談暖通空調領域新能源熱泵技術應用

葉 文 波

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001)

·綠色環保·建筑節能·

談暖通空調領域新能源熱泵技術應用

葉 文 波

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001)

對熱泵系統的分類及其特點進行了詳細的介紹，進一步分析了熱泵供熱空調的能量消耗情況，指出使用新型的能源能減少對環境的破壞，從而促進營造一個和諧、無污染的社會。

暖通空調，新能源，熱泵技術

目前，我國經濟建設方面的發展有了很大的進步，人們不僅對生活工作的環境有了更加嚴格的要求，而且對室外環境也有了要求。近年來，越來越嚴重的霧霾天氣不僅影響著人們的出行，對人們的身體健康也產生了很大的危害。國家對治理霧霾天氣也下了很大力度，例如，關停嚴重污染企業；治理一些大氣排放非達標企業；私家車出行采用單雙號限制等等，其中采暖熱源也是大氣污染的一個重要因素，所以，國家下大力氣治理大氣污染，在北京、河北等地率先取締燃煤鍋爐，采取“煤改氣”“煤改電”“地熱能、空氣能采暖”等清潔能源，改善大氣環境。

“煤改氣”是指燃煤鍋爐用天然氣來取代，天然氣被戴上了清潔能源的桂冠。其實天然氣也是石化能源，也有清潔燃燒的問題，主要是燃燒過程中會產生大量氮氧化物，而霧霾的主要成分是PM2.5，生成PM2.5的罪魁禍首就是氮氧化物。燃氣鍋爐對控制氮氧化物沒有優勢。北京的“煤改氣”后，霧霾天數只升不降。而且我國天然氣資源緊缺，用來“煤改氣”的天然氣嚴重不足，勢必會影響到天然氣供暖的穩定性。

“煤改電”是國家采取治理大氣污染的積極探索的清潔、低碳、安全、高效新型能源消費方式的一項重要舉措。但是，要是實施就必須落實政策、環境、電網等諸多因素，國家對用電采暖的政策能否長期、持續，非常重要。另外還需要大規模增加電網的供電容量，電網改造的投資巨大。對實施“煤改電”方案有一定影響。

熱泵是建設綠色家園中不可缺少的產品，是節能減排高效的好產品，是真正清潔能源的方式。

1 熱泵系統的分類及其特點

熱泵通過對周圍環境之中的熱量進行一系列的吸收作用，然后將吸收獲得的能量傳遞給那些需要獲取能量的對象。熱泵的工作機理與制冷機有一些類似之處，只是所需要的溫度不同而已。一般情況下，熱泵是由四部分構成，以支持熱泵進行熱量的傳遞的工作。第一部分就是驅動能源，熱泵常用的一些驅動能源有煤氣、柴油、電能、煤、汽油等等；第二部分是驅動裝置，常用的驅動裝置有蒸汽輪機、燃料發電機、電動機等等；第三部分是工作機；第四部分是低溫熱源，常用的一些低溫熱源有地熱、太陽能、空氣、工業廢熱、水等等，熱泵利用這些低溫熱源，經過一系列的處理，將其轉換為熱能，供人類對其進行使用。

1.1 空氣源熱泵

1.1.1 空氣源熱泵的優點

空氣源熱泵原理就是通過利用逆卡諾原理，用比較少的電能，吸收空氣中大量的低溫熱能，通過壓縮機的壓縮變為高溫熱能，是一種比較節能高效的熱泵技術，該系統相對于其他的系統來說對能源相對節約，耗電量僅僅是電鍋爐的1/4，并且該技術不會對環境產生污染。該系統一般使用電能作為其驅動能源，對其工作狀態的控制能夠更順利、合理的完成，而且這個系統不僅僅能夠進行熱能的制造，還能夠降低溫度，應用范圍較廣，使用率相對較高。

1.1.2 空氣源熱泵存在的問題及目前解決的對策

雖然這種技術所具有的優點很多，但是其仍然有一些問題不可避免，該技術由于是依靠外界空氣之中的能量進行產熱的，外界空氣的變化不受人為的控制，對產熱工作會引起一些影響，所以在實際的工作生活之中使用這種技術需要注意增加一些加熱的部件，保證熱泵的工作效果能夠滿足用戶的要求。空氣源熱泵普遍存在以下幾點問題：第一，熱泵所輸出的熱功率與熱負荷的要求相比較低；第二，空氣熱泵的壓縮機在溫度較低的情況之下運行會出現停機的現象；第三，在溫度較低時，COP的值相對較低。

