孫源淵 吳榮華 孫春錦

摘 要：熱泵技術(shù)具有很好的節(jié)能性，是一種環(huán)保的能源利用方式，但熱泵系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展仍存在諸多弊端。綜述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外各類(lèi)熱泵技術(shù)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀；分析了熱泵系統(tǒng)的分類(lèi)方法以及不同種類(lèi)熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)；基于不同種類(lèi)熱泵在我國(guó)當(dāng)前應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了當(dāng)前熱泵系統(tǒng)存在的運(yùn)行效率不高、工程應(yīng)用難以推廣等關(guān)鍵問(wèn)題；從系統(tǒng)節(jié)能、系統(tǒng)合理化運(yùn)行與設(shè)計(jì)、規(guī)劃調(diào)峰等方面，對(duì)熱泵未來(lái)發(fā)展提出了展望，并創(chuàng)新性地提出了系統(tǒng)輸送能耗對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響的新觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：熱泵，熱泵應(yīng)用，輸送能耗，系統(tǒng)運(yùn)行效率 ，污水源熱泵

熱泵系統(tǒng)是通過(guò)消耗一小部分驅(qū)動(dòng)能源（電能），從低品位能源重取熱傳遞到中品位能源的高效、環(huán)保的能源利用裝置。在能源緊缺，環(huán)境污染嚴(yán)重的當(dāng)今社會(huì)具有很重大的科研價(jià)值以及重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前我國(guó)熱泵的發(fā)展迅速，無(wú)論是理論研究層面，還是工程使用層面，都在飛速蓬勃發(fā)展。

但是熱泵系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展也存在許多弊端，最突出的一點(diǎn)就是熱泵系統(tǒng)化研究欠缺。目前中國(guó)熱泵系統(tǒng)普遍具有系統(tǒng)運(yùn)行效率低，運(yùn)行穩(wěn)定性差，節(jié)能效果不顯著等問(wèn)題，解決此類(lèi)問(wèn)題，成為我國(guó)熱泵未來(lái)發(fā)展的重要突破口。

為了解決熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行不合理，系統(tǒng)整體運(yùn)行效率低下等問(wèn)題，以及規(guī)劃我國(guó)熱泵未來(lái)的發(fā)展方向，綜述了國(guó)內(nèi)外熱泵系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出了熱泵細(xì)化分類(lèi)的新方法，基于不同種類(lèi)的熱泵系統(tǒng)，指出系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的主要思路。

1 熱泵

1.1 基本原理

熱泵是一種通過(guò)消耗小部分高品位能源，從低品位能源中取熱傳遞到中品位能源的能源利用裝置，即消耗少部分的驅(qū)動(dòng)能源，供給用戶所消耗的能源以及吸收的大量低位能源，是一種高效的能源利用方式，利用這樣技術(shù)的逆向運(yùn)行還可以達(dá)到制冷的目的[1]。

根據(jù)能量守恒原理（熱力學(xué)第一定律）[2]，熱泵系統(tǒng)要從室內(nèi)取走冷量或熱量，則必然要有一個(gè)對(duì)應(yīng)的無(wú)限大冷源或熱源來(lái)提供一定的冷量或熱量與之相平衡。熱泵系統(tǒng)運(yùn)行方式為冬季供熱，夏季供冷，能量傳遞方向與溫度梯度方向相同，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，能量傳遞方向與溫度梯度方向相同時(shí)，需要有一定功輸入。目前，工程應(yīng)用中的熱泵系統(tǒng)（以蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)為主）效率很高，COP一般在4以上。當(dāng)前熱泵技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題是低溫?zé)嵩吹倪m宜性選擇，以及系統(tǒng)高效低能耗運(yùn)行。

1.2 應(yīng)用意義

熱泵技術(shù)給我們提供了一條能源消耗少，環(huán)境污染小的綠色節(jié)能新道路。在提供相同熱量的情況下，熱泵比燃煤，燃油鍋爐節(jié)約40%左右的一次能源，二氧化碳排放量可減少68%，二氧化硫排放量可減少93%，二氧化氮排放量可減少73%[3]。

