熱泵系統在集中供熱中的應用

穆偉建 魯炳良

荏原冷熱系統（中國）有限公司 山東煙臺 264000

因氣候條件的特點所影響，供熱成為了我國北方地區居民正常生活不可缺少的條件。現如今集中供熱已經從城市發展到了中小城鎮。與此同時，集中供熱消耗的能源也不斷增加，我國目前集中供熱消耗的能源絕大部分都是不可再生的化石能源，利用熱泵技術使集中供熱更多的利用可再生新能源具有重要意義。

1 熱泵系統工作原理

熱泵系統工作原理熱泵系統由熱交換機、壓縮機、保溫水箱、軸流風扇、過濾器、水泵、儲液罐以及電子控制器和電子膨脹閥構成，在系統運行過程中，從自然界獲取低位熱能，進而通過電能做功，將低位熱能轉換成為高位熱能，以此為熱能用戶提供足夠的熱能供給。熱泵系統在接通電源之后，軸流風扇進行運轉，室內空氣何以通過蒸發器與室外空氣進行熱交換，同時通過排風系統將降溫后的空氣排除。與此同時，蒸發器內的工質通過吸熱之后進入壓縮機，從而將低壓氣體轉換成為高壓氣體，進而將轉換之后的高壓氣體輸入冷凝器，水泵系統循環中的液體則可以通過冷凝器完成加熱工作，之后送到用戶方以供其利用，在此過程中，熱泵中的工質可以冷卻成為液體，進而通過降溫后送入蒸發器進行循環利用[1]。

2 熱泵供熱方式分類確定

熱電廠蒸汽資源充足，可采用節能效果較好的蒸汽吸收式熱泵機組。根據熱泵機組在熱網中位置的不同，分為分布式熱泵供熱方式和集中式熱泵供熱方式，由于循環水供回水溫差小，無法實現遠距離輸送，因此選用集中式熱泵供熱方式。集中式熱泵供熱方式又可分為以下幾種。

2.1 集中式熱泵供熱方式

熱泵產生的熱水，送出電廠進入熱用戶，降溫后返回電廠進入熱泵加熱，如此循環。該方式產生的熱水溫度相對較低，末端用戶一般只能采用低溫供暖方式，且無法實現遠距離供暖為集中式熱泵與熱網換熱器相結合的供熱方式，特點是熱泵作為1級加熱器，傳統熱網換熱器作為級加熱器，即采暖抽汽一部分驅動熱泵回收循環冷卻水攜帶的余熱初步預熱供暖回水，另一部分進入傳統熱網的汽—水換熱器繼續加熱供暖回水直至滿足熱網需求。該方式能產生符合傳統熱網需求的高溫熱水。

2.2 大溫差集中式熱泵供熱方式

特點是在電廠內采用熱泵和傳統熱網的汽—水換熱器相結合的加熱方式，產生的高溫熱水送入熱網，在末端采用熱水吸收式熱泵和水—水換熱器相結合的換熱方式，實現大溫差換熱。

該供熱方式使高溫熱水產生了大溫差，提高了熱網的輸送能力，延長了輸送距離，且由于回水溫度低、無保溫和熱力補償問題，供熱成本低。但由于該方式系統流程復雜，設備初投資比傳統集中供熱方式高，調節控制的難度增大。綜合比較以上各種循環冷卻水熱泵供熱方式的優缺點、設備投資成本及系統管理成本、難易程度，表示的集中式熱泵與熱網換熱器相結合的供熱方式。

3 泵系統在城市集中供熱中的實際應用

3.1 利用熱泵系統實現冷熱聯供

隨著熱泵系統及其應用技術的不斷完善，熱泵系統基于其制冷、制熱功能兼具的優點，在城市集中供熱中獲得了廣泛應用，并且利用熱泵系統可以實現冷熱聯供，從而將多余熱量進行有效利用，提高能源利用率，提高經濟發展的效益。熱泵系統中冷熱聯供的工作原理是逆卡諾循環，在冷熱聯供的過程中，制冷設備的工作原理也是逆卡諾循環，但是制冷設備的工作目的是降低工作對象的溫度，而熱泵的工作目的則是提高工作對象的溫度，因此熱泵系統與制冷設備的工作范圍是不同的。眾所周知，在高溫區和低溫區之間的熱量傳遞是非自動的，

因此通過熱泵系統的運轉可以有效實現從低溫區到高溫區的熱量傳遞。根據能量守恒定律可知，能量在自然界之中是恒定不變的，因此在這一熱量傳遞的過程中，高溫能量等于熱泵利用能量和低溫能量的總和[2]。

3.2 污水源熱泵在集中供熱中的應用

結合城市供熱管網可擴大污水源熱泵規模，優化效益，促進污水余熱回收項目的建設。將污水源熱泵應用到城市供熱管網中，可顯著擴大項目規模，提升項目價值。延長污水源熱泵年利用時長，充分發揮設備價值。與城市供熱管網結合后，污水源熱泵在夏季回收的余熱也能得到充分的回收利用，提高污水源熱泵的設備使用率。污水源熱泵是一種有效的回收余熱方式，目前的污水源熱泵利用方式分為直接利用和間接利用兩種。直接利用即讓污水直接進入熱泵系統內換熱而后將冷熱能傳至室內，間接利用則在污水經污水換熱器換熱后讓熱泵將冷熱能傳至室內。直接換熱對換熱面積和換熱池容積的要求較高，需要的投資高，且運行效果差，維護成本高。相比之下，間接利用方式在初投資、運維成本、風險性都具有明顯的優勢。

3.3 地巖熱泵在集中供熱中的應用

除了冷熱聯供和污水源熱泵應用之外，在地熱能豐富的地區可以利用地巖熱泵系統有效提高供熱能力，從而解決供熱中的能源短缺問題。不同于污水源余熱能源的是，地熱能屬于新型的可再生清潔能源，因此可以在一定程度上取代化石能源，以此為城市發展和經濟建設提供能源支撐。長期以來，我國經濟發展過于依賴化石能源，但是化石能源的不可再生性導致我國經濟發展面臨嚴重的能源短缺問題，這一點也深刻體現在城市集中供熱中，因此采取地巖熱泵系統提高集中供熱效率，可以有效緩解能源短缺問題，促進節能環保建設。

4 結語

總之，熱泵系統的有效應用可以提高集中供熱的效率，并且通過冷熱聯供、污水源熱泵系統、地巖熱泵系統的應用，可以有效減少集中供熱造成的環境污染，從而促進城市的可持續發展，同時有效促進節能環保建設，提高城市發展的效率。