陳穎+徐玉黨+江娟+李芳芳

摘 要 熱泵技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)，利用地?zé)崮?、空氣能、太?yáng)能和污水能等新能源對(duì)建筑物進(jìn)行制冷供熱，能夠降低暖通空調(diào)的能耗，對(duì)于節(jié)能環(huán)保具有顯著效果。本文通過對(duì)新能源熱泵技術(shù)的工作原理及在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，然后對(duì)各種新能源熱泵技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，最后探討了各種新能源熱泵技術(shù)目前存在的技術(shù)難點(diǎn)，希望給相關(guān)人士提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞 熱泵技術(shù) 地?zé)崮?太陽(yáng)能 空氣能 污水能

中圖分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.09.023

Abstract Heat pump technology is a kind of economic and effective energy-saving technology， use of geothermal energy， air， solar energy and sewage can new energy to buildings for heating and cooling， and can reduce the energy consumption of HVAC， for energy conservation and environmental protection has significant effect. In this paper， by application on the and the working principle of the new energy heat pump technology in the field of heating， ventilation and air conditioning are introduced in this paper， and then analyzed the characteristics of all kinds of new energy heat pump technology， and discusses the technical difficulties existing in all kinds of new energy heat pump technology， hoping to provide some reference to the relevant people.

Key words heat pump technology； geothermal energy； solar energy； air energy； sewage energy

當(dāng)今社會(huì)人們對(duì)于舒適度的要求不斷提高，在建筑項(xiàng)目中暖通空調(diào)的應(yīng)用與居住環(huán)境的舒適度密切相關(guān)，而暖通空調(diào)所用能源占建筑總能耗的70%。尋找資源豐富并且對(duì)環(huán)境友好型的新能源，采取更加節(jié)能的技術(shù)加以利用是降低暖通空調(diào)能耗及建筑總能耗的有效途徑。

熱泵是一種利用卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)原理轉(zhuǎn)移熱量和冷量的裝置，其實(shí)質(zhì)是一種能量提升裝置，它通過消耗小部分能量（電能或熱能）將低溫?zé)嵩粗械臒崮苻D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩矗且环N有效的節(jié)能新技術(shù)。熱泵按照利用的熱源類型不同可分為地源熱泵、空氣源熱泵、太陽(yáng)能熱泵、污水源熱泵和雙源熱泵等。本文就新能源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域利應(yīng)用及發(fā)展態(tài)勢(shì)展開研究。

1 地源熱泵

1.1 地源熱泵的工作原理

根據(jù)國(guó)家地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定：地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)及建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。國(guó)外上世紀(jì)60年代就已提出，并且快速商品化應(yīng)用到商場(chǎng)、住宅及學(xué)校等場(chǎng)所。我國(guó)地源熱泵起源于從上世紀(jì)90年代至今已有20多年的歷史，經(jīng)過國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者的共同研究也已取得較大的進(jìn)步。①地源熱泵系統(tǒng)既能制冷又能供熱，一套系統(tǒng)取代了空調(diào)和鍋爐兩個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)還可以提供生活熱水。地源熱泵在運(yùn)行過程中通過輸入少量的高品位能達(dá)到將低溫環(huán)境中的熱能轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境中的目的，實(shí)現(xiàn)為建筑制冷供熱的目標(biāo)，大大降低了暖通空調(diào)的能耗，提高了能源利用率。

冬季供暖，壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功使其進(jìn)行氣-液轉(zhuǎn)換的循環(huán)。地埋管中水路循環(huán)吸收巖土體、地下水或地表水的熱量通過冷凝器中冷媒的蒸發(fā)轉(zhuǎn)移到冷媒中，通過冷媒循環(huán)在蒸發(fā)器內(nèi)冷凝產(chǎn)生的熱量，該熱量被風(fēng)機(jī)盤管吸收送到室內(nèi)為房間供暖。

夏季制冷，壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功并且調(diào)節(jié)閥門改變冷媒流向。通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)通過風(fēng)機(jī)盤管將室內(nèi)房間中的熱量轉(zhuǎn)移到冷媒中，冷媒循環(huán)到冷凝器內(nèi)冷凝將熱量轉(zhuǎn)移到地埋管水路循環(huán)中，由水路循環(huán)將該熱量釋放到巖土體、地下水或地表水中。

1.2 地源熱泵的特點(diǎn)