1.1.3 解決問題的方法

空氣熱泵技術中存在的一些難點有待解決，可以從以下的三方面下手，第一，避免室外機發生霜凍的情況以及減少化霜的時間。目前，在黃河以北地區冬季干燥，結霜已經不再是主要問題，而且現在可以通過有效的化霜措施來解決。第二增強壓縮機的變頻以及多級壓縮的功能。第三，加強空氣熱泵與其他熱泵進行耦合使用的技術。

1.2 地源熱泵

地源熱泵技術是一種利用地下淺層地熱資源(也稱為地源能，包括土壤、地下水、地表水等)的既可制冷空調又可采暖和提供熱水的高效節能空調技術。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能)，以地源能作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季采暖供熱的低溫熱源，同時實現建筑采暖、空調和生活熱水的三聯供。地源熱泵可以根據使用材料的來源不同而分為兩大類，一類就是通過對地下水以及地表水進行利用的水源熱泵，另一類就是通過對土壤進行利用的土壤源熱泵。由于該技術在實際的工作之中不需要利用到其他的一些人工冷熱源，所以這種技術可以被廣泛的應用，對那些利用鍋爐進行取暖以及市政管網取暖、中央空調取暖等方式進行替換。并且這種技術還可以為一些用戶提供用水，不僅能夠為用戶提供冷、熱的能量，還能夠提供用水，使用非常的合理、方便，可以大范圍的進行推廣使用。

1.2.1 水源熱泵特點

這種系統主要是通過對一些被廢棄的礦井之中的地下水以及井水進行人工提取，經過一系列操作之后而提供熱能的一種形式。這種系統所利用的一些地下水以及地表水可以在利用完成之后直接排放到一些地下水以及地表水之中，對其不產生污染。

水源熱泵的特點是供給其1 kW電力，它能提供給用戶4 kW熱量。比空氣源熱泵節能30%，比燃油鍋爐采暖節能50%，比電采暖節能70%；夏季采用熱回收，可免費提供生活熱水；全年運行費用節約40%左右。

1.2.2 水源熱泵存在的問題及解決方法

這種系統在實際的應用過程之中還存在著一些問題：1)一次性投資高。水源熱泵節能高達40%以上，但比一般中央空調投資高40%左右，主要是打井的費用比較高。但它的運行費用低，地源熱泵的高投入部分實際上是一種高回報投資。2)系統結垢。防治結垢的主要方法有：a.配備有效的軟化水系統，定期對設備進行檢查及維護保養，并對軟化水進行化驗，確保系統水質；b.配備脫氣設施，降低水中空氣濃度及溶解氧濃度，保證系統運行，減少系統腐蝕；c.有計劃的為系統添加緩蝕劑、殺菌滅藻劑及阻垢劑，保護設備及管件，降低腐蝕，殺滅水中細菌及藻類，減少粘泥生成，阻止水垢的生成；d.定期對系統進行排污，定期清洗系統過濾裝置。3)系統除沙。可適當增加除沙設備，并可多級串聯使用，經常清理除沙設施，加密機組前過濾網并經常清洗，盡量防止含沙量較大的水進入機組。4)系統水錘。水錘的預防措施：在熱泵取水系統中最常見的有啟停泵水錘和開關閥水錘啟泵水錘影響較小，其治理方法是設置泵的軟啟動裝置；在管道的轉彎高處加裝自動排氣裝置；啟泵前先將閥門關至20%左右，開啟水泵待水充滿后再逐漸開啟閥門。5)土壤冷熱不平衡問題。夏熱冬冷地區的夏季供冷量往往大于冬季供熱量，多出的熱量可通過冷卻塔散去，也可通過余熱回收系統，用于供應生活熱水，從一定程度上緩解土壤熱不平衡的問題。6)如果使用抽地下水那種地源熱泵，對地下水和地質有不好的影響，保護不好會污染地下水，回灌不好會影響地基下沉。

