熱泵技術(shù)與應(yīng)用

沈明云

（甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，蘭州 730000）

1 引言

自改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)與人口增長迅速，民眾生活水平得到顯著提升，化石能源的消耗也在持續(xù)增長，一些學(xué)者對近年來能源消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，我國2020 年在能源方面的消耗已經(jīng)達(dá)到4.98×109t 標(biāo)準(zhǔn)煤，較2019 年同比增長2.2%，是名副其實(shí)的能源消耗大國[1]。隨著環(huán)境污染及能源短缺問題引起社會各界的關(guān)注，能源應(yīng)用轉(zhuǎn)型的呼聲高漲，清潔能源市場進(jìn)一步擴(kuò)大，熱泵技術(shù)作為一種新型的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，本文從熱泵的定義及工作原理出發(fā)，對不同新能源熱泵技術(shù)進(jìn)行分析，并以地源熱泵技術(shù)為例，探討了其在暖通系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

2 熱泵的定義及工作原理

2.1 熱泵的定義

在自然界中，水在重力作用下從高處向低處流動，熱量也會從高溫部位向低溫部位傳遞，出于生活智慧，人們可利用水泵實(shí)現(xiàn)水從低處向高處的流動，熱泵則是實(shí)現(xiàn)熱量從低溫部位向高溫部位傳遞的一種裝置。熱泵屬于高效節(jié)能裝置，能夠從自然界中的土壤、水、空氣等可再生資源中獲取能量，并轉(zhuǎn)化為高品位能源能量，通過熱量轉(zhuǎn)移的方式實(shí)現(xiàn)供熱、制冷，且不會產(chǎn)生污染。熱泵依據(jù)取熱來源的不同可分為地源熱泵、水源熱泵及空氣源熱泵3 類。

2.2 熱泵的工作原理

熱泵作為機(jī)械裝置，以逆循環(huán)方式迫使熱量從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)低品位熱能與高品位熱能的轉(zhuǎn)換。熱泵裝置主要由4 部分組成：蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器及膨脹閥。蒸發(fā)器是一種輸出冷量的裝置，通過蒸發(fā)制冷劑液體實(shí)現(xiàn)對被冷卻物探熱量的吸收，從而達(dá)到制冷目的；壓縮機(jī)的作用是壓縮并輸送循環(huán)工質(zhì)，使能量從低溫部位向高溫部位轉(zhuǎn)移；冷凝器是一種輸出熱量的裝置，利用介質(zhì)吸收蒸發(fā)器與壓縮機(jī)的熱量，從而達(dá)到制熱的目的；膨脹閥在熱泵中主要起到節(jié)流降壓的作用，能夠?qū)M(jìn)入蒸發(fā)器的工質(zhì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。熱泵裝置在作業(yè)時(shí)，利用蒸發(fā)器吸收土壤、水、空氣等可再生資源中存在的能量，而后由壓縮機(jī)壓縮并輸送，最后經(jīng)冷凝器放熱。

3 新能源熱泵技術(shù)

3.1 地源熱泵技術(shù)

地?zé)岱褐复嬖谟诘叵滤?、土壤的地下淺層自然資源中的能量，利用熱泵技術(shù)對地?zé)徇M(jìn)行轉(zhuǎn)換與利用，可較為便利地為地上建筑物供熱與制冷[2]。地源熱泵系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)能量交換，由熱泵機(jī)組、室外熱能交換系統(tǒng)及室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)3 部分組成。根據(jù)能量交換形式的區(qū)別，熱泵系統(tǒng)可被分為地下水地源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)、地埋管地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵技術(shù)具有環(huán)保、高效的優(yōu)點(diǎn)，在制熱狀態(tài)下，熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)做功，室外熱能交換系統(tǒng)開始吸收土壤或地下水中存在的熱量，熱泵機(jī)組內(nèi)的冷媒通過蒸發(fā)吸收熱量，而后在循環(huán)時(shí)接受冷凝處理，由空氣循環(huán)吸收熱量，最終實(shí)現(xiàn)將地下熱量轉(zhuǎn)移至室內(nèi)，發(fā)揮供暖效果。在制冷狀態(tài)下，熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對冷媒做功，促使其進(jìn)行汽液轉(zhuǎn)化，冷媒通過蒸發(fā)吸收室內(nèi)熱量，在循環(huán)時(shí)進(jìn)行冷凝處理，熱量被循環(huán)水路中的冷媒吸收，最終通過室外熱能交換系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至地下，發(fā)揮制冷效果，如圖1 所示。