2 分類(lèi)及特點(diǎn)

按熱泵的工作原理，熱泵系統(tǒng)可分為蒸汽壓縮式、吸收式熱泵、蒸汽噴射式熱泵、其他熱泵等。

2.1 蒸汽壓縮式熱泵

蒸汽壓縮式熱泵由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流膨脹部件、蒸發(fā)器等基本部件組成封閉回路，在其中充注循環(huán)工質(zhì)（如R22或R134a等），由壓縮機(jī)做功推動(dòng)工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)。工質(zhì)在蒸發(fā)器中發(fā)生蒸發(fā)相變，吸收低溫?zé)嵩吹臒崮埽辉趬嚎s機(jī)中由低溫低壓變?yōu)楦邷馗邏?，并吸收壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)能；最后在冷凝器中發(fā)生冷凝相變放熱，把蒸發(fā)、壓縮過(guò)程中獲得的能量供給用戶。

蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)以電能作為驅(qū)動(dòng)力，系統(tǒng)運(yùn)行效率很高[4]（COP>4），以燃煤鍋爐發(fā)電效率33%～42%為準(zhǔn)，蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)的一次能源利用效率可以超過(guò)100%，甚至接近200%。

蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)以其整體運(yùn)行效率高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，組成部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可利用熱源種類(lèi)多，能源利用率高，安全性好等特點(diǎn)，成為當(dāng)前應(yīng)用工藝技術(shù)最完善，推廣范圍最廣的熱泵系統(tǒng)。

2.2 吸收式熱泵

吸收式熱泵分為兩類(lèi)：第一類(lèi)吸收式熱泵（即增熱型熱泵），它以蒸汽、燃料（燃?xì)?、燃油）、廢熱水或廢蒸汽為驅(qū)動(dòng)熱源，把低溫?zé)嵩吹臒崃刻岣叩街小⒏邷?，從而提高了能源的品質(zhì)和利用效率。第二類(lèi)吸收式熱泵（即升溫型熱泵），它利用大量中間溫度的廢熱和低溫?zé)嵩吹臒釀?shì)差，制取溫度高于中間廢熱的熱量，從而提高了廢熱的品質(zhì)[5]。

第一類(lèi)吸收式熱泵包括蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、熱交換器和其他附件等。據(jù)測(cè)算，吸收式熱泵的供熱量等于從低溫余熱吸收的熱量和驅(qū)動(dòng)熱源的補(bǔ)償熱量之和，即，供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量（COP>1），根據(jù)不同工況，COP一般在1.65～1.85范圍[6]。盡管與蒸汽壓縮式相比（COP=4～5），效率較低，但是驅(qū)動(dòng)熱源可以不是電能。

第二類(lèi)吸收式熱泵組成與第一類(lèi)相似，最高可以提供150 ℃左右的熱量。第二類(lèi)吸收式熱泵的效率要相對(duì)較低（COP<1），主要應(yīng)用于一些對(duì)熱源具有特殊要求的行業(yè)，相對(duì)于純?nèi)剂匣螂娏┠埽淙跃哂邢喈?dāng)可觀的節(jié)能環(huán)保意義。

2.3 蒸汽噴射式熱泵

蒸汽噴射式熱泵由噴嘴、接受室、混合室和擴(kuò)壓室等部件組成，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小且沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)部件的熱力設(shè)備[7]， 工作時(shí)以蒸汽減壓前后的能量差作為動(dòng)力。從噴嘴高速?lài)姵龅墓ぷ髡羝纬傻蛪簠^(qū)，使蒸發(fā)器中的水在低溫下蒸發(fā)并吸收低溫?zé)嵩吹臒崮?，之后被工作蒸汽壓縮，在冷凝器中冷凝并放熱給用戶[8]。蒸汽噴射式熱泵的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用工藝中的富余蒸汽驅(qū)動(dòng)熱泵運(yùn)行，且無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，節(jié)能環(huán)保，工作可靠；主要缺點(diǎn)是制熱系數(shù)較低[9]。

