孫源淵 吳榮華 于灝

（青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266071）

人工冷熱源池?zé)岜孟到y(tǒng)的研究進(jìn)展

孫源淵 吳榮華 于灝

（青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266071）

熱泵技術(shù)是一種高效環(huán)保的能源利用方式。低溫?zé)嵩磁c熱需求時(shí)空分配不均等問題，大大限制了熱泵系統(tǒng)的推廣與發(fā)展。針對(duì)目前熱泵系統(tǒng)面臨的熱源難尋等問題，提出將儲(chǔ)能技術(shù)與熱泵技術(shù)相結(jié)合，解決熱源與熱需求不匹配的問題，提高能源利用率，更大程度的開發(fā)使用低品位能源，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。綜述了當(dāng)前熱泵系統(tǒng)的分類及發(fā)展進(jìn)程，提出了人工冷熱源池（Artificial Thermal Energy Storage Pool，簡稱ATESP）熱泵系統(tǒng)的新型發(fā)展思路，總結(jié)了ATESP內(nèi)部熱量傳遞機(jī)理的研究進(jìn)展，并指出太陽輻射與土壤熱濕遷移是影響ATESP內(nèi)部熱量傳遞的主要因素。

熱泵；相變儲(chǔ)熱；地表水源熱泵；地源熱泵；污水源熱泵

引言

在我國當(dāng)前所有能源消耗中，建筑能耗占社會(huì)總能耗的比例已達(dá)30%左右。若不采取有效的建筑節(jié)能措施，按照目前的建筑能耗狀況，至2020年我國建筑能耗將比2004年增加2.5億t/年標(biāo)煤和耗電5800～6300 億度/年，總計(jì)折合電力約 1.3 萬億度[1～3]。

熱泵技術(shù)作為一種新型的能源利用方式，當(dāng)前存在低品位熱源與熱需求時(shí)空分配不均等問題，這就造成熱泵系統(tǒng)無熱可用、有熱難用[4]。采用儲(chǔ)熱技術(shù)效緩解能量供求雙方在時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度上的不匹配，是合理利用能源及減輕環(huán)境污染的有效途徑，也是廣義熱能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的重要手段[5]。

1 熱泵技術(shù)

1.1 熱泵基本原理及發(fā)展意義

熱泵是一種通過消耗小部分電能，從低品位能源中取熱傳遞到中品位能源的能源利用裝置[6]。

圖1 熱泵技術(shù)的基本原理

根據(jù)能量守恒原理（熱力學(xué)第一定律），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)的無限大冷源或熱源來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，即消耗一定量的電能。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）效率都很高，COP可以達(dá)到4以上，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。

1.2 熱泵系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

熱泵這種設(shè)想最早由英國物理學(xué)家湯姆森于1852年提出[7]。中國的熱泵發(fā)展起步要晚很多，20世紀(jì)50年代，天津大學(xué)熱能研究所開始著手開展熱泵方面的研究工作。

目前隨著我國建筑節(jié)能意識(shí)的不斷提高，熱泵作為一種高效環(huán)保的能源利用方式，已經(jīng)主要被應(yīng)用在建筑供暖供冷方面，推廣普及趨勢也極為迅速。

縱觀熱泵發(fā)展的歷程，不同種類的熱泵系統(tǒng)層出不窮，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域及工作原理的不同（表1），可大體分為蒸汽壓縮式（也稱為機(jī)械壓縮式熱泵）、吸收式熱泵、化學(xué)熱泵、蒸汽噴射式熱泵、熱電熱泵等。

根據(jù)熱源種類的不同，熱泵系統(tǒng)還能夠分為空氣源熱泵、土壤源熱泵、地表水源熱泵、海水源熱泵、污水源熱泵、復(fù)合熱泵[8～11]等（如表2）。

熱泵系統(tǒng)發(fā)展的生命力在于新型低品位熱源的探索與發(fā)現(xiàn)，縱然自然界中存在大量適宜的冷熱源，但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中還是會(huì)存在一系列的難題，空氣源、土壤源熱泵的冷、熱源沒有地域及環(huán)境的限制，但是該系統(tǒng)的運(yùn)行效果較其他熱源要差一些，而像以海水、污水、地表水等為冷熱源的熱泵系統(tǒng)，此類熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率高，系統(tǒng)穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保性能顯著，但在工程應(yīng)用中會(huì)受到地域分布的限制，由此可見，冷熱源的開發(fā)和研究依舊是熱泵系統(tǒng)發(fā)展的一大方向。

1.3 熱泵技術(shù)發(fā)展存在的問題

表1 熱泵系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

表2 熱泵分類及優(yōu)缺點(diǎn)

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

目前熱泵系統(tǒng)發(fā)展面臨的主要問題就是低品位熱源匱乏，低位熱源與熱需求在時(shí)空上的不同步大大限制了熱泵技術(shù)的應(yīng)用和推廣，新型低品位熱源的開發(fā)及研究已經(jīng)成為未來推動(dòng)熱泵系統(tǒng)發(fā)展的主要研發(fā)方向之一。

2 蓄能技術(shù)

