暖通空調領域新能源熱泵技術的應用

蘇 丹 太原市熱力集團有限責任公司

1 前言

新形勢下，人們生活水平的持續(xù)提升，使得人們對于舒適度的需求程度不斷加深。同時，在節(jié)能環(huán)保理念與人們日常工作生活深度融合的今天，使得暖通空調這種占用建筑總能耗比例達到70%的供熱制冷系統(tǒng)，已經無法符合現階段人們對于暖通空調系統(tǒng)的需求標準。為此，尋求出資源豐富、可循環(huán)再生、以及具有良好節(jié)能環(huán)保效果的新能源，并配以相應的節(jié)能技術，就成為時下暖通空調領域亟待解決的關鍵性問題。國務院新聞辦公室于2020年12月21日發(fā)布《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書，其中顯示截至2019年底，北方采用清潔取暖面積已然達到116億平方米，而北方農村地區(qū)清潔取暖率已然達到31%?，F階段，熱泵技術作為能量轉移的一種裝置，可通過較少能量的消耗而獲取到較高的熱量與冷量。由于地區(qū)與環(huán)境差異，應用到暖通空調領域的新能源熱泵技術也多種多樣。如空氣源熱泵、太陽能熱泵、污水源熱泵等。這也與白皮書所秉承的堅持、創(chuàng)新、綠色、開放、共享的原則和理念相契合。通過對這些新能源熱泵技術做出研究，便于暖通空調領域朝向節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)化方向發(fā)展，也便于對此類新能源熱泵技術加以深入應用。

2 熱泵技術應用原理

2.1 供暖原理

熱泵技術的用途之一，即是進行供暖作業(yè)。供暖環(huán)節(jié)需通過壓縮器、冷凝器、蒸發(fā)器，以及制冷劑等進行作用而實現。其供暖原理可做如下闡述：首先，做好供暖前的準備工作。優(yōu)先進行熱泵系統(tǒng)的電路設備檢測，確保各設備之間均以電流實施驅動。隨后，將制冷劑等供暖原料，放置于熱泵系統(tǒng)制冷回路內。接入電源后，壓縮機運轉，并將放置于其中的制冷劑進行壓縮，使之形成高溫高壓的氣體。而在經由冷凝器后，制冷劑便通過冷凝效果成為制冷液體[1]。將生成的制冷液體傳輸至蒸發(fā)器內，則其中的制冷液體便能夠通過壓縮器，進行傳熱系統(tǒng)熱量的吸收。將蒸發(fā)器和傳熱系統(tǒng)連接后，熱交換便由此完成。通常情況下，熱交換所形成的高溫氣體，其溫度約為90℃。再將熱量由冷凝器傳輸至空調終端，實現供暖。

2.2 制冷原理

熱泵技術中的制冷原理類似于供暖原理。與之不同之處在于，制冷過程中雖然仍需應用到制冷回路，但需通過轉換閥與空調終端及傳熱系統(tǒng)相連接。同時，傳熱系統(tǒng)與冷凝器連接，卻不連接蒸發(fā)器。其制冷原理可闡述為：在地下水及冷凝器與室內熱空氣連接后，就能促使熱交換的實現。其中，蒸發(fā)器作為制冷原理中的重要工序設備，其作用在于對熱量進行吸收，使制冷劑逐漸由液態(tài)轉變成為氣態(tài)，做出反復的循環(huán)，實現制冷操作[2]。

之所以采用熱泵技術，其主要原因在于熱泵技術，尤其是新能源熱泵技術，其優(yōu)勢在于節(jié)能減排，并在制冷中生成大量余熱。在實際生活中，可對所生成的大量余熱加以利用，如小范圍供暖、燒水等，既能減少能量的多余應用，又能做到熱量的節(jié)約，避免浪費。

3 暖通空調領域新能源熱泵技術應用

3.1 污水源熱泵技術

污水源熱泵技術應用時間較短，是一種依托城市污水改造程度上的新型能源熱泵技術。如圖1所示。

圖1 污水源熱泵系統(tǒng)

在實際應用過程中，由于城市污水較之江河水，具有溫度上的持續(xù)穩(wěn)定性，具備熱能特征，進而使其成了城市污水治理以及暖通空調應用領域的重要技術形式。其主要優(yōu)勢在于：原料來源為城市污水、廢水，在對污水廢水加以回收利用后，使城市水資源消耗程度得以減輕；同時兼顧加熱與制冷雙重效果，減少暖通空調系統(tǒng)中對于鍋爐及冷卻塔的應用；環(huán)保性能良好，不僅能對城市污水、廢水等加以利用，還不會對環(huán)境進行污水的排放，減少城市環(huán)境的破壞[3]。但該技術也存在部分應用問題未能解決，如污水堵塞、換熱器結垢明顯，以及污水水質處理等。