地源熱泵具有清潔環(huán)保、節(jié)能高效的特性。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電能取暖相比電能消耗降低70%，在運(yùn)行過程中既不消耗水源，也不會(huì)向水源、空氣中排放污染物質(zhì)。地源熱泵機(jī)組零部件小、結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省建筑空間。地源熱泵系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠性高，維護(hù)成本低，使用壽命長(zhǎng)。

地源熱泵技術(shù)清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)可行性高，得到了政府部門的大力支持和引導(dǎo)。2003年被政府部門作為建筑行業(yè)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的重大成果大力推廣；2006年《中華人民共和國(guó)可再生能源法》將地?zé)崮艿拈_發(fā)與利用列入新能源鼓勵(lì)發(fā)展范圍；2010年《關(guān)于加快推行合同能源管理促進(jìn)節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展意見的通知》解決了地源熱泵系統(tǒng)初期投資大的難題；2012年《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》明確了地?zé)崮芤?guī)劃的發(fā)展目標(biāo)。國(guó)家和地方頒布的一系列政策法規(guī)都為地源熱泵技術(shù)的推廣提供的良好的發(fā)展環(huán)境。②

1.3 地源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)狀

在長(zhǎng)期研究使用過程中也發(fā)現(xiàn)了地源熱泵的許多不足之處。地質(zhì)條件限制，對(duì)于使用地下水源熱泵的項(xiàng)目在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)前必須了解當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)水資源使用的政策法規(guī)，對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境進(jìn)行勘測(cè)確保大量開采地下水不會(huì)引起地面裂縫、沉降或塌陷等問題。必須采取安全可靠的地下水回灌措施，保證不會(huì)對(duì)地下水源造成污染和浪費(fèi)。③初投資大回收期長(zhǎng)，地源熱泵系統(tǒng)由于施工工藝限制打井得到達(dá)一定的深度才能得到常年恒定的環(huán)境溫度，初投資相對(duì)空氣源熱泵、太陽(yáng)能熱泵而言較高，因此需要政府的大力支持與推廣。

2 空氣源熱泵

2.1 空氣源熱泵發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)

熱泵的設(shè)計(jì)最早于19世紀(jì)50年代由英國(guó)科學(xué)家開爾文提出，直到1917年第一臺(tái)工業(yè)用熱泵在德國(guó)被制造出來，1927年第一臺(tái)家用空氣源熱泵由蘇格蘭制造并投入使用。我國(guó)空氣源熱泵技術(shù)最早于上世紀(jì)50年代由天津大學(xué)呂燦仁教授提出，并于1965年成功研制出第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)水冷式熱泵空調(diào)機(jī)組?？諝庠礋岜檬抢秒娔茯?qū)動(dòng)壓縮機(jī)通過冷媒循環(huán)，獲取環(huán)境空氣中能量的設(shè)備。

空氣能是取之不盡用之不竭的可再生能源，空氣源熱泵正是采用這種可再生能源輔以清潔的電能進(jìn)行能量提升的節(jié)能設(shè)備。相對(duì)于地源熱泵、太陽(yáng)能熱泵和污水熱泵，空氣源熱泵適用區(qū)域更為廣闊，除了氣候條件的限制外幾乎不受其他任何限制?？諝庠礋岜每照{(diào)節(jié)能效果顯著，通過輸入少量的電能可以得到3～4倍的熱能，④系統(tǒng)安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低。據(jù)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)冬季運(yùn)行費(fèi)用數(shù)據(jù)顯示：在嚴(yán)寒地區(qū)比燃?xì)獗趻鞝t節(jié)省15%，比電采暖節(jié)省60%；在寒冷地區(qū)比燃?xì)獗趻鞝t節(jié)省50%，比電采暖節(jié)省70%；在夏熱冬冷地區(qū)比燃?xì)獗趻鞝t節(jié)省41%，比電采暖節(jié)省24%。在運(yùn)行過程中，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境的污染物排放也極低，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

隨著新型建筑保溫材料的發(fā)明和空氣源熱泵技術(shù)的不斷完善，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)憑借其節(jié)能、環(huán)保、安全和美觀等優(yōu)點(diǎn)快速商品化，逐步應(yīng)用于商場(chǎng)、酒店、大型車站、綜合醫(yī)院等集中供暖制冷的場(chǎng)所。

2.2 空氣源熱泵存在的問題

空氣源熱泵低溫適應(yīng)性差，普遍存在的問題有：（1）熱泵的熱輸出功率遠(yuǎn)低于熱負(fù)荷需求；（2）低溫環(huán)境下壓縮機(jī)運(yùn)行容易過熱導(dǎo)致停機(jī)，需要電加熱輔助；（3）低溫環(huán)境下的COP值偏低等。⑤需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)有：（1）減少室外機(jī)的霜凍現(xiàn)象和縮短化霜時(shí)間；（2）壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓縮和變頻運(yùn)行；（3）與其它熱泵耦合使用等。

