暖通空調領域新能源熱泵技術應用研究

陳穎+徐玉黨+江娟+李芳芳

摘 要 熱泵技術是一種經濟有效的節能技術，利用地熱能、空氣能、太陽能和污水能等新能源對建筑物進行制冷供熱，能夠降低暖通空調的能耗，對于節能環保具有顯著效果。本文通過對新能源熱泵技術的工作原理及在暖通空調領域的應用進行簡單介紹，然后對各種新能源熱泵技術的特點進行分析，最后探討了各種新能源熱泵技術目前存在的技術難點，希望給相關人士提供一定的借鑒。

關鍵詞 熱泵技術 地熱能 太陽能 空氣能 污水能

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：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

當今社會人們對于舒適度的要求不斷提高，在建筑項目中暖通空調的應用與居住環境的舒適度密切相關，而暖通空調所用能源占建筑總能耗的70%。尋找資源豐富并且對環境友好型的新能源，采取更加節能的技術加以利用是降低暖通空調能耗及建筑總能耗的有效途徑。

熱泵是一種利用卡諾循環和逆卡諾循環原理轉移熱量和冷量的裝置，其實質是一種能量提升裝置，它通過消耗小部分能量（電能或熱能）將低溫熱源中的熱能轉移到高溫熱源，是一種有效的節能新技術。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、太陽能熱泵、污水源熱泵和雙源熱泵等。本文就新能源熱泵技術在暖通空調領域利應用及發展態勢展開研究。

1 地源熱泵

1.1 地源熱泵的工作原理

根據國家地源熱泵系統工程技術規范規定：地源熱泵系統是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統及建筑物內系統組成的供熱空調系統。國外上世紀60年代就已提出，并且快速商品化應用到商場、住宅及學校等場所。我國地源熱泵起源于從上世紀90年代至今已有20多年的歷史，經過國內眾多學者的共同研究也已取得較大的進步。①地源熱泵系統既能制冷又能供熱，一套系統取代了空調和鍋爐兩個系統，同時還可以提供生活熱水。地源熱泵在運行過程中通過輸入少量的高品位能達到將低溫環境中的熱能轉移到高溫環境中的目的，實現為建筑制冷供熱的目標，大大降低了暖通空調的能耗，提高了能源利用率。

冬季供暖，壓縮機對冷媒做功使其進行氣-液轉換的循環。地埋管中水路循環吸收巖土體、地下水或地表水的熱量通過冷凝器中冷媒的蒸發轉移到冷媒中，通過冷媒循環在蒸發器內冷凝產生的熱量，該熱量被風機盤管吸收送到室內為房間供暖。

夏季制冷，壓縮機對冷媒做功并且調節閥門改變冷媒流向。通過蒸發器內冷媒的蒸發通過風機盤管將室內房間中的熱量轉移到冷媒中，冷媒循環到冷凝器內冷凝將熱量轉移到地埋管水路循環中，由水路循環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

地源熱泵具有清潔環保、節能高效的特性。地源熱泵空調系統與傳統電能取暖相比電能消耗降低70%，在運行過程中既不消耗水源，也不會向水源、空氣中排放污染物質。地源熱泵機組零部件小、結構緊湊，節省建筑空間。地源熱泵系統較為簡單，運行安全可靠性高，維護成本低，使用壽命長。

地源熱泵技術清潔環保、經濟可行性高，得到了政府部門的大力支持和引導。2003年被政府部門作為建筑行業節能環保技術的重大成果大力推廣；2006年《中華人民共和國可再生能源法》將地熱能的開發與利用列入新能源鼓勵發展范圍；2010年《關于加快推行合同能源管理促進節能服務產業發展意見的通知》解決了地源熱泵系統初期投資大的難題；2012年《可再生能源發展“十二五”規劃》明確了地熱能規劃的發展目標。國家和地方頒布的一系列政策法規都為地源熱泵技術的推廣提供的良好的發展環境。②

1.3 地源熱泵系統現狀

在長期研究使用過程中也發現了地源熱泵的許多不足之處。地質條件限制，對于使用地下水源熱泵的項目在進行方案設計前必須了解當地有關水資源使用的政策法規，對當地的地質環境進行勘測確保大量開采地下水不會引起地面裂縫、沉降或塌陷等問題。必須采取安全可靠的地下水回灌措施，保證不會對地下水源造成污染和浪費。③初投資大回收期長，地源熱泵系統由于施工工藝限制打井得到達一定的深度才能得到常年恒定的環境溫度，初投資相對空氣源熱泵、太陽能熱泵而言較高，因此需要政府的大力支持與推廣。