2.4 其他熱泵

除了上述的幾種主要應(yīng)用的熱泵系統(tǒng)以外，還有幾種尚處于試驗(yàn)階段的新型熱泵系統(tǒng)。

化學(xué)熱泵是一種新型熱泵[10]，是指利用化學(xué)現(xiàn)象的熱泵，即利用化學(xué)反應(yīng)、吸收、吸附、濃度差等化學(xué)現(xiàn)象的熱泵?；瘜W(xué)熱泵具有不消耗電能，溫度提升幅度高，設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)容易，對(duì)環(huán)境的危害很小等優(yōu)勢(shì)。隨著余熱回收技術(shù)的發(fā)展，以及太陽(yáng)能等新型能源的開(kāi)發(fā)和利用，化學(xué)熱泵在節(jié)能減排領(lǐng)域?qū)?huì)有更廣闊的發(fā)展空間。

熱電熱泵的基本原理是珀?duì)柼?yīng)[11]，熱電單元是利用熱電效應(yīng)的基本工作單元。熱電熱泵的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，吸熱與放熱可隨電流方向靈活轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)緊湊；缺點(diǎn)是制熱系數(shù)低。因此限于在特殊場(chǎng)合（科研儀器、宇航設(shè)備等）或微小型裝置中使用[12]。

3 研究應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)，由于可用熱源種類(lèi)較多，蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)的發(fā)展方向也趨于多樣化。

3.1 空氣源熱泵

空氣源熱泵以室外空氣為供能熱源?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)簡(jiǎn)單，初期投資相對(duì)較低，相對(duì)于鍋爐集中供暖，空氣源熱泵系統(tǒng)高效節(jié)能，運(yùn)行可靠，熱損耗很低，并節(jié)約建筑面積，并具有很好的環(huán)保性，沒(méi)有特殊的環(huán)境或地理要求，適用范圍很廣[13]。但空氣源熱泵應(yīng)用也存在一系列技術(shù)難題：1）COP低，特別是制熱COP低，2）冬季溫度過(guò)低時(shí)，換熱器空氣側(cè)表面易結(jié)霜，且除霜不可靠，3）低溫工況的運(yùn)行效果差，主要表現(xiàn)為冬季溫度很低的時(shí)候，系統(tǒng)制熱量衰減迅速。

3.2 地下埋管式土壤源熱泵

地下埋管式土壤源熱泵，通常我們簡(jiǎn)單地稱(chēng)其為土壤源熱泵。在地下垂直地或水平地埋入塑料管，管內(nèi)通入循環(huán)工質(zhì)，使之成為循環(huán)工質(zhì)與土壤間的換熱器[14]。在冬季通過(guò)這一換熱器從地下取熱，成為熱泵的熱源；在夏季從地下取冷，成為熱泵的冷源。這就實(shí)現(xiàn)了冬存夏用或夏存冬用，這么看來(lái)，土壤更像一個(gè)儲(chǔ)能裝置[15.16]。土壤是熱泵良好的低溫?zé)嵩?，通過(guò)水的流動(dòng)和太陽(yáng)輻射熱的作用，土壤的表層貯存了大量的熱能。熱泵可以從土壤表層吸收熱量，土壤的持續(xù)吸熱率一般在25W/m2左右[17]。