3 太陽(yáng)能熱泵

3.1 太陽(yáng)能熱泵采暖

太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)是將太陽(yáng)能利用技術(shù)和熱泵技術(shù)有機(jī)組合的復(fù)合型技術(shù)，其采暖系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)（包括：太陽(yáng)能集熱器、水泵和蓄熱水箱等）和熱泵系統(tǒng)（包括：壓縮機(jī)、換熱器、節(jié)流閥、散熱器等）組成。太陽(yáng)能熱泵采暖系統(tǒng)突出的優(yōu)點(diǎn)就是通過極少量的電能獲得數(shù)倍于電能的熱量，能夠有效利用低溫?zé)嵩?。與地源熱泵、空氣源熱泵耦合使用能夠有效克服太陽(yáng)能的分散性和間歇性等問題的不足。⑥

3.2 太陽(yáng)能熱泵制冷

太陽(yáng)能熱泵制冷系統(tǒng)與采暖系統(tǒng)相比增加了熱交換器、儲(chǔ)冷水箱及制冷末端等設(shè)備，其工作原理是利用制冷劑在壓縮機(jī)的作用下蒸發(fā)吸收儲(chǔ)冷水箱的熱量降低其溫度，儲(chǔ)冷水箱通過熱交換器降低管道中空氣或水等介質(zhì)的溫度，通過管道將冷量送至制冷末端設(shè)備達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的。

3.3 太陽(yáng)能熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

太陽(yáng)能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，通過熱泵技術(shù)利用太陽(yáng)能是解決當(dāng)前能源危機(jī)的一種重要途徑。太陽(yáng)能熱泵在進(jìn)一步發(fā)展中還需要克服太陽(yáng)能分散性、不穩(wěn)定性強(qiáng)，項(xiàng)目初投資費(fèi)用高，各個(gè)生產(chǎn)廠家標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題。

4 污水源熱泵的工作原理及特點(diǎn)

污水源熱泵技術(shù)從城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展中應(yīng)運(yùn)而生，成為一種“新能源”利用技術(shù)。城市污水全年溫度變化小，相對(duì)江河水溫度穩(wěn)定，具有良好的熱能特征。污水源熱泵是以城市污水為冷熱源，利用熱泵原理提升能量為建筑物制冷供熱的節(jié)能設(shè)備。在一定程度上緩解了當(dāng)前能源與環(huán)境的緊張形勢(shì)。

污水源熱泵能夠有效回收城市污水的廢熱，利用熱泵技術(shù)既可以制冷又可以供暖，省去了鍋爐系統(tǒng)和冷卻塔等設(shè)備。運(yùn)行過程中不向環(huán)境排放任何廢水、廢渣和廢氣，節(jié)能環(huán)保效果顯著。目前污水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用還有許多技術(shù)問題亟待解決，如污水水質(zhì)處理、污水堵塞及換熱器污染結(jié)垢等。

5 總結(jié)

熱泵技術(shù)作為一種高效的節(jié)能技術(shù)對(duì)清潔環(huán)保的地?zé)崮?、空氣能、太?yáng)能和污水能等新能源加以利用為建筑物制冷供熱，起到了降低暖通空調(diào)的能耗和建筑總能耗的作用，實(shí)現(xiàn)了提高能源的利用率，節(jié)能環(huán)保的雙重目標(biāo)。盡管新能源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展仍有諸多技術(shù)障礙，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新、工藝的不斷優(yōu)化，新能源熱泵技術(shù)將會(huì)有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

注釋

①③胡平放，黃峙，孫心明，等.地源熱泵技術(shù)研究與應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r[J].制冷與空調(diào)，2014.12：104-109.

② 方菲菲.我國(guó)地源熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及用對(duì)策略[J].山西建筑，2015.41（1）：189-190.

④ 付冰，劉亮.空氣源熱泵熱水機(jī)組節(jié)能分析[J].節(jié)能與環(huán)保，2008.9：29-31.

⑤ 張行星，趙旭東，譚軍毅，馬世歌.歐洲低溫空氣源熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].暖通空調(diào)，2015.45（7）：48-51.

⑥ 王侃宏，畢文峰，太陽(yáng)能輔助加熱土壤源熱泵系統(tǒng)理論分析[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（5）：110-114.