圖1 地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用可減少不可再生資源的消耗和環(huán)境污染，且運(yùn)營成本較低，但在初期進(jìn)行系統(tǒng)的搭建時(shí)花費(fèi)較高，且受工藝方面的限制，需到達(dá)地下一定深度才可確保地?zé)崮軡M足需求。同時(shí)，為避免地源熱泵系統(tǒng)對地下水資源的使用給周圍生活的民眾帶來安全隱患，在進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目施工前，應(yīng)由專業(yè)人員對施工區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘探。

3.2 太陽能熱泵技術(shù)

太陽能是最為常見的可再生能源，是指太陽的熱輻射能，即太陽光線。在我國，太陽能多被用于熱水器加熱、采暖等方面。太陽能熱泵系統(tǒng)的能量來源便是太陽能，其主要作用是實(shí)現(xiàn)了對太陽能的轉(zhuǎn)換和利用，集熱效率良好，與地源熱泵系統(tǒng)相比，其性價(jià)比更高，在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)發(fā)揮作用的不同，太陽能熱泵技術(shù)可被分為太陽能驅(qū)動熱泵與太陽能輔助熱泵兩類。

1）太陽能驅(qū)動熱泵一般用于制冷，能量轉(zhuǎn)換形式為光電轉(zhuǎn)換或光熱轉(zhuǎn)換，具有適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)，夏季氣溫高，民眾對制熱的需求降低，制冷的需求增加，由于太陽輻射強(qiáng)，利用太陽能驅(qū)動熱泵系統(tǒng)能夠獲得更多的冷量來滿足民眾需求，其仍存在轉(zhuǎn)化效率低、成本高的缺點(diǎn)。太陽能輔助熱泵一般用于制熱，由熱泵系統(tǒng)與集熱裝置組成，具有集熱效率高、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，由于對集熱裝置周圍環(huán)境的溫度條件要求低而被廣泛應(yīng)用，如近年來進(jìn)入千家萬戶的太陽能熱水器，室外集熱裝置占地面積小，可被放置于屋頂及其他不影響日常生活的地方，滿足了一般家庭在冬季的熱水需求。

3.3 污水源熱泵

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加速，城市生活垃圾隨之增加，每日排放的污水量劇增，將城市污水作為冷熱源的污水源熱泵也得到了較好的應(yīng)用。污水源熱泵是水源熱泵的一種，與河流、海洋及其他水源相比，城市污水在一般情況下不會出現(xiàn)較大的溫度變化，且具備良好的隔熱能力，同時(shí)，由于污水源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對城市污水廢熱的再利用，無須建造冷卻塔與鍋爐房，極大地節(jié)省了工程成本與土地資源。污水源熱泵系統(tǒng)在日常運(yùn)作時(shí)不會增加環(huán)境污染，奉行了環(huán)保理念，但仍存在設(shè)備易積垢、腐蝕的問題，導(dǎo)致管道生銹、污水阻塞，在系統(tǒng)搭建前還需要專業(yè)人員對污水水質(zhì)進(jìn)行必要的檢測，以判斷污水是否能夠作為低溫?zé)嵩?，因此，污水源熱泵技術(shù)尚未得到廣泛推廣。

3.4 海水源熱泵

海水源熱泵作為一種水源熱泵，指將海水作為能量來源，利用熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)對海水吸收的地?zé)崮堋⑻柲苓M(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到制冷、制熱的目的[3]。海水源熱泵系統(tǒng)由海水取泄系統(tǒng)、熱泵、輸送管、熱交換器4 部分組成。系統(tǒng)在冬季，海水中大量的低品位熱能被吸收，消耗少量電能即可利用壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)對建筑物的供暖；在夏季則能將建筑物內(nèi)的熱能轉(zhuǎn)移釋放至海水當(dāng)中，此過程并不會對海水產(chǎn)生消耗及污染，且熱效率較高，占用土地資源較少，具有較好的應(yīng)用前景。

3.5 空氣源熱泵

空氣是一種清潔的可再生資源，空氣源熱泵（見圖2）將空氣作為取熱來源，具有極高的環(huán)保性，與地源熱泵、水源熱泵相比，其不會受到時(shí)間、空間及其他因素的限制，無須建造冷凍機(jī)房、鍋爐房，機(jī)組可隨意放置于地面或屋頂，在綠色生活理念背景下，空氣源熱泵系統(tǒng)對環(huán)境無污染，作業(yè)時(shí)無冷卻水的消耗，可在電腦自動控制下較好地適應(yīng)工作環(huán)境，因此，得到了社會各界的廣泛認(rèn)可。然而，空氣源熱泵系統(tǒng)與其他熱泵系統(tǒng)相比，其輸出功率更低，在北方室外溫度過低的地方會出現(xiàn)供熱量不足的情況，需搭配輔助加熱器使用，因此，空氣源熱泵技術(shù)的推廣效果并不理想。