1.2.3 土壤源熱泵特點

該系統通過利用水等物質在埋在土壤之下的管道之中通過不斷的流動，從而達到與土壤進行傳熱的行為，當暖通系統需要熱能時，土壤源熱泵將土壤中的熱能進行傳輸，以供應能量。由于該系統僅僅需要一些傳導熱能的物質，所以該系統屬于一種較為環保的裝置。

1.2.4 土壤源熱泵存在的問題

1)初投資較高(打井、鉆孔、埋管等)，機組初投資比冷水機組增加10%～30%，主要是打井費用。2)對于土壤源熱泵機組需要有一定的空間埋設埋管系統。3)施工要求較高，需要專業施工隊伍和設備。4)冷熱負荷平衡的問題。

1.3 太陽能熱泵

1.3.1 太陽能熱泵的特點

太陽能熱泵能夠進行采暖以及制冷兩種工作模式。太陽能熱泵采暖系統是將熱泵技術以及太陽能技術相互結合而研究制成的一種復合型的技術，所以該技術具有的系統是由熱泵系統以及太陽能集熱的系統共同組成的。這種系統可以利用很少的電能而產生很大的熱能，熱能基本是電能的數倍，高效率的對低溫熱源進行利用。

1.3.2 太陽能熱泵存在的問題

這種技術對環境的污染沒有污染，但是太陽能這種能源也存在著不太穩定的情況，并且這種技術的投資費用相對較高，研究難度相對較大，為有關的人員提出了一定的難題。

1.4 污水源熱泵

1.4.1 污水源熱泵的特點

我國城市居民的生活污水量不斷的增多，但是污水與江水、河水相比較其溫度的變化情況相對較小，處于一個幾乎穩定的狀態，具備一定的熱能性質。該技術主要是以污水作為系統運行、工作的冷熱源，利用熱泵進行升溫、降溫等處理，為用戶提供熱能、制冷等。污水源熱泵在工作之中不會產生廢氣、廢水等物質，對環境的影響較小，并且由于該技術可以采暖也可以制冷，所以可以省去一些冷卻塔、鍋爐等設備的建設使用，大大的縮減對環境的破壞，對能源進行大大的節約。

1.4.2 污水源熱泵存在的問題

在暖通空調領域，污水源熱泵在使用時可能會出現污水堵塞、污染換熱器等情況的發生，所以還需要對該技術進行不斷地研究。

2 熱泵供熱空調的能量消耗分析

2.1 熱泵對能源的利用系數與傳統方式的對比

不同的供熱方式所產生的能源利用系數見表1。

表1 不同的供熱方式所產生的能源利用系數

其中，能源的利用系數E等于熱泵對熱量的供應量與對初級的能量所消耗的量的比值。

2.2 熱泵對高位能進行了科學的利用

熱泵在提升低溫的熱源熱量品位的過程之中，會利用到一定的高品位熱量。在實際的工作過程中，首先需要熱泵供熱的系統科學的利用高位能W將動力機進行推動，之后通過推動起來的動力機將工作機進行驅動，這樣工作機可以在低溫的熱源中對熱能Qe進行吸取，并且在不斷的工作之中將低溫的熱源溫度進行提升，從而達到對暖通空調的供熱，由Qh=Qe+W進行計算。β表示熱泵制熱的性能系數，用β=Qh/W=Qe/W+1對能量的效率進行科學的審核。

3 結語

在暖通空調的系統之中使用一些新型的能源，促進對環境的保護，但是這些新型能源的利用過程當中還存在著一些問題，有關人員應該加強對其的研究，早日解決這些問題。

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On application of new-energy heat pump technique in heat-supply and ventilation field

Ye Wenbo

(ShanxiElectricPowerSurveyandDesignInstitute,ChinaEnergyEngineeringCorporationLimited,Taiyuan030001,China)

The paper mainly introduces the classification for the heat pump and its features, analyzes the energy consumption of the heat pump heat-supply air-conditioner, and points out the new resources can reduce the damage on the environment, so as to enhance the harmonious and non-polluted society.

heat-supply and ventilation air-conditioner, new energy, heat pump technique

1009-6825(2017)22-0179-03

2017-05-26

葉文波(1966- )，女，高級工程師

F407.2

A