各類熱泵研究應用現狀與進展

孫源淵 吳榮華 孫春錦

摘 要：熱泵技術具有很好的節能性，是一種環保的能源利用方式，但熱泵系統在我國的發展仍存在諸多弊端。綜述了當前國內外各類熱泵技術應用與研究現狀；分析了熱泵系統的分類方法以及不同種類熱泵系統的優缺點；基于不同種類熱泵在我國當前應用現狀，指出了當前熱泵系統存在的運行效率不高、工程應用難以推廣等關鍵問題；從系統節能、系統合理化運行與設計、規劃調峰等方面，對熱泵未來發展提出了展望，并創新性地提出了系統輸送能耗對系統運行效率的影響的新觀點。

關鍵詞：熱泵，熱泵應用，輸送能耗，系統運行效率 ，污水源熱泵

熱泵系統是通過消耗一小部分驅動能源（電能），從低品位能源重取熱傳遞到中品位能源的高效、環保的能源利用裝置。在能源緊缺，環境污染嚴重的當今社會具有很重大的科研價值以及重要的實際應用價值。當前我國熱泵的發展迅速，無論是理論研究層面，還是工程使用層面，都在飛速蓬勃發展。

但是熱泵系統在我國的發展也存在許多弊端，最突出的一點就是熱泵系統化研究欠缺。目前中國熱泵系統普遍具有系統運行效率低，運行穩定性差，節能效果不顯著等問題，解決此類問題，成為我國熱泵未來發展的重要突破口。

為了解決熱泵系統設計運行不合理，系統整體運行效率低下等問題，以及規劃我國熱泵未來的發展方向，綜述了國內外熱泵系統先進技術的發展現狀，并提出了熱泵細化分類的新方法，基于不同種類的熱泵系統，指出系統進一步發展的主要思路。

1 熱泵

1.1 基本原理

熱泵是一種通過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，即消耗少部分的驅動能源，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，利用這樣技術的逆向運行還可以達到制冷的目的[1]。

根據能量守恒原理（熱力學第一定律）[2]，熱泵系統要從室內取走冷量或熱量，則必然要有一個對應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。熱泵系統運行方式為冬季供熱，夏季供冷，能量傳遞方向與溫度梯度方向相同，根據熱力學第二定律，能量傳遞方向與溫度梯度方向相同時，需要有一定功輸入。目前，工程應用中的熱泵系統（以蒸汽壓縮式熱泵系統為主）效率很高，COP一般在4以上。當前熱泵技術應用的關鍵問題是低溫熱源的適宜性選擇，以及系統高效低能耗運行。

1.2 應用意義

熱泵技術給我們提供了一條能源消耗少，環境污染小的綠色節能新道路。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 分類及特點

按熱泵的工作原理，熱泵系統可分為蒸汽壓縮式、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、冷凝器、節流膨脹部件、蒸發器等基本部件組成封閉回路，在其中充注循環工質（如R22或R134a等），由壓縮機做功推動工質循環流動。工質在蒸發器中發生蒸發相變，吸收低溫熱源的熱能；在壓縮機中由低溫低壓變為高溫高壓，并吸收壓縮機的驅動能；最后在冷凝器中發生冷凝相變放熱，把蒸發、壓縮過程中獲得的能量供給用戶。

蒸汽壓縮式熱泵系統以電能作為驅動力，系統運行效率很高[4]（COP>4），以燃煤鍋爐發電效率33%～42%為準，蒸汽壓縮式熱泵系統的一次能源利用效率可以超過100%，甚至接近200%。

蒸汽壓縮式熱泵系統以其整體運行效率高，系統運行穩定，組成部件結構簡單，可利用熱源種類多，能源利用率高，安全性好等特點，成為當前應用工藝技術最完善，推廣范圍最廣的熱泵系統。

2.2 吸收式熱泵

吸收式熱泵分為兩類：第一類吸收式熱泵（即增熱型熱泵），它以蒸汽、燃料（燃氣、燃油）、廢熱水或廢蒸汽為驅動熱源，把低溫熱源的熱量提高到中、高溫，從而提高了能源的品質和利用效率。第二類吸收式熱泵（即升溫型熱泵），它利用大量中間溫度的廢熱和低溫熱源的熱勢差，制取溫度高于中間廢熱的熱量，從而提高了廢熱的品質[5]。

