熱泵技術

上海理工大學環境學院 戴 睿 王麗慧同濟大學機械與能源工程學院 吳喜平

熱泵技術

上海理工大學環境學院 戴 睿 王麗慧同濟大學機械與能源工程學院 吳喜平

熱泵技術是近年來全世界倍受關注的新能源技術。熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經過電力做功，提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。該文從介紹熱泵的定義入手，將熱泵系統進行分類并分析其主要特點及應用場合，進而分析熱泵系統的經濟效益以及環保效益。

熱泵系統；經濟分析；節能

1 熱泵的定義

1.1 制冷機

（1）物質相變和特點

在大自然界中，物質通常有三種狀態，從一種狀態變化到另一種狀態我們稱之為物質的相變。

相變的形式有四種：固←→液；液←→汽；固←→汽；固←→固。相變過程是等溫或近似等溫過程。相變過程中伴有能量的吸收或釋放，這部分能量稱為相變潛熱。相變潛熱一般較大，以水為例：

固→液 溶解熱：90kcal/kg（1atm，0℃）

液→氣 汽化熱：539 kcal/kg（1atm，0℃）

相變過程是一伴隨有較大能量吸收或釋放的等溫或近似等溫過程，因此它有著廣泛的應用價值。例如制冷機就是利用制冷劑液→汽相變來達到制冷的目的；而冰蓄冷空調技術是利用水的液→固相變來達到最大限度蓄冷的目的。

（2）活塞壓縮制冷的基本原理

活塞壓縮制冷的基本原理是利用制冷劑如氟利昂或者氨的相變，即由汽態變成液態而放熱；液態變成汽態而吸熱的原理來達到制冷目的。

圖1所示是活塞壓縮式制冷機的基本組成主要四大件，即壓縮機1，冷凝器2，節流閥3和蒸發器4。汽態的制冷劑在壓縮機內被壓縮，溫度升高，壓力加大。被壓縮的汽態制冷劑接著流向冷凝器，在冷凝器內制冷劑被冷卻水冷卻，在一定壓力下在冷凝器內變成液態。經過節流閥，制冷劑壓力降低。此后，制冷劑迅速汽化，在蒸發器內吸收冷凍水大量的熱量，冷凍水溫度降低，從而達到制冷目的。制冷劑在蒸發器內吸收大量熱量后，全部汽化。汽態的制冷劑再進入壓縮機，這樣周而復始的循環不斷產生冷量。

圖1 壓縮制冷機的工作原理

1.2 熱泵與制冷機的關系

制冷機在工作時，實際上同時產生熱量（冷凝器）和冷量（蒸發器），冬季能有效利用其熱量，夏天能有效利用其冷量的裝置稱為熱泵。如圖2所示，如果用一只四通換向閥來控制改變制冷劑在裝置中的流向，就可以達到夏季對室內制冷、冬季對室內供熱的目的。

圖2 熱泵裝置

熱泵的供熱系數恒大于1，他優于其他供暖裝置（如電加熱器等）之處就在于消耗同樣多的機械功對室內供暖可比用其他方法得到更多的熱量，即除了由機械功所轉換的熱量外還包括制冷劑在蒸發器中吸收的熱量。

2 熱泵的分類

按照不同的工作原理、驅動形式、用途等，熱泵可以分成很多類型。

2.1 按熱源和熱匯(熱分配系統)分類

（1）空氣-空氣熱泵。

以一側的空氣（或廢氣）為吸熱或放熱對象、以另一側的空氣（或氣體）為供熱或供冷對象的熱泵。以空氣作為熱源或冷熱源時使用很方便。考慮當室外氣溫較低時室外側熱交換器的除霜，多采用輔助熱源，以提高冬季供熱性能。空氣-空氣熱泵式空調器，冬天供熱，夏天制冷,詳見圖3。

圖3 空氣—空氣熱泵系統圖

（2）空氣-水熱泵。

以空氣（或氣體）為吸熱或放熱對象、以水為供熱或供冷對象的熱泵。目前空氣-水熱泵式冷熱水機組是如今辦公大樓集中式空調系統使用較多的冷熱源兼用型一體化設備，其單機容量范圍為20～1000kW。詳見圖4。

