李 聰

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030001)

國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展促進(jìn)了城市化水平的提高，因此在城市化不斷推進(jìn)的今天，我國北方城市對集中供熱的需求越來越高。集中供熱是保障我國北方城市居民進(jìn)行正常生產(chǎn)、生活的基本條件之一，同時(shí)也是保證城市能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的要求之一，因此，集中供熱在我國屬于基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，并且由于其對北方城市的重要性，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中起到了重要的前瞻性作用，同時(shí)與社會(huì)工作的日常生活形成密切聯(lián)系。

1 熱泵系統(tǒng)概念及發(fā)展現(xiàn)狀

熱泵系統(tǒng)屬于新能源技術(shù)，主要從自然界的水、空氣、土壤以及地下熱能中獲取低位熱能，之后利用電能進(jìn)行做功，從而為用戶提供高位熱能的熱能轉(zhuǎn)換裝置。

熱泵系統(tǒng)的發(fā)展歷程與能源技術(shù)的發(fā)展有著密切聯(lián)系，世界第一臺(tái)用于城市發(fā)展的熱泵系統(tǒng)誕生于1938年，主要利用蘇黎世河水為城市運(yùn)轉(zhuǎn)提供熱能。從全球的熱泵系統(tǒng)發(fā)展歷史來看，熱泵系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程始終與能源發(fā)展相結(jié)合，從近年來熱泵行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r來看，熱泵市場呈現(xiàn)出迅速增持的狀態(tài)，并且隨著當(dāng)前世界范圍內(nèi)的能源短缺問題越來越嚴(yán)峻，熱泵系統(tǒng)的發(fā)展勢頭更為迅猛，并且隨著世界內(nèi)能源結(jié)構(gòu)的改變，熱泵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有效推動(dòng)了世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

相對于西方發(fā)達(dá)國家來說，我國對于熱泵系統(tǒng)的研究以及應(yīng)用起步較晚，但是發(fā)展速度較快，從20世紀(jì)50年代開始，我國開始對熱泵系統(tǒng)進(jìn)行研究，60年代正式完成熱泵產(chǎn)品的上市。從當(dāng)前形勢來看，我國的熱泵研究人員針對直燃機(jī)組、吸收式制冷、太陽能熱泵等技術(shù)進(jìn)行了全面研究，但是由于我國幅員遼闊，因此我國的熱泵系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中還需要與當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境相結(jié)合。

2 熱泵系統(tǒng)工作原理

熱泵系統(tǒng)由熱交換機(jī)、壓縮機(jī)、保溫水箱、軸流風(fēng)扇、過濾器、水泵、儲(chǔ)液罐以及電子控制器和電子膨脹閥構(gòu)成，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，從自然界獲取低位熱能，進(jìn)而通過電能做功，將低位熱能轉(zhuǎn)換成為高位熱能，以此為熱能用戶提供足夠的熱能供給。熱泵系統(tǒng)在接通電源之后，軸流風(fēng)扇進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，室內(nèi)空氣何以通過蒸發(fā)器與室外空氣進(jìn)行熱交換，同時(shí)通過排風(fēng)系統(tǒng)將降溫后的空氣排除。與此同時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)通過吸熱之后進(jìn)入壓縮機(jī)，從而將低壓氣體轉(zhuǎn)換成為高壓氣體，進(jìn)而將轉(zhuǎn)換之后的高壓氣體輸入冷凝器，水泵系統(tǒng)循環(huán)中的液體則可以通過冷凝器完成加熱工作，之后送到用戶方以供其利用，在此過程中，熱泵中的工質(zhì)可以冷卻成為液體，進(jìn)而通過降溫后送入蒸發(fā)器進(jìn)行循環(huán)利用。

3 熱泵系統(tǒng)在城市集中供熱中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 利用熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供

當(dāng)前我國城市的主要供熱方式單一，并且隨著我國城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，能源短缺問題、供熱缺口增大問題變得越來越突出，因此如何解決上述問題成為熱力行業(yè)和城市集中供熱工作中所共同關(guān)注的重點(diǎn)。隨著熱泵系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)的不斷完善，熱泵系統(tǒng)基于其制冷、制熱功能兼具的優(yōu)點(diǎn)，在城市集中供熱中獲得了廣泛應(yīng)用，并且利用熱泵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供，從而將多余熱量進(jìn)行有效利用，提高能源利用率，提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展的效益。

熱泵系統(tǒng)中冷熱聯(lián)供的工作原理是逆卡諾循環(huán)，在冷熱聯(lián)供的過程中，制冷設(shè)備的工作原理也是逆卡諾循環(huán)，但是制冷設(shè)備的工作目的是降低工作對象的溫度，而熱泵的工作目的則是提高工作對象的溫度，因此熱泵系統(tǒng)與制冷設(shè)備的工作范圍是不同的。眾所周知，在高溫區(qū)和低溫區(qū)之間的熱量傳遞是非自動(dòng)的，因此通過熱泵系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)可以有效實(shí)現(xiàn)從低溫區(qū)到高溫區(qū)的熱量傳遞。根據(jù)能量守恒定律可知，能量在自然界之中是恒定不變的，因此在這一熱量傳遞的過程中，高溫能量等于熱泵利用能量和低溫能量的總和。