4 熱泵技術(shù)的應(yīng)用——以地源熱泵技術(shù)在暖通系統(tǒng)中的應(yīng)用為例

4.1 地源熱泵技術(shù)在家用系統(tǒng)中的應(yīng)用

家用暖通系統(tǒng)是地源熱泵技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。在實(shí)際生活中，地源熱泵系統(tǒng)在各種設(shè)備的輔助下進(jìn)行地下淺層與住宅建筑之間的能量轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)對住宅建筑的供暖與制冷，最大限度地降低民眾在日常生活中對電能的需求，避免了煤炭、空調(diào)導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，同時(shí)，由于家用的熱泵系統(tǒng)無須搭配鍋爐，在作業(yè)期間又不會產(chǎn)生廢氣、廢水，從而減少了水蒸氣溫室氣體的排放，降低了環(huán)境污染，符合節(jié)能環(huán)保理念。對于供暖單位，可對同一建筑內(nèi)的不同業(yè)戶進(jìn)行單獨(dú)計(jì)費(fèi)，提高對整個(gè)系統(tǒng)的管理效率。

4.2 地源熱泵技術(shù)在集中系統(tǒng)中的應(yīng)用

集中暖通系統(tǒng)是地源熱泵技術(shù)應(yīng)用效果最為理想的領(lǐng)域。地源熱泵技術(shù)與集中系統(tǒng)的結(jié)合能為熱泵裝置的合理使用提供保障，例如，北方民眾在冬季開通的集中供暖服務(wù)，在保證相關(guān)設(shè)備、裝置安裝符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，熱泵裝置能夠持續(xù)作業(yè)，熱能通過管道輸送至各用熱建筑內(nèi)，不會出現(xiàn)間斷作業(yè)、供需關(guān)系快速變化的問題。同時(shí)，地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用能夠促進(jìn)水路、風(fēng)道及其他系統(tǒng)的合理設(shè)置，通過對集中暖通系統(tǒng)的需求進(jìn)行全面分析，避免了供暖偏差、供暖不及時(shí)的情況。

4.3 地源熱泵技術(shù)在分散系統(tǒng)中的應(yīng)用

分散暖通系統(tǒng)是指為用熱建筑進(jìn)行獨(dú)立的供暖服務(wù)，與集中暖通系統(tǒng)相比，分散暖通系統(tǒng)的熱能損耗更低，在管道合理鋪設(shè)的情況下提升了供暖工作效率，能及時(shí)為用熱建筑供暖，因此，多被用于學(xué)校、商場及其他場所，較好地滿足了對熱能獨(dú)立處理的需求。

4.4 水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)

水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)可在多個(gè)設(shè)備的組合下為地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用形成封閉式條件，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的高效調(diào)節(jié)，靈活性較強(qiáng)，能夠根據(jù)用熱建筑的需求進(jìn)行相應(yīng)處理，保證在不同季節(jié)均能實(shí)現(xiàn)良好的熱能轉(zhuǎn)移，滿足用熱建筑在供暖、制冷方面的需求。

5 結(jié)語

熱泵技術(shù)是一種新型的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)低位熱源向高位熱源的轉(zhuǎn)移，滿足民眾在日常生活中的供暖、制冷需求，在現(xiàn)今環(huán)境污染及能源短缺問題日益嚴(yán)峻的背景下，合理運(yùn)用新能源熱泵技術(shù)成為各行各業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。地?zé)?、太陽能、污水、海水、空氣等均可作為能量來源，利用熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱能的轉(zhuǎn)移，既可減少不可再生資源的消耗，又不會對環(huán)境造成污染，具有較高的環(huán)保性。新能源熱泵技術(shù)各有優(yōu)、缺點(diǎn)，如地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)營成本低，但可能對地質(zhì)造成影響，太陽能驅(qū)動熱泵系統(tǒng)適用于夏季，太陽能輔助熱泵系統(tǒng)適用于冬季，因此，在應(yīng)用熱泵技術(shù)時(shí)應(yīng)根據(jù)環(huán)境、氣候及其他條件適當(dāng)選擇。