圖4 空氣—水熱泵系統圖

（3）水-空氣熱泵。

以水（如河水、地下水、廢熱水等）為吸熱或放熱對象、以空氣（或氣體）為供熱或供冷對象的熱泵。詳見圖5。

圖5 水—空氣熱泵系統圖

（4）水-水熱泵。

以水（如河水、地下水、熱污水、工業冷卻水等）為吸熱或放熱對象、以水為供熱或供冷對象的熱泵。可用于向室內的采暖裝置供應熱水,供應生活用熱水等。目前已有整裝機組，可供應多種溫度的家庭熱水。由于水的比熱大，便于輸送，因此也適用于建筑物的集中供熱系統。目前已有很多應用實例。詳見圖6。

圖6 水—水熱泵系統圖

（5）土壤-水熱泵（大地耦合式熱泵）。

以土壤為吸熱或放熱對象、以水為供熱或供冷對象的熱泵。由于地下土壤溫度比較穩定，將盤管埋入土壤中，夏季可以降低冷凝溫度，冬季可以提高蒸發溫度，所以能效比較高。除了埋地盤管外換熱方式不同，裝置的結構相當于一個水-水熱泵。作為典型的淺層地熱能利用的技術，目前已有廣泛工程應用。

（6）土壤-空氣熱泵（大地耦合式熱泵）。

以土壤為吸熱或放熱對象、以空氣為供熱或供冷對象的熱泵。其余與土壤-水熱泵相同。詳見圖7。

圖7 大地耦合式熱泵

2.2 按全年所用的采暖機組數目分類

根據當地所特有的，或者在某種情況下給定的能源關系，有時選擇熱泵全單獨供熱，或者與一臺或幾臺機組一起供熱。按照運行方式分類如下：

（1）單一熱泵，由該熱泵供應全年所需的熱量。

（2）雙聯熱泵

1）交替運行：熱泵僅在一年的部分時間供應有用熱量，在其余時間.則由另一供熱裝置供應能量；

2）并聯運行：熱泵只在一年的一段時間單獨供給所需的有用熱量，在其余的時間里，熱泵仍然保持運行，但是需要由其他的供熱裝置輔助供給能量、以滿足對熱量的峰值要求。

（3）三聯熱泵：熱泵滿足部分供熱需要，而由另外兩臺供熱裝置(例如采暖鍋爐和太陽能裝置)供給所需的其余熱量(三聯方式)。

3 熱泵技術的主要特點及使用場合

3.1 熱泵技術的主要特點

熱泵機組既可以進行制冷，又可以進行供熱。熱泵機組供熱的主要特點是：高效、節能、環保、安全。無燃燒，無電器推動元件，絕對安全；無任何廢氣、廢水、廢渣排放，絕對環保，熱泵機組全年平均運行成本只需電直接加熱的1/4，燃油、燃氣加熱的1/3～1/2，常規太陽能的1/1.5。

（1）空氣源熱泵，具有系統簡單的特點。由于冬季供熱時可省去鍋爐房，夏季供冷時省去冷卻水系統(包括冷卻塔、冷卻水泵、管網及水處理設備)，布置十分方便，因而得到了廣泛的應用。但它也有不少的缺點：

1）空氣熱容量小。為了從空氣中獲得所需熱量，換熱器體積大，風機的風量也大。

2）空氣溫度變化大。冬季，其制熱量隨室外空氣溫度降低而減少，而在夏季，制冷量隨室外空氣溫度升高而減少，這與建筑熱負荷需求趨勢正好相反。

3）當室外側換熱器表面溫度低于空氣露點溫度，且低于0℃時，換熱器表面會結霜，需要定期除霜，這也要消耗大量的能量，在除霜過程中，壓縮機及四通閥的穩定運行受到影響。

（2）水源熱泵，其主要優點有：

1）機組效率高，設備緊湊。水的溫度一般較穩定，且冬季水溫高于大氣溫度，夏季水溫低于大氣溫度。因此，機組運行工況良好，其制熱、制冷系數均高于空氣源熱泵。

2）機組運行可靠，不存在冬季制熱運行時室外機結霜問題。

水源熱泵的主要缺點是受當地水資源因素影響，應用場合受到限制;其初投資一般也較大。

（3）地源熱泵，它的優點有：

1）屬可再生能源利用技術。儲存于地表淺層的地熱是一種可再生能源，土壤源熱泵正是利用了地球表面淺層地熱資源作為冷熱源進行能量轉換的空調系統。且這種空調系統不受地域、資源等限制。

