人工冷熱源池熱泵系統(tǒng)的研究進展

孫源淵 吳榮華 于灝

（青島大學機電工程學院 山東青島 266071）

人工冷熱源池熱泵系統(tǒng)的研究進展

孫源淵 吳榮華 于灝

（青島大學機電工程學院 山東青島 266071）

熱泵技術(shù)是一種高效環(huán)保的能源利用方式。低溫熱源與熱需求時空分配不均等問題，大大限制了熱泵系統(tǒng)的推廣與發(fā)展。針對目前熱泵系統(tǒng)面臨的熱源難尋等問題，提出將儲能技術(shù)與熱泵技術(shù)相結(jié)合，解決熱源與熱需求不匹配的問題，提高能源利用率，更大程度的開發(fā)使用低品位能源，從而達到節(jié)能減排的目的。綜述了當前熱泵系統(tǒng)的分類及發(fā)展進程，提出了人工冷熱源池（Artificial Thermal Energy Storage Pool，簡稱ATESP）熱泵系統(tǒng)的新型發(fā)展思路，總結(jié)了ATESP內(nèi)部熱量傳遞機理的研究進展，并指出太陽輻射與土壤熱濕遷移是影響ATESP內(nèi)部熱量傳遞的主要因素。

熱泵；相變儲熱；地表水源熱泵；地源熱泵；污水源熱泵

引言

在我國當前所有能源消耗中，建筑能耗占社會總能耗的比例已達30%左右。若不采取有效的建筑節(jié)能措施，按照目前的建筑能耗狀況，至2020年我國建筑能耗將比2004年增加2.5億t/年標煤和耗電5800～6300 億度/年，總計折合電力約 1.3 萬億度[1～3]。

熱泵技術(shù)作為一種新型的能源利用方式，當前存在低品位熱源與熱需求時空分配不均等問題，這就造成熱泵系統(tǒng)無熱可用、有熱難用[4]。采用儲熱技術(shù)效緩解能量供求雙方在時間、地點、強度上的不匹配，是合理利用能源及減輕環(huán)境污染的有效途徑，也是廣義熱能系統(tǒng)優(yōu)化運行的重要手段[5]。

1 熱泵技術(shù)

1.1 熱泵基本原理及發(fā)展意義

熱泵是一種通過消耗小部分電能，從低品位能源中取熱傳遞到中品位能源的能源利用裝置[6]。

圖1 熱泵技術(shù)的基本原理

根據(jù)能量守恒原理（熱力學第一定律），熱泵系統(tǒng)要從室內(nèi)取走冷量或熱量，則必然要有一個對應的無限大冷源或熱源來提供一定的冷量或熱量與之相平衡。熱泵系統(tǒng)運行方式為冬季供熱，夏季供冷，能量傳遞方向與溫度梯度方向相同，根據(jù)熱力學第二定律，能量傳遞方向與溫度梯度方向相同時，需要有一定功輸入，即消耗一定量的電能。目前，工程應用中的熱泵系統(tǒng)（以蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)為主）效率都很高，COP可以達到4以上，給我們提供了一條能源消耗少，環(huán)境污染小的綠色節(jié)能新道路。

1.2 熱泵系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

熱泵這種設想最早由英國物理學家湯姆森于1852年提出[7]。中國的熱泵發(fā)展起步要晚很多，20世紀50年代，天津大學熱能研究所開始著手開展熱泵方面的研究工作。

目前隨著我國建筑節(jié)能意識的不斷提高，熱泵作為一種高效環(huán)保的能源利用方式，已經(jīng)主要被應用在建筑供暖供冷方面，推廣普及趨勢也極為迅速。

縱觀熱泵發(fā)展的歷程，不同種類的熱泵系統(tǒng)層出不窮，根據(jù)應用領(lǐng)域及工作原理的不同（表1），可大體分為蒸汽壓縮式（也稱為機械壓縮式熱泵）、吸收式熱泵、化學熱泵、蒸汽噴射式熱泵、熱電熱泵等。

根據(jù)熱源種類的不同，熱泵系統(tǒng)還能夠分為空氣源熱泵、土壤源熱泵、地表水源熱泵、海水源熱泵、污水源熱泵、復合熱泵[8～11]等（如表2）。

熱泵系統(tǒng)發(fā)展的生命力在于新型低品位熱源的探索與發(fā)現(xiàn)，縱然自然界中存在大量適宜的冷熱源，但是在實際應用當中還是會存在一系列的難題，空氣源、土壤源熱泵的冷、熱源沒有地域及環(huán)境的限制，但是該系統(tǒng)的運行效果較其他熱源要差一些，而像以海水、污水、地表水等為冷熱源的熱泵系統(tǒng)，此類熱泵系統(tǒng)運行效率高，系統(tǒng)穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保性能顯著，但在工程應用中會受到地域分布的限制，由此可見，冷熱源的開發(fā)和研究依舊是熱泵系統(tǒng)發(fā)展的一大方向。

