热泵技术与低品位能源利用 【摘要】 本文主要介绍了各种热泵的分类及工作原理，并结合它们 的优缺点，讨论适用于不同场所的热泵类型及相关型号。并在进一 步了解热泵技术的前提下，浅谈低品位能源利用对节能减排事业的 推动作用。 【Abstract 】 This paper mainly introduces the classification and principle of various kinds of heat pump,combines with the advantages and disadvantages of them,discusses the type and related models of the heat pumps which will be applied to different places.And it will introduce the low grade energy to the cause of energy conservation and emission reduction under further understanding the heat pump technology. 【关键词】热泵 低品位 节能减排 【Key Words】Heat pump, Low grade, Energy conservation and emission reduction 1 引言 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的装置。现在我国 主要利用的热泵技术，按低位热源分：水源（海水、污水、地下水、地表水等） 热泵，地源（包括土壤、地下水）热泵，和空气源热泵。相应的我国热泵技 术分为三类：水源热泵，地源热泵，和空气源热泵。每种热泵技术都有其相 应的优缺点以及应用条件，在适当的场所应用适当的热泵种类及型号无疑将有 助于提升低品位能源的利用效率，进而推进节能减排事业的发展。 2 热泵技术原理介绍 2.1 水源热泵 水源热泵技术是利用地球表面浅层水源中吸收的太阳能和地热能而形成的 低温低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能 向高位热能转移的一种技术。水源热泵机组工作的大致原理是，夏季将建筑物 中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以能高效地带走热量，而冬季， 则从水源中提取热量。其具体工作原理为：在制冷模式时，高温度高压力的制冷剂 气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向冷却水（地下水）中放出热量 , 形成高 温高压液体，并使冷却水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体， 进入蒸发器吸收冷冻水（建筑制冷用水）中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使冷 冻水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温度高压力气体，如此循环 在蒸发器中获得冷冻水。在制热模式时，高温度高压力的制冷剂气体从压缩机出来 进入冷凝器，制冷剂向供热水（建筑供暖用水）中放出热量而冷却成高压液体， 并使供热水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器 吸收低温热源水（地下水）中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使低温热源水水温 降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温度高压力气体，如此循环在冷凝器 中获得供热水。 2.1 水源热泵机组的工作原理 2.2 地源热泵 地源热泵原理是：冬季，热泵机组从地源（浅层水体或岩土体）中吸收热 量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地源中，实 现建筑物空调制冷。地源热泵系统在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对 冷媒做功，使其进行汽 - 液转化的循环。通过冷媒 / 空气热交换器内冷媒的蒸发 将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒 / 水 热交换器内冷媒的冷凝，由循环水路将冷媒中所携带的热量吸收，最终通过室 外地能换热系统转移至地下水或土壤里。地源热泵系统在制热状态下，地源热 泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通阀将冷媒流动方向换向。由室外地 能换热系统吸收地下水或土壤里的热量，通过水源热泵机组系统内冷媒的蒸发， 将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒 / 空气热交换 器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。 