緩解能源短缺問題，促進節(jié)能環(huán)保建設。此外，地熱能具有供熱穩(wěn)定、可再生、清潔無污染等優(yōu)勢，因此通過地巖熱泵利用地熱能實現(xiàn)集中供熱在地熱資源豐富的地區(qū)已經(jīng)開展。在地巖熱泵技術的應用中，施工隊伍通過巖層打孔，之后在孔中安裝換熱設備，從而將地下的地熱能輸送到地面，進而利用熱泵系統(tǒng)向城市供熱系統(tǒng)進行供熱，在當前的地熱能開發(fā)中，當前應用最為廣泛的是無干擾地熱利用技術，能夠有效避免地面因素的影響，同時避免對地下水資源造成破壞，并且能夠持續(xù)、高效、穩(wěn)定地開發(fā)地熱能。

4 結語

本文通過對集中供熱過程中的熱泵系統(tǒng)應用進行探討，得出通過熱泵系統(tǒng)的有效應用可以提高集中供熱的效率，并且通過冷熱聯(lián)供、污水源熱泵系統(tǒng)、地巖熱泵系統(tǒng)的應用，可以有效減少集中供熱造成的環(huán)境污染，從而促進城市的可持續(xù)發(fā)展，同時有效促進節(jié)能環(huán)保建設，提高城市發(fā)展的效率。