3.3 地表水源熱泵

地表水熱泵系統(tǒng)的供能熱源是池塘、湖泊、河溪[22]中的地表水。在靠近江、河、湖、海等大量自然水體的地方利用這些自然水體作為熱泵的低溫?zé)嵩词且环N很恰當(dāng)?shù)哪茉蠢檬侄?。江、河、湖泊等地表水的分布與自然地理因素相關(guān)，地表水熱泵系統(tǒng)往往也會(huì)受到這些因素的限制。此外，與空氣源熱泵類(lèi)似，地表水溫也會(huì)受到自然環(huán)境因素的影響，當(dāng)環(huán)境溫度很低時(shí)熱泵的供熱量會(huì)呈現(xiàn)一定程度上的衰減，但是相對(duì)于空氣，水的比熱容要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)熱泵系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，只是熱泵運(yùn)行效率會(huì)有所下降。

3.4 污水源熱泵

污水源熱泵就是利用熱泵直接從城市污水中提取熱量，進(jìn)行民用供暖，是污水綜合利用的重要組成部分[25]。據(jù)測(cè)算，城市污水全部充當(dāng)熱源可解決近20%的城市建筑供暖，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 我國(guó)城市污水排放量和處理量也快速增加。

污水源熱泵利用的關(guān)鍵問(wèn)題有兩點(diǎn)：

1）阻塞污染問(wèn)題。污水屬于固、液兩相流體，其中攜帶大量尺度較大的污物和尺度較小的懸浮物[26]，極易堵塞換熱器，并在管壁上易形成大量的污垢，極大的影響換熱器的效率，污水中攜帶的腐蝕性物質(zhì)還會(huì)腐蝕輸送管道。

2）流動(dòng)換熱問(wèn)題。當(dāng)前污水實(shí)際是一種固、液兩相，固相多組分流動(dòng)的流體，其流動(dòng)特性和換熱特性與清潔水相比有很明顯的差別，無(wú)法精確地對(duì)污水的換熱特性和流動(dòng)特性的進(jìn)行，這就對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)和制造也提出了更高的要求。

3.5 海水源熱泵

海水源熱泵是通過(guò)熱泵把海水中的熱能提取出來(lái)加以利用。夏季熱泵用作冷水機(jī)組，海水作為冷卻水使用，代替冷卻塔，從而大大提高機(jī)組的COP值，據(jù)測(cè)算冷卻水溫度每降低1℃，機(jī)組制冷系數(shù)可提高2%～3%左右[29]；冬季通過(guò)熱泵的運(yùn)行，提取海水中的熱量用以建筑供暖。

節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行穩(wěn)定，是海水源熱泵的突出特點(diǎn)。目前海水源熱泵也面臨“三防”問(wèn)題，由于海水的自然化程度過(guò)高，內(nèi)部物質(zhì)組成極為復(fù)雜，對(duì)管路裝置的腐蝕性比污水更強(qiáng)，海洋生物易附著在管路上，會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的換熱性能[30]。海水水溫低，流量大，與清水的換熱過(guò)程特殊 [31]，具有溫差小，流量大等特點(diǎn)，其復(fù)雜的流動(dòng)傳熱特性，是阻礙海水源熱泵發(fā)展的又一重要關(guān)鍵問(wèn)題。研制防腐材料，改進(jìn)防腐工藝，開(kāi)發(fā)海洋生物除治技術(shù)，深入探索海水流動(dòng)及傳熱特性，是解決海水源熱泵推廣緩慢和工程應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。

4 發(fā)展展望

熱泵技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)是更高效、更節(jié)能、更環(huán)保，熱泵系統(tǒng)的總體發(fā)展趨勢(shì)是系統(tǒng)化，整體化，多元化。

適宜性建設(shè)。所謂適宜，就是要因地制宜，所選用與設(shè)計(jì)的熱泵系統(tǒng)要與供暖項(xiàng)目當(dāng)?shù)氐牡乩淼孛才c氣候環(huán)境相適宜。在項(xiàng)目處于規(guī)劃設(shè)計(jì)初期，要求對(duì)項(xiàng)目實(shí)施地進(jìn)行全面嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目疾?，從選址和熱源的選擇兩方面對(duì)項(xiàng)目的規(guī)劃建設(shè)進(jìn)行初步的定位。