2 空氣源熱泵

2.1 空氣源熱泵發展現狀及特點

熱泵的設計最早于19世紀50年代由英國科學家開爾文提出，直到1917年第一臺工業用熱泵在德國被制造出來，1927年第一臺家用空氣源熱泵由蘇格蘭制造并投入使用。我國空氣源熱泵技術最早于上世紀50年代由天津大學呂燦仁教授提出，并于1965年成功研制出第一臺國產水冷式熱泵空調機組。空氣源熱泵是利用電能驅動壓縮機通過冷媒循環，獲取環境空氣中能量的設備。

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行能量提升的節能設備。相對于地源熱泵、太陽能熱泵和污水熱泵，空氣源熱泵適用區域更為廣闊，除了氣候條件的限制外幾乎不受其他任何限制。空氣源熱泵空調節能效果顯著，通過輸入少量的電能可以得到3～4倍的熱能，④系統安裝維護簡單，運行費用低。據空氣源熱泵采暖系統冬季運行費用數據顯示：在嚴寒地區比燃氣壁掛爐節省15%，比電采暖節省60%；在寒冷地區比燃氣壁掛爐節省50%，比電采暖節省70%；在夏熱冬冷地區比燃氣壁掛爐節省41%，比電采暖節省24%。在運行過程中，空氣源熱泵空調系統對于環境的污染物排放也極低，實現了節能環保的目標。

隨著新型建筑保溫材料的發明和空氣源熱泵技術的不斷完善，空氣源熱泵空調系統憑借其節能、環保、安全和美觀等優點快速商品化，逐步應用于商場、酒店、大型車站、綜合醫院等集中供暖制冷的場所。

2.2 空氣源熱泵存在的問題

空氣源熱泵低溫適應性差，普遍存在的問題有：（1）熱泵的熱輸出功率遠低于熱負荷需求；（2）低溫環境下壓縮機運行容易過熱導致停機，需要電加熱輔助；（3）低溫環境下的COP值偏低等。⑤需要攻克的技術難點有：（1）減少室外機的霜凍現象和縮短化霜時間；（2）壓縮機實現多級壓縮和變頻運行；（3）與其它熱泵耦合使用等。

3 太陽能熱泵

3.1 太陽能熱泵采暖

太陽能熱泵系統是將太陽能利用技術和熱泵技術有機組合的復合型技術，其采暖系統由太陽能集熱系統（包括：太陽能集熱器、水泵和蓄熱水箱等）和熱泵系統（包括：壓縮機、換熱器、節流閥、散熱器等）組成。太陽能熱泵采暖系統突出的優點就是通過極少量的電能獲得數倍于電能的熱量，能夠有效利用低溫熱源。與地源熱泵、空氣源熱泵耦合使用能夠有效克服太陽能的分散性和間歇性等問題的不足。⑥

3.2 太陽能熱泵制冷

太陽能熱泵制冷系統與采暖系統相比增加了熱交換器、儲冷水箱及制冷末端等設備，其工作原理是利用制冷劑在壓縮機的作用下蒸發吸收儲冷水箱的熱量降低其溫度，儲冷水箱通過熱交換器降低管道中空氣或水等介質的溫度，通過管道將冷量送至制冷末端設備達到降低室內溫度的目的。

3.3 太陽能熱泵技術發展現狀

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，現在已經被廣泛應用到各個領域，通過熱泵技術利用太陽能是解決當前能源危機的一種重要途徑。太陽能熱泵在進一步發展中還需要克服太陽能分散性、不穩定性強，項目初投資費用高，各個生產廠家標準不統一等問題。

4 污水源熱泵的工作原理及特點

污水源熱泵技術從城鎮化建設發展中應運而生，成為一種“新能源”利用技術。城市污水全年溫度變化小，相對江河水溫度穩定，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能設備。在一定程度上緩解了當前能源與環境的緊張形勢。

污水源熱泵能夠有效回收城市污水的廢熱，利用熱泵技術既可以制冷又可以供暖，省去了鍋爐系統和冷卻塔等設備。運行過程中不向環境排放任何廢水、廢渣和廢氣，節能環保效果顯著。目前污水源熱泵技術的應用還有許多技術問題亟待解決，如污水水質處理、污水堵塞及換熱器污染結垢等。

5 總結

熱泵技術作為一種高效的節能技術對清潔環保的地熱能、空氣能、太陽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的能耗和建筑總能耗的作用，實現了提高能源的利用率，節能環保的雙重目標。盡管新能源熱泵技術在暖通空調領域的應用發展仍有諸多技術障礙，隨著技術的不斷創新、工藝的不斷優化，新能源熱泵技術將會有巨大的發展潛力。

注釋

①③胡平放，黃峙，孫心明，等.地源熱泵技術研究與應用發展狀況[J].制冷與空調，2014.12：104-109.

② 方菲菲.我國地源熱泵技術發展現狀及用對策略[J].山西建筑，2015.41（1）：189-190.

④ 付冰，劉亮.空氣源熱泵熱水機組節能分析[J].節能與環保，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發展現狀[J].暖通空調，2015.45（7）：48-51.

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