中國建筑供熱制冷的熱泵系統(tǒng)研究及應用

陳旭

（大連民族大學）

【摘要】熱泵技術(shù)充分體現(xiàn)了暖通空調(diào)中能量循環(huán)利用的原則，避免了傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)中能源利用的單向性。與泵的原理類似，熱泵技術(shù)以高品位能源作為驅(qū)動能量，補償并提升低品位能源。由于暖通空調(diào)系統(tǒng)中的利用熱源通常是低溫熱源，而采用熱泵技術(shù)對于提高制熱性能系數(shù)有所幫助，因而暖通空調(diào)系統(tǒng)是應用熱泵技術(shù)的理想領域之一。通過熱泵技術(shù)的有效利用，暖通空調(diào)系統(tǒng)中的高品位能源可以被大量的低溫可再生能源代。通過熱泵技術(shù)，儲存于土壤、水源、空氣的天然低品位能源或者源于工業(yè)生產(chǎn)、日常生活的廢熱就可以用于建筑物的供熱制冷及熱水提供。因此在中國暖通空調(diào)領域，熱泵系統(tǒng)被廣泛推廣應用和研究發(fā)展，并且在系統(tǒng)的理論創(chuàng)新、實驗研究、產(chǎn)品開發(fā)和工程應用等方面都取得了進展。本文回顧了自二十一世紀以來中國在用于建筑物供熱制冷的熱泵系統(tǒng)領域中的研究、應用及發(fā)展所取得的成就。

【關(guān)鍵詞】熱泵 供熱制冷 研究應用

一、地表水熱泵系統(tǒng)

（一）河水源熱泵

對河水源熱泵，陳等研究了河水源熱泵在吉林省的應用，吳研究了重慶的河水源熱泵工程。經(jīng)過經(jīng)濟性分析，發(fā)現(xiàn)河水源熱泵系統(tǒng)有更好的經(jīng)濟性。此外，吳榮華等通過對不同系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保效果的定量計算，直觀清晰的論證了地表水源熱泵的節(jié)能和環(huán)保性能。

在換熱器方面，吳榮華等開展了管式換熱方式的特性研究，包括換熱器的傳熱模型，阻力特性和經(jīng)濟分析。研究發(fā)現(xiàn)，初投資幾乎是相同的，但是管式換熱的傳熱性能的方法是更好的。具體方案如圖6。

在實際工中，河水源熱泵系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應用。宋應乾分析了閉式地表水源熱泵系統(tǒng)的特點、設計要求、系統(tǒng)選擇、傳熱過程等，給出最優(yōu)形式和距離以及冬季防凍措施。對于取水方案，包括新的取水構(gòu)筑結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)換排放系統(tǒng)也已經(jīng)開展了大量的研究。

（二）海水熱泵系統(tǒng)

對海水源熱泵的研究也開展了大量工作。天津大學李鳳麗以秦皇島一個別墅會所為例，分析了海水源熱泵的可行性和經(jīng)濟性，認為海水源熱泵有良好的經(jīng)濟效益和節(jié)能環(huán)保效益。李分析了海水熱泵系統(tǒng)集中供熱和冷卻時的運行能耗，討論了海水源熱泵熱量排放對環(huán)境的影響，最后提出一種新的經(jīng)濟環(huán)境評價方法（凈環(huán)境成本法），并提供一個案例。

考慮到海水高腐蝕和其他特殊性，天津大學學者做了很多海水-乙二醇換熱器的研究工作，包括選擇合理的換熱器結(jié)構(gòu)形式、建立冬季凍結(jié)和不凍結(jié)兩種數(shù)學模型，并做實驗驗證換熱器模型。通過目標函數(shù)優(yōu)化方法選擇最低費用年值的換熱器。

在實踐中，海水源熱泵系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應用。哈爾濱工業(yè)大學調(diào)查搜集了國內(nèi)20多個海水源熱泵系統(tǒng)，建立了一個基礎數(shù)據(jù)庫。此外，青島科技大學，天津大學和其他高校比較了海水源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，認為海水源熱泵系統(tǒng)在建筑節(jié)能運行方面更加有利。

針對系統(tǒng)運行后的海水腐蝕性、污垢沉積和其他特殊問題也開展了大量研究工作，并提出了一系列的防腐措施。

二、污水源熱泵系統(tǒng)

污水被視為熱泵的可再生熱源的主要特征體現(xiàn)在以下幾個方面：①廢水含有大量的熱能；②城市每年要產(chǎn)生大量的廢水；③每天可利用的城市污水排放量都是基本穩(wěn)定的；④廢水溫度低于夏季室外空氣溫度，高于冬季室外空氣溫度，而且在整個供冷供熱季節(jié)里，廢水溫度波動很小。廢水溫度與地區(qū)、排放源和季節(jié)有關(guān)。相對于其他傳統(tǒng)的熱泵熱源（地下水、地熱、室外空氣），在供暖季，廢水從當?shù)刈≌潘到y(tǒng)排出時表現(xiàn)出相對高的溫度（約10℃在哈爾濱，中國）。在夏天，城市排水系統(tǒng)的廢水溫度相對較低（約22℃在哈爾濱，中國）。因此，對于空調(diào)和熱水系統(tǒng)來說，廢水是一個很好的熱源/熱匯。

在80年代初，污水源熱泵（SWHPs）被廣泛應用在瑞典和挪威等北歐國家。在過去的二十年里，污水源熱泵因其相對高的能源利用率和環(huán)保效益收到廣泛關(guān)注。