第一類吸收式熱泵包括蒸發器、吸收器、冷凝器、發生器、熱交換器和其他附件等。據測算，吸收式熱泵的供熱量等于從低溫余熱吸收的熱量和驅動熱源的補償熱量之和，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，但是驅動熱源可以不是電能。

第二類吸收式熱泵組成與第一類相似，最高可以提供150 ℃左右的熱量。第二類吸收式熱泵的效率要相對較低（COP<1），主要應用于一些對熱源具有特殊要求的行業，相對于純燃料或電力供能，其仍具有相當可觀的節能環保意義。

2.3 蒸汽噴射式熱泵

蒸汽噴射式熱泵由噴嘴、接受室、混合室和擴壓室等部件組成，是一種結構簡單、體積小且沒有運轉部件的熱力設備[7]， 工作時以蒸汽減壓前后的能量差作為動力。從噴嘴高速噴出的工作蒸汽形成低壓區，使蒸發器中的水在低溫下蒸發并吸收低溫熱源的熱能，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點是可以充分利用工藝中的富余蒸汽驅動熱泵運行，且無運動部件，節能環保，工作可靠；主要缺點是制熱系數較低[9]。

2.4 其他熱泵

除了上述的幾種主要應用的熱泵系統以外，還有幾種尚處于試驗階段的新型熱泵系統。

化學熱泵是一種新型熱泵[10]，是指利用化學現象的熱泵，即利用化學反應、吸收、吸附、濃度差等化學現象的熱泵。化學熱泵具有不消耗電能，溫度提升幅度高，設備簡單，運行維護容易，對環境的危害很小等優勢。隨著余熱回收技術的發展，以及太陽能等新型能源的開發和利用，化學熱泵在節能減排領域將會有更廣闊的發展空間。

熱電熱泵的基本原理是珀爾帖效應[11]，熱電單元是利用熱電效應的基本工作單元。熱電熱泵的優點是無運動部件，吸熱與放熱可隨電流方向靈活轉換，結構緊湊；缺點是制熱系數低。因此限于在特殊場合（科研儀器、宇航設備等）或微小型裝置中使用[12]。

3 研究應用現狀

當前應用最廣泛的是蒸汽壓縮式熱泵系統，由于可用熱源種類較多，蒸汽壓縮式熱泵系統的發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。空氣源熱泵系統簡單，初期投資相對較低，相對于鍋爐集中供暖，空氣源熱泵系統高效節能，運行可靠，熱損耗很低，并節約建筑面積，并具有很好的環保性，沒有特殊的環境或地理要求，適用范圍很廣[13]。但空氣源熱泵應用也存在一系列技術難題：1）COP低，特別是制熱COP低，2）冬季溫度過低時，換熱器空氣側表面易結霜，且除霜不可靠，3）低溫工況的運行效果差，主要表現為冬季溫度很低的時候，系統制熱量衰減迅速。

3.2 地下埋管式土壤源熱泵

地下埋管式土壤源熱泵，通常我們簡單地稱其為土壤源熱泵。在地下垂直地或水平地埋入塑料管，管內通入循環工質，使之成為循環工質與土壤間的換熱器[14]。在冬季通過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。這就實現了冬存夏用或夏存冬用，這么看來，土壤更像一個儲能裝置[15.16]。土壤是熱泵良好的低溫熱源，通過水的流動和太陽輻射熱的作用，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熱源是一種很恰當的能源利用手段。江、河、湖泊等地表水的分布與自然地理因素相關，地表水熱泵系統往往也會受到這些因素的限制。此外，與空氣源熱泵類似，地表水溫也會受到自然環境因素的影響，當環境溫度很低時熱泵的供熱量會呈現一定程度上的衰減，但是相對于空氣，水的比熱容要高幾個數量級，因此不會導致整個熱泵系統無法正常運行，只是熱泵運行效率會有所下降。

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，進行民用供暖，是污水綜合利用的重要組成部分[25]。據測算，城市污水全部充當熱源可解決近20%的城市建筑供暖，隨著國民經濟的發展， 我國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鍵問題有兩點：

1）阻塞污染問題。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還會腐蝕輸送管道。

2）流動換熱問題。當前污水實際是一種固、液兩相，固相多組分流動的流體，其流動特性和換熱特性與清潔水相比有很明顯的差別，無法精確地對污水的換熱特性和流動特性的進行，這就對換熱器的設計和制造也提出了更高的要求。