2.2 地源热泵制冷原理图（制热时图中冷凝器与蒸发器互相转换即可） 2.3 空气源热泵 空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技 术。空气源热泵系统通过自然能 ( 空气蓄热 ) 获取低温热源，经系统高效集热整 合后成为高温热源，用来取 ( 供) 暖或供应热水，总系统集热效率甚高。冬天 热泵是以制冷剂为热媒，在空气中吸收热能（在蒸发器中间接换热），经压缩 机将低温位的热能提升为高温位热能，加热系统循环水（在冷凝器中间接换 热）。夏天热泵是以制冷剂为冷媒，在空气中吸收冷量（在冷凝器器中间接换 热），经压缩机将高温位的热能降低为低温位冷能，制冷系统循环水（在蒸发 器中间接换热）。 2.3 空气源热泵原理图 3 各种热泵技术的优缺点对比 3.1 水源热泵的优点 （1）高效率节约能源。水源热泵是目前空调系统中能效比最高的制冷、制热方式，水 源热泵仅仅消耗 1kW.h 的电量，用户便能够获得 4.3 —5.0kW.h 的热量，或者 5.4 — 6.2kW.h 的冷量。比起地源热泵，其运行效率要高出至少 20—60%，同时 费用却仅为其 40—60%。 （2）可再生循环利用。水源热泵的冷热源是充分的利用了地球上水体所储藏的太 阳能资源，通过能量转换进行的温度调节。地下水或河流、地表的部分的河流 和湖泊以及海洋都是可以供其利用的水体。 （3）节水省地。 以地表水为冷热源，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资 源，不会对其造成污染；省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施， 机房面积大大小于常规空调系统，节省建筑空间，更有助于建筑的美观。 （4）环保效益显著。水源热泵机组供热时省去了传统供热系统中的燃煤、燃气、 然油等锅炉房系统，全部程序无燃烧过程，从根本上避免了排烟、排污等污染； 同时供冷时也省去了冷却水塔，也避免了冷却塔带来的的噪音、霉菌污染及水 耗。所以，水源热泵机组运行不会产生城市热岛效应，是理想的绿色环保产品。 （5）应用场景范围非常广。水源热泵系统不仅可供暖、空调，还可供应居民生活用 热水，一套系统能替换原来的制冷、制热两套装置或系统。特别是对那些 对供冷供热都有一定要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大 量能源，而且减少了在设备上的大量投资。据统计，其总投资额仅为传统空调 系统的 60%。水源热泵经济适用，不但可以满足用户经济上的需求，更能为群 众的生活提供不少的方便。 （6）运行稳定可靠，维护方便 水体的温度一年四季相对来说比较稳定，其波动的范围 远远小于空气的变动，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳 定，也保证了系统的高效性和经济性；采用全电脑控制，自动程度高。由于系 统简单、机组部件少，运行稳定，因此维护费用低，常规使用的寿命长。 3.2 水源热泵的缺点 （1）实际应用中，对所利用的水源要求比较高。 虽然水源热泵在理论上可以利 用一切的水资源，但其实在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异还是比 较大的。所以是否有合适的水源，是能否将水源热泵的经济效益发挥到最大化 的一个关键。同时，对于不同的系统，水源的要求标准也较高，如开式系统就 要求水源一定要满足一定的温度、水量和清洁度。 （2）地理结构的限制 。对于从地下抽水回灌的使用，因此在实际应用中必须 考虑该地区的地质的结构，确保可以经济、安全的打井并找到比较合适的水源，同 时还应当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用后尾水的回灌能轻松实现。 （3）投资的经济性。由于受到不一样的地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格 的影响，水源的门槛的不同；总体来说，水源热泵的运行效率较高、费用 较低，但在不一样的地区不一样的需求的条件下，水源热泵的投资经济性会有所不同。 3.3 地源热泵的优点 （1）可再生性。地源热泵是一种利用土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源，进 行能量转换的供暖制冷空调系统，地源热泵利用的是清洁的可再次生产的能源的一种 技术。地表土壤和水体是一个巨大的太阳能集热器，收集了 47%的太阳辐射能 量，比人类每年利用的 500 倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐 射能量）；它又是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保 持能量接受和发散相对的平衡，地源热泵技术的成功使得利用储存于其中的近 乎无限的太阳能或地能成为现实。 （2）高效率节约能源。