2）屬高效、經濟的節能技術。由于地表5米以下溫度一年四季相對穩定，夏季比環境空氣溫度低，冬季比環境空氣溫度高，是熱泵很好的冷/熱源。這種溫度特性使得土壤源熱泵比傳統系統運行效率要高，節能效果明顯，運行更加可靠、穩定。與傳統的空氣源熱泵相比，機組制冷制熱系數要高出40%，可達到4.0～4.5。

3.2 熱泵技術使用場合

空氣源熱泵使用場合十分廣泛，可廣泛應用于工廠,家庭、商業等領域，可用于公寓、別墅、學校、醫院、辦公樓、賓館酒店等多種建筑。空氣源熱泵在我國長江流域的夏熱冬冷地區正得到了大力的推廣應用。但是在黃河流域及北方寒冷地區，冬季由于室外溫度低于-5℃時，出水溫度降低，熱備出力降低，仍按傳統模式，由空氣熱泵與風機管組成的空調系統就難于產生足夠的可用于采暖的熱風。

水源熱泵，理論上可以利用一切的水資源，其實在實際工程中，不同的水資源利用的成本差異是相當大的。所以在不同的地區是否有合適的水源成為水源熱泵應用的一個關鍵。目前的水源熱泵利用方式中，閉式系統一般成本比較高，而開式系統，能否尋找到合適的水源就成為使用水源熱泵的限制條件。對開式系統，水源要求必須滿足一定的溫度、水量和清潔度。此外，對于不同的建筑負荷特性，所需要的水體情況不一致，水體的冷熱品質和水體的物理特性決定了水源熱泵機組是否可以正常運行。若水體條件較差，與建筑的負荷特性不匹配，就可能不能采用水源熱泵系統。因此，水體的熱物理性質決定了并非所有項目都適合水源熱泵系統。

地源熱泵的使用場合相當的廣泛，可用于醫院、辦公樓、商場等多種建筑。但是實施需要具備的一定的基本條件：首先、同時具有冬夏空調負荷，并且年冷熱負荷較接近時對地源熱泵系統的持久運行有利。其次、當地地下土壤溫度在13～19℃之間時土壤換熱器有較好的冬夏取放熱特性，這個范圍基本包括我國大部分夏熱冬冷地區和京津唐地區，但在東北和華南采用熱泵并不合適，其冷熱負荷差異過大，熱泵冬夏兩用效能難以發揮且土壤熱平衡難以保證。再者、使用空調系統地區100 m范圍內應不存在較厚的礫石等堅硬地層，存在保水性好的砂土層對于實施土壤源熱泵最為有利。最后、項目具備合適的土壤換熱器布置面積，但是不能為了埋設較多的土壤換熱器而減小合理的土壤換熱器間距，否則不但土壤換熱器的出力會下降而且會惡化土壤換熱器的持久運行特性。

3.3 熱泵技術的節能特點

熱泵作為空調系統的冷熱源方式，近十年來，得到了廣泛的應用，除了其方便之外，更重要的是它的節能。眾所周知，制冷機工作時，就是把低溫端的熱量（蒸發器）拿到高溫端（冷凝器）去，在其他條件不變的情況下，高、低溫端的溫差小則制冷（制熱）量就大。夏季空氣溫度遠高于地表水，土地及深井水，制冷時，如把工業廠房內的熱量排到地表水、土地或深井水中去，這樣消耗電能少。也就是說制冷的COP值大，達到節能效果。冬天制熱正好相反，因此地源熱泵、水源熱泵得到了廣泛的應用，它們確實收到了很好的節能減排效果。

[1]張旭等.熱泵技術，北京：化學工業出版社，2007

Heat Pump System

Dai rui,Wang li hui,Wu xi ping

In recent years,heat pump technology,as a new energy technology,has attracted more attention in the world wide.The heat pump is a device that transferring low-grade energy into high-grade energy through electric power.This paper introduces the definition of heat pump,its classification and application.At last,analyses its economic benefits and environmental benefits.

heat pump system；economic analysis；energysaving

國家自然科學基金50908147、51108263。

戴 睿，1990年8月生，上海理工大學環境學院在讀研究生，攻讀供熱供燃氣通風及空調工程專業。