2.1 蓄能技術(shù)基本原理及分類

蓄能技術(shù)是指利用儲(chǔ)能介質(zhì)自身特性完成能量的吸收與釋放來儲(chǔ)存和釋放能量，可以有效緩解能量供求雙方在時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度上的不匹配，解決無熱可用、有熱難用等問題，通常也成為儲(chǔ)能技術(shù)。

根據(jù)儲(chǔ)能時(shí)間周期的不同，儲(chǔ)能系統(tǒng)可分為短期（臨時(shí)）儲(chǔ)熱系統(tǒng)和季節(jié)性儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例如表3。

表3 根據(jù)儲(chǔ)能周期不同，儲(chǔ)能技術(shù)的分類對(duì)比表

根據(jù)蓄能方式的不同，蓄能技術(shù)又可分為顯熱蓄能、潛熱蓄能、化學(xué)反應(yīng)熱蓄能等，三類蓄能方式的對(duì)比如表4。

表4 根據(jù)蓄能方式不同，蓄能技術(shù)分類對(duì)比表

2.2 相變儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

相關(guān)的蓄熱池在蓄能和釋能過程中的傳熱機(jī)理雖未見報(bào)道，但已有的其它相變蓄能方式的理論研究工作對(duì)本課題仍具有重要參考價(jià)值。Lacroix（1993）[12]對(duì)殼體內(nèi)為相變材料、管內(nèi)為換熱流體的管殼式相變蓄能模型進(jìn)行了理論研究。Ismail和Alves（2001）也對(duì)一種管殼式潛熱蓄能系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算。Zivkovic和Fujii對(duì)長方體形和圓柱形相變蓄能單元的傳熱模型進(jìn)行了數(shù)值分析。

2.3 儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)可行性分析

將顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)與熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，既可以避免吸收潛熱造成的結(jié)冰問題，同時(shí)還能夠保留儲(chǔ)熱技術(shù)的一系列優(yōu)勢。目前，基于儲(chǔ)熱技術(shù)與熱泵技術(shù)相耦合的人工冷熱源池?zé)岜孟到y(tǒng)（Artificial Thermal Energy Storage Heat Pump，簡稱ATESHP，圖2）已處于中試階段。經(jīng)過一個(gè)采暖季和一個(gè)供冷季的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行及運(yùn)行工況實(shí)時(shí)監(jiān)控，本系統(tǒng)完全可以滿足冬季供暖夏季供冷的運(yùn)行要求，且運(yùn)行穩(wěn)定。

圖2 人工冷熱源池?zé)岜孟到y(tǒng)原理示意圖

3 結(jié)論

熱泵系統(tǒng)以其高效、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢，在供暖空調(diào)等行業(yè)中逐漸占據(jù)了越來越重要的位置。隨著國家對(duì)節(jié)能減排的重視程度不斷增加，熱泵系統(tǒng)必將會(huì)引起政府，社會(huì)的高度重視。將儲(chǔ)熱技術(shù)與熱泵技術(shù)相結(jié)合，提出人工冷熱源池?zé)岜孟到y(tǒng)的新型發(fā)展思路，利用儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)熱量的跨時(shí)間、跨空間傳遞，解決熱泵系統(tǒng)熱源在空間上分布不均勻，時(shí)間上與熱需求不匹配等問題，將建筑的暖通空調(diào)需求和諧地納入了生態(tài)循環(huán)之中，減少了建筑供暖空調(diào)過程中常規(guī)能源的消耗和溫室氣體的排放，為建設(shè)“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”社會(huì)提供有力的保障。

[1]江 億.我國建筑能耗狀況及有效的節(jié)能途徑[J].暖通空調(diào)，2005，35（5）：30～40.

[2]張聲遠(yuǎn)，楊秀，江億.我國建筑能源消耗現(xiàn)狀及其比較[J].中國能源，2008，30（7）：37～42.

[3]國家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司.2010年中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒[J].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2010.

[4]馬最良.熱泵技術(shù)應(yīng)用理論基礎(chǔ)與實(shí)踐[J].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5]Kurt Roth，James Brodrick.Seasonal Energy Storage [J].ASHRAE JOURNAL，2009：41～43.

[6]崔海亭，楊鋒.蓄熱技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[7]姚 楊，馬最良.淺議“熱泵”定義[J].暖通空調(diào)，2002（03）.

[8]Bertsch S.S，Groll E.A.Two-stage air-source heat pump for residential heating and cooling applications in northern US climates[J].Int J Refrig 2008，31（7）：1282～1292.

[9]孫德興，吳榮華，張承虎，劉志斌.開發(fā)水源技術(shù)解決熱泵發(fā)展的瓶頸問題[J].中國勘察設(shè)計(jì)，2006，21（5）：30～32.

[10]毛大慶.城市循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的污水熱能資源開發(fā)與水資源再生一體化研究[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2006（8）：133～137.

[11]吳榮華，孫德興，張成虎，馬廣興.城市污水源熱泵的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（08）.

[12]Lacroix M.Numerical simulation of a shell-and-tube latent heat thermal energy storage unit[J].Solar Energy，1993，50（4）：357～367.

TU833.3

A

1004-7344（2016）10-0316-02

科技惠民計(jì)劃（2013GS370204）。

2016-3-18