高溫熱泵技術(shù)及系統(tǒng)性能研究

宮世吉

摘要：熱泵供暖技術(shù)因其節(jié)能、環(huán)保、高效等優(yōu)點在我國得到了廣泛應用。近年來，隨著國家對北方地區(qū)清潔供暖的大力支持與政策推進，該技術(shù)的相關(guān)研究取得了一定進步。但其在實際應用中仍存在因環(huán)境條件限制導致系統(tǒng)制熱能力不足，穩(wěn)定性下降以及運行費用高等制約熱泵產(chǎn)品推廣應用的問題。本文系統(tǒng)總結(jié)了空氣源熱泵、地源熱泵等熱泵技術(shù)在供暖應用中的存在問題及解決方法，并根據(jù)最新研究進展，對我國熱泵供暖技術(shù)的未來發(fā)展進行展望。

關(guān)鍵詞：高溫熱泵技術(shù);應用

引言

熱泵有廣義和狹義之分。廣義熱泵是指在某種動力驅(qū)動下，通過熱力學逆循環(huán)連續(xù)地將熱能從低溫物體 （或介質(zhì)）轉(zhuǎn)移到高溫物體 （或介質(zhì)），并用以制冷或制熱的裝置，而狹義熱泵僅是指以制冷系統(tǒng)中的放熱量作為使用目的的裝置。從廣義熱泵的含義上看，熱泵包含了利用蒸發(fā)器側(cè)的吸熱量或（和）冷凝器側(cè)的放熱量的熱力裝置，即制冷與熱泵裝置，二者的熱力學本質(zhì)完全相同，因此，本文將常用的制冷空調(diào)熱泵設備統(tǒng)稱為“熱泵”。我國是制冷、熱泵產(chǎn)品的研發(fā)大國、生產(chǎn)大國和應用大國。隨著北方地區(qū)煤改清潔能源等供暖政策推動，南方長江流域的采暖需求日益強烈，熱泵成為制冷空調(diào)行業(yè)最熱的產(chǎn)品之一。

1熱泵產(chǎn)品分類

熱泵有多種分類方式。其中，按容量大小可分為戶用和類似用途型熱泵、工商業(yè)用和類似用途類型熱泵;按機組功能可分為單冷型、單熱型和冷熱回收型熱泵;按壓縮機類型可分為活塞式、離心式、螺桿式和渦旋式熱泵等;按制冷循環(huán)驅(qū)動能源類型還可分為制冷劑蒸汽壓縮循環(huán)式熱泵和吸收式熱泵等。盡管如此，但我國熱泵標準主要是從熱泵產(chǎn)品的熱源側(cè)介質(zhì)和使用側(cè)介質(zhì)或用途等為依據(jù)進行分類、制定的。根據(jù)熱源側(cè)介質(zhì)類型不同，熱泵產(chǎn)品可以分為水源熱泵和空氣源熱泵。而水源熱泵又可根據(jù)水源的來源不同分為水環(huán)式、地下水式、地埋管式、地表水式、低品位熱水源式等熱泵類型;空氣源熱泵又根據(jù)適用氣候類型不同，又可分為普通型、低環(huán)境溫度型、超低環(huán)境溫度型等;此外，綜合了水源和空氣源特性的熱源塔熱泵也被納入了標準體系。 按照使用側(cè)需求特性（介質(zhì)和冷熱量用途）不同，制冷熱泵產(chǎn)品可以劃分為冷 （熱）水型和 冷（熱）風型機組。冷（熱）水型機組又可以分為空調(diào)機組、生活熱水機組、工業(yè)流程用高溫熱水機組和多用途機組;冷（熱）風機組采用制冷系統(tǒng)直接制取冷熱風，但也可以細分為空調(diào)機組和工業(yè)流程用熱風型機組。基于使用側(cè)需求特性的熱泵產(chǎn)品分類方法。根據(jù)熱源側(cè)和使用側(cè)的各種分類組合，就可研發(fā)出各式各樣、數(shù)十種熱泵產(chǎn)品。但基本形式只有空氣-空氣熱泵、空氣-水熱泵、水-水熱泵、水-空氣熱泵4種，如果再將熱源塔考慮為熱源側(cè)的取熱設備，則還有熱源塔-水型機組和熱源塔-空氣型機組兩種類型。實際上，由于技術(shù)水平、經(jīng)濟性等限制，部分處于研發(fā)過程中的或產(chǎn)量較小熱泵產(chǎn)品，并沒有制定其相應產(chǎn)品標準，例如，超低環(huán)溫空氣源熱泵。