地源热泵机组利用土壤或水体温度冬季为 12-22 ℃，温度比环 境空气温度高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高；土壤或水体温度夏 季为 18-32 ℃，温度比环境空气温度低，制冷系统冷凝温度降低，使得冷却效 果好于风冷式和冷却塔式，机组效率大幅度的提升，能节约 30--40%的供热制冷 空调的运行的成本， 1KW的电能能够获得 4KW以上的热量或 5KW以上冷量。 （3）环境和经济的效果与利益显著。地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水，不需 要锅炉，不需要冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。 （4）自动运行。地源热泵机组由于工况稳定，可以设计成简单的系统，部件较 少，机组运行可靠，维护费用用低，自动控制程度高，常规使用的寿命长。 （5）节约空间。没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用 的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。 地源热泵系统的能量来源于自然能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣、 是一种理想的“绿色空调”。 3.4 空气源热泵的优点 (1) 高效率节约能源。其输出能量与输入电能之比即能效比（ COP）一般可达到 3.0 。 (2) 安全性高。加热方式实现了完全的水电分离，从根本上杜绝了普通系统中 的易燃、易爆、触电、干烧、煤气中毒等安全风险隐患。 (3) 环保。无废水、废渣、废热、废气排放，不会对大气和环境产生任何污染。 (4) 安装便捷，自动控制。能安装在室外空地、天面、阳台、大型停车库、 设备层等处不需专门的设备房。自动控制调节每台机组的运行时间和投入运行 的顺序，保证每台机组总运行时间一致，整个热水供水系统的高效、优化运行， 无需人员看管。 3.5 空气源热泵缺点 受地域限制非常严重，我长江以北的地方用空气源热泵制热的能效比不高，不 节能。 4 不同热泵的应用现状 4.1 水源热泵 虽然目前空气能热泵机组在我国有着相当广泛的应用，但它存在着热泵供 热量随着室外气温的降低而减少和结霜问题，而水源热泵克服了以上不足，而 且运行可靠性又高，近年来国内应用有逐渐扩大的趋势。 4.2 地源热泵 由于其节能、环保、热稳定等特点，引起了世界各国的重视。欧美等发达 国家地源热泵的利用已有几十年的历史，特别是供热方面已积累了大量设计、 施工和运行方面的资料和数据。 4.3 空气源热泵 目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热 水机组。热泵空调器已占到家用空调器销量的 40—50%，年产量为 400 余万台。 热泵冷热水机组自 90 年代初开始，在夏热冬冷地区得到了广泛应用，据不完全 统计，该地区部分城市中央空调冷热源采用热泵冷热水机组的已占到 20— 30%， 而且应用场景范围继续扩大并有向此移动的趋势。 5 热泵技术在低品位能源利用方面的贡献 热泵是一种高效节能装置，可是实现输入较小的代价，得到较大的收益。 因此，应用热泵技术能实现对室外可再次生产的能源（太阳能、水源、地热、空气 能等低品位热源）的利用，是空调领域内实施建筑节能的重要方法之一，对于 节约常规能源、缓解大气污染和温室效应起到积极的作用。热泵技术的应用经 过长时间的实践证明，是值得在建筑节能中推广的新型技术，并被政府高度重 视、积极地推进、全力支持。对推动整个节能减排事业起到了积极的作用。 6 结语 随着能源形势日趋严峻，节能减排越来越称为当前社会面临的重要问题。 低品位余热是节能减排的重要组成部分，其利用技术对可持续发展和环境保护 具有深远影响。着眼于热泵技术的发展与成熟，在未来的空调行业发展中，应 多利用热泵技术，对可再次生产的能源做到合理利用。作为将要致力于制冷行业的应 届毕业生，应努力学习有关专业知识，在总结前人成果的前提下，设计出更好 的空调系统，从而为全球范围内节能减排的发展做出贡献。 7 参考资料 [1] 龙惟定，士长庆，丁文婷 . 试论中国的能源结构与空调冷热源的选择取向 [J]. 暖通空调 .2000(4):33-35 [2]Rybach,LandSanner,BlGround-sourceheat-pumpsystems-the European experience Geo-HeatCenter Quarterly Bulley in KlamathFalls Oregon In statute of Technology.2000 21(1):16-26 [3] 徐伟等译 . 地源热泵工程技术指南 [M]. 北京：中国建筑工业出版社， 2001 [4] 祁俊山，薛越霞 . 海水源热泵空调工程应用实例 [J] 工程建设与设计 2005(4):12-13 th [5]Hazen E.Burford.Deep water Source cooling-anuntapped Resource In:10 Annual district cooling conference Florida 1995.1-3

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