以城市中的酒店供熱為例，其冬季供暖所需熱量和運(yùn)營所需用水主要由換熱站提供，而夏季制冷設(shè)備的運(yùn)行主要由制冷站控制，換熱站和制冷站之間的設(shè)備是相互獨(dú)立的，也就意味著制冷系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候必須將多余的熱量排到系統(tǒng)外部，從而形成了能源浪費(fèi)。通過熱泵系統(tǒng)可以將夏季制冷設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的多余熱量進(jìn)行回收利用，主要方案有以下兩種：

1)利用熱泵系統(tǒng)將夏季制冷過程中所產(chǎn)生的多余熱量進(jìn)行回收利用，進(jìn)而滿足酒店內(nèi)的熱水供給；

2)在夏季直接利用熱泵技術(shù)滿足酒店自身的制冷和生活熱水需求。通過數(shù)據(jù)分析后可以得出，方案一更具優(yōu)勢。

3.2 利用污水源熱泵實(shí)現(xiàn)集中供熱

在我國的城市生活中，污水排放往往夾雜著大量的熱量，而從當(dāng)前的供熱技術(shù)來看，我國大多數(shù)中小城市在城市給排水以及集中供熱的設(shè)計(jì)中并不能對生活污水中的余熱進(jìn)行有效利用。本文以北京市的污水源熱泵系統(tǒng)在集中供熱中應(yīng)用案例進(jìn)行分析，在北京的城市集中供熱系統(tǒng)中，其污水余熱成為余熱資源的重要組成部分，通過熱泵系統(tǒng)可以對污水余熱進(jìn)行二次利用，從而有效發(fā)揮污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)有的作用，實(shí)現(xiàn)集中供熱。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，將城市供熱網(wǎng)絡(luò)與污水余熱處理系統(tǒng)相結(jié)合，從而將污水中的余熱能源用于熱網(wǎng)回水的加熱工作，以此對污水余熱能源進(jìn)行有效利用，同時(shí)可以優(yōu)化集中供熱的能源結(jié)構(gòu)。此外，利用污水源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中供熱還可以提高供熱中的可再生能源利用效率，減少化石能源的消耗，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，減少集中供熱對環(huán)境造成的破壞。

在城市集中供熱系統(tǒng)中，供熱管網(wǎng)可以有效滿足熱能需求，北京市的熱力企業(yè)提供了建筑供暖以及生產(chǎn)生活供暖所需的熱量，此外，結(jié)合城市供熱網(wǎng)絡(luò)可以提高污水源熱泵系統(tǒng)的工作效率，進(jìn)而擴(kuò)大污水源熱泵在城市集中供熱中的應(yīng)用，形成規(guī)模效應(yīng)，提升污水源熱泵系統(tǒng)的余熱再利用效率。在當(dāng)前的污水源熱泵系統(tǒng)中主要有直接回收利用和間接回收利用兩種方式，但是直接回收利用投資較高、運(yùn)行效率低且維護(hù)成本較高，因此在城市污水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)中，大多采取間接回收利用，以此降低投資成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本。

3.3 地巖熱泵在集中供熱中的應(yīng)用

除了冷熱聯(lián)供和污水源熱泵應(yīng)用之外，在地?zé)崮茇S富的地區(qū)可以利用地巖熱泵系統(tǒng)有效提高供熱能力，從而解決供熱中的能源短缺問題。不同于污水源余熱能源的是，地?zé)崮軐儆谛滦偷目稍偕鍧嵞茉矗虼丝梢栽谝欢ǔ潭壬先〈茉?，以此為城市發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供能源支撐。長期以來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展過于依賴化石能源，但是化石能源的不可再生性導(dǎo)致我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨嚴(yán)重的能源短缺問題，這一點(diǎn)也深刻體現(xiàn)在城市集中供熱中，因此采取地巖熱泵系統(tǒng)提高集中供熱效率，可以有效緩解能源短缺問題，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保建設(shè)。此外，地?zé)崮芫哂泄岱€(wěn)定、可再生、清潔無污染等優(yōu)勢，因此通過地巖熱泵利用地?zé)崮軐?shí)現(xiàn)集中供熱在地?zé)豳Y源豐富的地區(qū)已經(jīng)開展。在地巖熱泵技術(shù)的應(yīng)用中，施工隊(duì)伍通過巖層打孔，之后在孔中安裝換熱設(shè)備，從而將地下的地?zé)崮茌斔偷降孛?，進(jìn)而利用熱泵系統(tǒng)向城市供熱系統(tǒng)進(jìn)行供熱，在當(dāng)前的地?zé)崮荛_發(fā)中，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是無干擾地?zé)崂眉夹g(shù)，能夠有效避免地面因素的影響，同時(shí)避免對地下水資源造成破壞，并且能夠持續(xù)、高效、穩(wěn)定地開發(fā)地?zé)崮堋?/p>

4 結(jié)語

本文通過對集中供熱過程中的熱泵系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行探討，得出通過熱泵系統(tǒng)的有效應(yīng)用可以提高集中供熱的效率，并且通過冷熱聯(lián)供、污水源熱泵系統(tǒng)、地巖熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用，可以有效減少集中供熱造成的環(huán)境污染，從而促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)有效促進(jìn)節(jié)能環(huán)保建設(shè)，提高城市發(fā)展的效率。