2高溫熱泵在工業(yè)領(lǐng)域的應用

2.1海水淡化

解決淡水資源短缺的重要手段之一就是海水淡化，常用的方法有海水凍結(jié)法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法，但都以消耗大量的熱能和電能為前提 （例如通過蒸餾還原水的技術(shù)成本較高、設備系統(tǒng)比較復雜和需要燃燒能源加熱海水實現(xiàn)蒸餾等），會引起一系列的問題，例如： 能耗高、地球溫室效應、環(huán)境污染等問題，因此，新的海水淡化技術(shù)必需能提高能源利用效率、降低海水淡化系統(tǒng)運行成本和污染小，而采用熱泵海水淡化技術(shù)不但可以提高海水淡化系統(tǒng)能源利用效率，而且可以降低海水淡化系統(tǒng)運行成本 （按目前蒸餾法海水淡化的成本計算，每噸海水提取需要耗約 8 ～10 元人民幣，采用熱泵技術(shù)約為 4 ～ 5 元）。近年來我國的熱泵海水淡化技術(shù)已經(jīng)得到了技術(shù)突破，采用機械壓縮式熱泵海水淡化，可直接將海水加熱到80℃以上，與現(xiàn)有膜法海水淡化技術(shù)相比，可一次節(jié)約能源約 40%，成本降低約 50%，而且不會造成環(huán)境污染，采用環(huán)保制冷劑更不會引起的地球溫室效應。

2.2 污水源熱泵

污水源熱泵系統(tǒng)的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，COP 比傳統(tǒng)空氣源熱泵高 40% ，運行費用僅為中央空調(diào)的 50%～60% ，且無需考慮打井、回灌及蒸發(fā)器結(jié)霜等問題，具有顯著的經(jīng)濟性、節(jié)能性和環(huán)保性。系統(tǒng)根據(jù)原生污水是否進入換熱器分為直接式與間接式。其中間接式系統(tǒng)技術(shù)較為成熟，應用廣泛。在《“十三五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設規(guī)劃》中明確提出全面提升污水處理能力，積極推動再生水利用的要求，這為污水源熱泵的廣泛應用奠定了基礎(chǔ)。但目前國內(nèi)再生水實際利用率很低，再生水源熱泵關(guān)鍵技術(shù)的研究尚未深入。目前污水源熱泵系統(tǒng)存在的最主要的問題是堵塞、結(jié)垢和腐蝕，污水水質(zhì)是影響系統(tǒng)性能的最關(guān)鍵的因素之一。工程中常用的兩類系統(tǒng)為帶前置過濾裝置熱泵系統(tǒng)和基于疏導式換熱的熱泵系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)均存在相應的技術(shù)難點。采用流化床工藝去除污水源熱泵系統(tǒng)中的軟垢可能是一種有效途徑。