3.5 海水源熱泵

海水源熱泵是通過熱泵把海水中的熱能提取出來加以利用。夏季熱泵用作冷水機組，海水作為冷卻水使用，代替冷卻塔，從而大大提高機組的COP值，據測算冷卻水溫度每降低1℃，機組制冷系數可提高2%～3%左右[29]；冬季通過熱泵的運行，提取海水中的熱量用以建筑供暖。

節能環保，運行穩定，是海水源熱泵的突出特點。目前海水源熱泵也面臨“三防”問題，由于海水的自然化程度過高，內部物質組成極為復雜，對管路裝置的腐蝕性比污水更強，海洋生物易附著在管路上，會嚴重影響設備的換熱性能[30]。海水水溫低，流量大，與清水的換熱過程特殊 [31]，具有溫差小，流量大等特點，其復雜的流動傳熱特性，是阻礙海水源熱泵發展的又一重要關鍵問題。研制防腐材料，改進防腐工藝，開發海洋生物除治技術，深入探索海水流動及傳熱特性，是解決海水源熱泵推廣緩慢和工程應用難以實現的關鍵所在。

4 發展展望

熱泵技術的總體發展趨勢是更高效、更節能、更環保，熱泵系統的總體發展趨勢是系統化，整體化，多元化。

適宜性建設。所謂適宜，就是要因地制宜，所選用與設計的熱泵系統要與供暖項目當地的地理地貌與氣候環境相適宜。在項目處于規劃設計初期，要求對項目實施地進行全面嚴謹的考察，從選址和熱源的選擇兩方面對項目的規劃建設進行初步的定位。

系統節能，提升整體用能效率。熱泵系統中的耗能設備主要是熱泵機組和水泵（末端循環泵，取水泵等），二者耗能量占系統總耗能的98%以上。當前中國熱泵機組的運行效率（COP）已經達到了很高的水準，平均運行效率可達4.5～5.0，部分熱泵廠家生產的高效熱泵機組的COP甚至可以超過5.0，最高可達5.3～5.4。這樣部分熱泵設計者會盲目地認為機組運行效率高就等于整個系統運行效率高，在設計過程中，沒有注意輸送能耗，導致選用的水泵能耗高于適用的水泵，使得系統COP大幅度衰減。

因此，注重水泵與機組相匹配，以系統COP作為熱泵系統節能設計依據，才能將熱泵系統的高效節能最大化利用。

合理規劃與運行調峰。系統規劃工作主要在建設初期，設計方需要對熱源的可利用總量有一個宏觀的把握，使其與供暖負荷進行有機的融合與匹配，規劃制定出合理的能源利用方案。宏觀統籌熱源總量與供暖總負荷的合理匹配，加以輔助熱源，進行適應性調峰，從而實現能源的綜合性利用，并可以實現低溫熱源最高幅度的利用，最大程度的提高能源利用率，提升系統的節能效果。

熱泵機組細化分類設計。現今市場上流通的熱泵機組大都以地下水工況作為設計依據，而當前地下水由于其自身的局限性已經被其他新的熱源所取代，目前污水、地表水、海水等已經成為主流低溫熱源。建議依據熱源自身特點的不同，對熱泵機組進行量身定做，細化熱泵機組的分類，產業化推廣適用于不同熱源的熱泵機組。

5 結論

熱泵機組作為一種新型的能源利用方式，其高效節能性已經在整個行業中達成了共識，但現階段熱泵系統的發展仍存在一些問題。通過分析當前我國熱泵系統的設計與運行過程的存在的一系列問題，發現其中最突出的一點就是熱泵機組的效率很高，但系統整體運行效率低，實際運行過程中并不節能甚至費能。

中國熱泵的發展潛力尚未全部挖掘出來，熱泵系統還具有極為廣闊的發展空間。基于熱泵系統的整體系統化研究，從選址，熱源選擇，系統節能，運行管理等幾個方面對熱泵系統的未來發展給出了建設性的指導方向，創新性的提出了系統輸送能耗對系統運行效率的影響，并指出現階段熱泵機組設計、生產的局限性，提出了細化分類，熱泵機組應與熱源相適應的新思路。

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作者簡介

孫源淵（19909-），男，山東平度，碩士研究生，熱泵及節能技術。