1.3 熱泵技術(shù)發(fā)展存在的問題

表1 熱泵系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

表2 熱泵分類及優(yōu)缺點

熱泵技術(shù)的總體發(fā)展趨勢是更高效、更節(jié)能、更環(huán)保，熱泵系統(tǒng)的總體發(fā)展趨勢是系統(tǒng)化，整體化，多元化。

目前熱泵系統(tǒng)發(fā)展面臨的主要問題就是低品位熱源匱乏，低位熱源與熱需求在時空上的不同步大大限制了熱泵技術(shù)的應用和推廣，新型低品位熱源的開發(fā)及研究已經(jīng)成為未來推動熱泵系統(tǒng)發(fā)展的主要研發(fā)方向之一。

2 蓄能技術(shù)

2.1 蓄能技術(shù)基本原理及分類

蓄能技術(shù)是指利用儲能介質(zhì)自身特性完成能量的吸收與釋放來儲存和釋放能量，可以有效緩解能量供求雙方在時間、地點、強度上的不匹配，解決無熱可用、有熱難用等問題，通常也成為儲能技術(shù)。

根據(jù)儲能時間周期的不同，儲能系統(tǒng)可分為短期（臨時）儲熱系統(tǒng)和季節(jié)性儲能系統(tǒng)，其特點及應用實例如表3。

表3 根據(jù)儲能周期不同，儲能技術(shù)的分類對比表

根據(jù)蓄能方式的不同，蓄能技術(shù)又可分為顯熱蓄能、潛熱蓄能、化學反應熱蓄能等，三類蓄能方式的對比如表4。

表4 根據(jù)蓄能方式不同，蓄能技術(shù)分類對比表

2.2 相變儲熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

相關(guān)的蓄熱池在蓄能和釋能過程中的傳熱機理雖未見報道，但已有的其它相變蓄能方式的理論研究工作對本課題仍具有重要參考價值。Lacroix（1993）[12]對殼體內(nèi)為相變材料、管內(nèi)為換熱流體的管殼式相變蓄能模型進行了理論研究。Ismail和Alves（2001）也對一種管殼式潛熱蓄能系統(tǒng)進行了理論分析和數(shù)值計算。Zivkovic和Fujii對長方體形和圓柱形相變蓄能單元的傳熱模型進行了數(shù)值分析。

2.3 儲熱技術(shù)應用于熱泵系統(tǒng)可行性分析

將顯熱儲熱技術(shù)與熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，既可以避免吸收潛熱造成的結(jié)冰問題，同時還能夠保留儲熱技術(shù)的一系列優(yōu)勢。目前，基于儲熱技術(shù)與熱泵技術(shù)相耦合的人工冷熱源池熱泵系統(tǒng)（Artificial Thermal Energy Storage Heat Pump，簡稱ATESHP，圖2）已處于中試階段。經(jīng)過一個采暖季和一個供冷季的實驗運行及運行工況實時監(jiān)控，本系統(tǒng)完全可以滿足冬季供暖夏季供冷的運行要求，且運行穩(wěn)定。

圖2 人工冷熱源池熱泵系統(tǒng)原理示意圖

3 結(jié)論

熱泵系統(tǒng)以其高效、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢，在供暖空調(diào)等行業(yè)中逐漸占據(jù)了越來越重要的位置。隨著國家對節(jié)能減排的重視程度不斷增加，熱泵系統(tǒng)必將會引起政府，社會的高度重視。將儲熱技術(shù)與熱泵技術(shù)相結(jié)合，提出人工冷熱源池熱泵系統(tǒng)的新型發(fā)展思路，利用儲能技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)熱量的跨時間、跨空間傳遞，解決熱泵系統(tǒng)熱源在空間上分布不均勻，時間上與熱需求不匹配等問題，將建筑的暖通空調(diào)需求和諧地納入了生態(tài)循環(huán)之中，減少了建筑供暖空調(diào)過程中常規(guī)能源的消耗和溫室氣體的排放，為建設“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”社會提供有力的保障。

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TU833.3

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1004-7344（2016）10-0316-02

科技惠民計劃（2013GS370204）。

2016-3-18