目前解決管道阻塞問題通常采用過濾格柵、濾面水力連續(xù)再生裝置、自動篩濾器、轉(zhuǎn)筒式及轉(zhuǎn)輪式防阻器等設備進行除污。目前國內(nèi)應用最廣、技術(shù)最成熟的是污水連續(xù)再生過濾裝置 。國內(nèi)污水換熱器的以采用非金屬沉浸式居多，材質(zhì)主要為塑料管及各類復合材料。李成龍等研究了塑料換熱器的污垢生長特性，發(fā)現(xiàn)污垢的生產(chǎn)存在明顯的誘導期，但時間很短，很快達到穩(wěn)定波動階段。周晶晶研究了塑料換熱器性能與污水溫度、流量及濃度等參數(shù)之間的耦合關(guān)系。但塑料污水換熱器的研究還停留在理論分析和試驗研究階段，目前國內(nèi)還沒有實際工程應用。再生水源熱泵將污水經(jīng)過處理，滿足一定水質(zhì)要求之后，以二級出水作為冷熱源用于建筑物供暖，與污水源熱泵相比，更具資源循環(huán)的現(xiàn)實意義。馬東的模擬研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：再生水側(cè)流速為 1.4m/s附近時，寬流道板式換熱器換熱性能最佳。常思遠等的研究結(jié)果表明：Ca2+濃度上升會促進游離水含量及污垢總質(zhì)量的上升，而苯扎氯銨對微生物污垢具有抑制作用。

2.3冰源熱泵

中國建筑科學研究院的袁東立提出了冰源熱泵技術(shù)。該系統(tǒng)利用過冷水制冰釋熱技術(shù)，把制冰過程的熱傳遞和冰水相變兩個環(huán)節(jié)從空間上分離，使低溫水源在制冰裝置中實現(xiàn)可控按比例結(jié)冰，解決了常規(guī)水源熱泵機組在熱水出水溫度低于4 ℃無法運行和嚴寒地區(qū)淺層土壤源熱泵無法應用的問題;通過冰源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)有機搭配，混合運行，解決了地源熱泵土壤換熱器無法取熱問題;利用冰源熱泵系統(tǒng)冰水混合物分離技術(shù)，有效降低了低溫水源的用量，實現(xiàn)了冬季利用室外近冰點低溫水源進行冬季供暖和生活熱水供應，節(jié)約了能源，在低溫環(huán)境潔凈供暖領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。

3 展望

熱泵技術(shù)有效解決了我國大多數(shù)地區(qū)的供暖問題，推進了我國環(huán)保和節(jié)能減排事業(yè)的前進，具有廣闊的發(fā)展前景。縱觀國內(nèi)外學者對熱泵供暖技術(shù)的研究可以發(fā)現(xiàn)：熱泵技術(shù)改進和性能提升受到了越來越多的關(guān)注。同時，如何提高熱泵系統(tǒng)的實用性和經(jīng)濟性是當前熱泵研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一。隨著相關(guān)標準和規(guī)范政策的出臺、系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化及氣候適應性熱泵技術(shù)的研發(fā)，將有助于提高熱泵系統(tǒng)性能，促進產(chǎn)業(yè)革新與升級。因此，結(jié)合當今國內(nèi)外熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和存在問題，對熱泵技術(shù)未來的發(fā)展進行展望如下：1 ）對熱泵供暖通用技術(shù)進行研究，在除霜、防堵、除污等技術(shù)上實現(xiàn)創(chuàng)新性突破，并對熱泵產(chǎn)品進行規(guī)范化及優(yōu)化設計，進一步研究利用軟件產(chǎn)品線開發(fā)商用空調(diào)控制器。2 ）統(tǒng)籌規(guī)劃與管理多種能源形式供暖技術(shù)方案，平衡熱力供需，科學供熱布局，在供熱方案選擇之前進行充分技術(shù)經(jīng)濟論證。3 ）致力開發(fā)新型熱泵技術(shù)，如中深層地源熱泵技術(shù)、柔性熱泵技術(shù)，深入研究系統(tǒng)理論機理并進行系統(tǒng)優(yōu)化設計，最大化其節(jié)能潛力，降低技術(shù)難度，提高經(jīng)濟性，使其易于推廣。

結(jié)語

空氣源熱泵作為一種新型的節(jié)能產(chǎn)品，將燃氣與空氣完美結(jié)合，具有運行費用低、社會效益高、舒適環(huán)保、安全可靠的特點。燃氣壓縮式空氣源熱泵機組勢必會在北方地區(qū)得到良好的推廣與發(fā)展。

參考文獻

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