3.2 太陽能熱泵技術

現階段應用于暖通空調領域的太陽能熱泵技術，是一種將太陽能技術與熱泵技術相結合技術形式。該技術同樣具有加熱與制冷兼顧的特點。在應用太陽能熱泵技術實施供暖環(huán)節(jié)中，可利用微乎其微的電能，獲取到成倍增長的電能熱量，且對于低溫熱源也能夠做到合理且有效的利用。在實際應用過程中，太陽能熱泵技術存在分散性與間歇性問題，但當該技術與地源熱泵技術和空氣源熱泵技術耦合后，這一問題便可得到有效的解決。在應用太陽能熱泵技術實施制冷環(huán)節(jié)中，需要在水泵、集熱器，以及蓄熱水箱的基礎上，加入熱交換器和儲冷水箱等設備[4]。當壓縮機中制冷劑經作用蒸發(fā)，并對儲冷水箱中的熱量進行吸收及降溫后，熱交換器便可對空氣及水的問題進行降低，再經由制冷輸出設備進行冷氣的排出，起到應有的室內降溫作用。

3.3 空氣源熱泵技術

空氣源熱泵技術產生于20世紀20年代末期，作為最為常見的可再生能源技術，空氣源熱泵技術除受到氣候因素制約外，在應用范疇上較之其他新能源熱泵技術更為廣泛。這種新能源熱泵技術在暖通空調領域的應用效果極為顯著，據不完全統(tǒng)計，空氣源熱泵所實現的空調節(jié)能效果，可在進行較少電能應用情況下，獲取到超出傳統(tǒng)暖通空調系統(tǒng)4～6倍的熱能。例如：以哈爾濱市為例，2020年哈爾濱取暖費居民住宅供熱價格為28元/m2，非居民住宅取暖費價格為32元/m2，若采用空氣源熱泵技術的暖通空調系統(tǒng)，其供暖費用低于燃氣壁掛爐15%～40%，較之電能供暖節(jié)約費用更是超過60%。若將空氣源熱泵技術應用于四季分明地區(qū)，則相比于壁掛爐和電采暖，其供暖費用則分別節(jié)省48%和26%[5]。同時，空氣源熱泵系統(tǒng)在應用過程中，也具有較好的節(jié)能環(huán)保效果，其污染物排放也相對較低。現階段，很多集中供暖與制冷的場所，對于空氣源熱泵技術的應用也愈發(fā)普遍，如商場、醫(yī)院等。但該技術在暖通空調領域的應用過程中，也存在著一些亟待改進或創(chuàng)新的技術難點。尤其在低溫環(huán)境下，空氣源熱泵的適應性偏差。其主要原因在于以下方面。

其一，在低溫環(huán)境中，壓縮機較易因過熱而出現停機現象，為確保空氣源熱泵系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，仍需進行電加熱輔助；

其二，低溫狀態(tài)時COP值處于較低狀態(tài)；

其三，空氣源熱泵在熱輸出功率方面，無法滿足熱負荷需求等。

3.4 地源熱泵技術

地源熱泵技術，是利用地表（下）水或巖土體作為低溫熱源，并結合水源熱泵機組和熱能交換系統(tǒng)所構建出的供熱空調系統(tǒng)。地源熱泵技術在應用過程中，能夠實現自低溫環(huán)境熱能到高溫環(huán)境熱能的有效轉化，其不僅替代了鍋爐與空調系統(tǒng)，還能夠進行生活熱水的供應。對于地緣熱泵技術而言，其所具有的特點極為明顯，如節(jié)能環(huán)保、具有較強的清潔性與高效性。在與傳統(tǒng)暖通系統(tǒng)相比，其所消耗的電能更是不足傳統(tǒng)暖通系統(tǒng)的30%[6]。與此同時，地源熱泵技術在應用中不會進行水資源的消耗，更不會排放污染環(huán)境與水源的污染物。除此之外，地源熱泵系統(tǒng)所應用到的設備機組，也因其緊密的結構和偏少的部件，為建筑結構節(jié)省下充足的安置空間。在此基礎上，低維護成本和高運行穩(wěn)定性，也是地源熱泵技術在暖通空調領域應用的優(yōu)勢之一。而地源熱泵系統(tǒng)在暖通空調領域的應用也可體現為圖2所示。

圖2 地源熱泵系統(tǒng)在暖通空調領域的應用

由此可以看出，在利用地源熱泵進行供暖環(huán)節(jié)中，壓縮機通過對冷媒實施作用，實現氣體—液體的轉換，地埋管中水路循環(huán)在對眼土地或地表水等熱量進行吸收后，利用冷凝設備的蒸發(fā)原理實現冷媒循環(huán)產生熱量。將所生成的熱量經由風機盤管吸收，并輸送至室內，達到為室內供暖的目的。而在利用地源熱泵進行制冷環(huán)節(jié)中，壓縮機依然對冷媒實施作用，并進行冷媒流向調節(jié)。冷媒在蒸發(fā)器中進行蒸發(fā)，再經由風機盤管吸收室內熱量至冷媒中，而冷媒器通過冷凝作用，把吸收到的熱量輸送至地埋管水路內，并進而釋放熱量至巖土體或地表水中。

4 結束語

綜上所述，新能源熱泵技術在暖通空調領域的應用，不僅能夠有效的節(jié)約能源，還能夠有效的保護周邊環(huán)境。同時，在一些可再生能源的應用后，暖通空調系統(tǒng)的能耗也將大幅度降低，進而在確保節(jié)能環(huán)保的情況下，進一步促使新能源利用率得到大幅度提升。雖然一些新能源熱泵技術在暖通空調領域中應用時，仍存在部分亟待改良的技術障礙或弊端，但相信隨著科學技術的不斷完善與創(chuàng)新，這些問題均將迎刃而解。