系統(tǒng)節(jié)能，提升整體用能效率。熱泵系統(tǒng)中的耗能設(shè)備主要是熱泵機(jī)組和水泵（末端循環(huán)泵，取水泵等），二者耗能量占系統(tǒng)總耗能的98%以上。當(dāng)前中國(guó)熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率（COP）已經(jīng)達(dá)到了很高的水準(zhǔn)，平均運(yùn)行效率可達(dá)4.5～5.0，部分熱泵廠家生產(chǎn)的高效熱泵機(jī)組的COP甚至可以超過(guò)5.0，最高可達(dá)5.3～5.4。這樣部分熱泵設(shè)計(jì)者會(huì)盲目地認(rèn)為機(jī)組運(yùn)行效率高就等于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率高，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，沒(méi)有注意輸送能耗，導(dǎo)致選用的水泵能耗高于適用的水泵，使得系統(tǒng)COP大幅度衰減。

因此，注重水泵與機(jī)組相匹配，以系統(tǒng)COP作為熱泵系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)依據(jù)，才能將熱泵系統(tǒng)的高效節(jié)能最大化利用。

合理規(guī)劃與運(yùn)行調(diào)峰。系統(tǒng)規(guī)劃工作主要在建設(shè)初期，設(shè)計(jì)方需要對(duì)熱源的可利用總量有一個(gè)宏觀的把握，使其與供暖負(fù)荷進(jìn)行有機(jī)的融合與匹配，規(guī)劃制定出合理的能源利用方案。宏觀統(tǒng)籌熱源總量與供暖總負(fù)荷的合理匹配，加以輔助熱源，進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)峰，從而實(shí)現(xiàn)能源的綜合性利用，并可以實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩醋罡叻鹊睦?，最大程度的提高能源利用率，提升系統(tǒng)的節(jié)能效果。

熱泵機(jī)組細(xì)化分類(lèi)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)今市場(chǎng)上流通的熱泵機(jī)組大都以地下水工況作為設(shè)計(jì)依據(jù)，而當(dāng)前地下水由于其自身的局限性已經(jīng)被其他新的熱源所取代，目前污水、地表水、海水等已經(jīng)成為主流低溫?zé)嵩?。建議依據(jù)熱源自身特點(diǎn)的不同，對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)行量身定做，細(xì)化熱泵機(jī)組的分類(lèi)，產(chǎn)業(yè)化推廣適用于不同熱源的熱泵機(jī)組。

5 結(jié)論

熱泵機(jī)組作為一種新型的能源利用方式，其高效節(jié)能性已經(jīng)在整個(gè)行業(yè)中達(dá)成了共識(shí)，但現(xiàn)階段熱泵系統(tǒng)的發(fā)展仍存在一些問(wèn)題。通過(guò)分析當(dāng)前我國(guó)熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行過(guò)程的存在的一系列問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)其中最突出的一點(diǎn)就是熱泵機(jī)組的效率很高，但系統(tǒng)整體運(yùn)行效率低，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中并不節(jié)能甚至費(fèi)能。

中國(guó)熱泵的發(fā)展?jié)摿ι形慈客诰虺鰜?lái)，熱泵系統(tǒng)還具有極為廣闊的發(fā)展空間。基于熱泵系統(tǒng)的整體系統(tǒng)化研究，從選址，熱源選擇，系統(tǒng)節(jié)能，運(yùn)行管理等幾個(gè)方面對(duì)熱泵系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展給出了建設(shè)性的指導(dǎo)方向，創(chuàng)新性的提出了系統(tǒng)輸送能耗對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響，并指出現(xiàn)階段熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的局限性，提出了細(xì)化分類(lèi)，熱泵機(jī)組應(yīng)與熱源相適應(yīng)的新思路。

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作者簡(jiǎn)介

孫源淵（19909-），男，山東平度，碩士研究生，熱泵及節(jié)能技術(shù)。