在我國，污水源熱泵的使用和研究開始于20世紀末，但發(fā)展速度非?？?。最初的研究工作是由尹軍和他的同事們開展的。他們調(diào)查了污水源熱泵在日本的應用，然后分析了我國的污水狀況，論證了我國污水源熱泵應用的可行性。之后，許多污水源熱泵項目在國內(nèi)興起，包括北京、黑龍江、遼寧、河北、山東、天津。這些區(qū)域的建筑在寒冷的冬天需要一個長期（≥4個月）供熱。

（一）廢水收集裝置

兩個問題應該解決WWSHPs的應用程序：一個是，污水中含有大量的大尺寸污染物前必須清除污水流入換熱器；另一種是，即使污水過濾廢水收集裝置，表面的污垢將存款浪費水（污水）熱交換器經(jīng)過長期運行，影響傳熱和WWSHPs反過來會導致較低的性能。鑒于WWSHPs的應用這兩個問題，一些研究者WWSHPs過去十年是從事在中國發(fā)展的兩種關(guān)鍵設備：（1）廢水收集裝置；（2）廢水熱交換器。

廢水收集裝置開發(fā)中國WWSHPs列出如下：

過濾器通過高速度與表面不斷再生水：這個設備在中國開發(fā)。這項技術(shù)被視為非常重要的進步發(fā)展的廢水收集裝置。當污水流經(jīng)過濾器的四分之三的地區(qū)，大尺寸污染物之外的攔截過濾器，但污水經(jīng)過過濾和進入半截室。濾波器的旋轉(zhuǎn)，大尺寸污染物將四分之一的濾波器，因此他們可以刷新從表面的廢水從過濾器的四分之一。

旋轉(zhuǎn)半球形過濾廢水收集裝置：對于與以前單位的區(qū)別，這與半球形過濾設備設計，配合，污水管道的進口和出口是設計成斜橢圓管連接。這個設備可以避免短路的污水在進口和出口處標。

旋轉(zhuǎn)套筒過濾廢水收集裝置：污水收集基于重力的設備。因此可以避免的溫水和冷水混合吸入管和排出管的孔。

廢水收集裝置在開放類型：因為它是一個開放的循環(huán)，這個設備運行在普通的壓力，因此，要求材料強度低。通過這個設備壓降很小，這有助于減少水泵的負責人。因此可以節(jié)省運營成本。它可以避免動機密封的問題。

（二）浪費水熱交換器endprint

總的來說，目前使用的熱交換器在WWSHPs可以分為兩種類型：間接和直接。所有這些廢水熱交換器主要包括殼管式、板式和沉浸類型。在中國現(xiàn)有的熱交換器或原型WWSHPs列出如下：

換熱器清洗功能強勁沖洗：該熱交換器是用于直接和淹沒WWSHP系統(tǒng)。一個額外的水泵用于這個設備提供高壓水噴水。高速水將注入管移除管的內(nèi)表面上的污垢。每個管的入口附近的水射流旋轉(zhuǎn)的中心軸旋轉(zhuǎn)，因此，高速水可以沖管。這個設備的功耗是高于其他種類的廢水上述熱交換器。

換熱器污垢憐刪除：小球混合廢水中的碰撞傳熱表面的管，可以提高傳熱性能和消除管表面的污垢。

殼管式熱交換器與去垢功能：這種換熱器是用于直接和干膨脹WWSHP系統(tǒng)。螺旋軸穿過所有的擋板，可以手動旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器外。軸的左端是支持軸承固定在蒸發(fā)器的左端。軸的右端通過一個密封軸承的右端固定到蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器，手動旋轉(zhuǎn)輪安裝。螺母固定到每個獨立擋板中間點，通過擋板連接到螺旋軸。因此，這些擋板可以移動水平兩個方向的軸是手動旋轉(zhuǎn)，和橡膠層的擋板可以刮掉管表面的污垢。

三、結(jié)論

在21世紀，熱泵的快速發(fā)展不僅是為了解決能源問題，還要解決環(huán)境問題。如果時間從1970年代末到1990年代初可以被視為第一個熱泵發(fā)展的繁榮時期，能源效率成為重要的因為需求減少溫室效應在21世紀。由于環(huán)境影響，熱泵技術(shù)將體驗第二個繁榮和可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)生態(tài)HAVC的邏輯和綠色化。因此，近年來，應用熱泵技術(shù)獲得了快速發(fā)展，已顯示出一些新特性不同于其他國家和地區(qū)在這個快速發(fā)展時期：

（1）熱泵加熱和冷卻系統(tǒng)的應用在民用建筑的建筑發(fā)展迅速。

（2）熱泵系統(tǒng)的應用范圍已從中小趨勢公民（低于10000㎡）一些大型建筑集團（近一百萬㎡）。

（3）GSHP的研究是基于實際項目的應用程序在中國，和在應用程序中探索經(jīng)驗來解決這個問題。然而，基礎研究缺乏，自主創(chuàng)新的能力是不夠的。

（4）一些研究人員認為淺層地熱能是一種資源，低溫熱源GSHP基于淺層地熱能資源和淺層地熱能資源在中國被廣泛使用?；谶@一觀點，GSHP的發(fā)展在中國被認為是過于樂觀。

這些新的特點和問題將帶來一些不確定性和不可預測性的熱泵技術(shù)在中國的應用。因此，熱泵在中國的快速發(fā)展迫切需要一些基礎理論的支持，它可以幫助尋求最優(yōu)或更好的方法在中國開發(fā)熱泵技術(shù)。

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