熱泵系統在集中供熱中的應用

趙 陽

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030001)

0 引言

基于氣候條件的特點，供熱成為了我國北方地區居民正常生活不可缺少的條件。我國從20世紀50年代開始采用城市集中供熱，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 熱泵概述

1.1 熱泵

熱泵是近些年發展起來的一種新能源技術，其能從自然界的水、空氣或土壤中獲取低位熱能，然后借助電能做功，可以為用戶提供高位熱能的一種裝置。

1.2 熱泵工作原理

熱泵主要是由熱交換器、壓縮機、保溫水箱、軸流風扇、過濾器、水泵、儲液罐、電子自動控制器和電子膨脹閥等組成。電源接通后，軸流風扇開始工作，此時通過蒸發器可以與室外空氣進行熱交換，并把空氣溫度降低后被送至風扇排出系統。同時，蒸發器內部的工質吸熱汽化后將會被吸入壓縮機，將低壓工質氣體壓縮成高壓、高溫氣體送入冷凝器，被水泵強制循環的水也能夠借助冷凝器來進行加熱后送至用戶以供使用，而工質則繼續被冷卻成液體，該液體通過膨脹閥節流降溫后可以繼續流入蒸發器循環使用，這就是熱泵的工作原理。

2 吸收式換熱機組在供熱中的應用

吸收式換熱機組主要是由發生器、吸收器、熱交換器、冷凝器、蒸發器、冷劑泵、溶液泵、自動抽氣裝置、節流裝置及附屬裝置組成。其運行過程中主要是采用溴化鋰吸收技術，并且在供熱領域得到了廣泛的應用。吸收式換熱機組主要是借助熱能(甚至廢熱)來進行制冷，而自然界的天然物質就是制冷工質，從而可以達到節電環保的要求。結合城市供熱的實際情況來把溴化鋰吸收式制冷循環所需要的參數調節為適合采暖的要求，就能夠在城市供暖換熱站中取代傳統板式換熱器，其不僅可以有效提高換熱站換熱能力，提高供熱效果，而且還可以解決集中供暖問題，確保民生。

3 利用熱泵實現冷熱聯供在集中供熱中的應用

目前我國的熱力行業存在的主要問題就是熱源結構單一、能源供應緊張，以及供熱缺口不斷增大，如何解決這些問題成為了熱力集團關注的重點。熱泵系統兼具制冷、制熱的作用，在集中供熱中應用熱泵系統可實現冷熱聯供，將多余的熱量傳輸到有需要的地方，從而使能源利用率得到提高，實現節能減排，促進供熱事業的建設發展。

熱泵系統的工作原理是逆卡諾循環，制冷系統的工作原理與此相同，但這兩者的使用目的并不相同。制冷設備的使用目的是降低環境溫度，熱泵的使用目的是提高環境溫度，這兩種目的的實現方式分別是吸熱、放熱。熱泵的工作范圍是環境溫度與被加熱物體溫度，而制冷設備的工作范圍則是環境溫度與被冷卻物體溫度。從低溫區到高溫區之間的熱量傳遞是非自動性的，驅動熱泵可實現這一熱量傳遞過程。由熱力學第一定律可知，將低溫區的熱量轉移到高溫區后，可得到熱泵驅動能量和低溫能量的總和能量。一般情況，熱泵熱力經濟性的主要分析參數就是總和能量與驅動能量的比值，即COP，制熱時稱為COPh，制冷時稱為COPc。COPc=Qc/P，COPh=(Qc+P)/P=COPc+1，或是COPh=Qh/P。分析這幾個公式可知，基于熱泵原理的制冷、制熱可建立聯系，實現冷熱聯供。

以某酒店為例，該酒店原本的冬季制暖、生活用水用熱由市政換熱站提供，夏季制冷由制冷站提供，換熱站具有一套生活熱水系統和一套采暖系統，制冷站具有一個制冷系統，采暖設備與制冷設備之間是相互獨立的。這意味著該酒店夏季制冷系統將室內熱量單純排放到室外，浪費了能源，而沒有將其用于生活熱水的供熱。利用熱泵可將有價值的余熱進行回收，再次利用。可供選擇的方案有以下兩種：第一種，夏季利用熱泵系統滿足酒店內制冷及生活熱水需求，冬季收集集中供熱管網回水管道余熱滿足制暖、生活熱水需求。第二種，夏季將制冷系統中冷卻水中熱量用于生活熱水的制備，冬季將一次管網的回水溫度用于供暖和生活熱水制備。經過相關參數的計算可得出，這兩種方案中方案二更具價值。

4 污水源熱泵在集中供熱中的應用

生活污水余熱是一項重要的資源，目前太原最主要的余熱資源就是生活污水余熱，如果能善加利用，生活污水余熱也能創造出巨大的價值。將城市熱網與污水余熱資源相結合，通過熱泵回收生活污水中的余熱用于熱網回水的加熱，變廢為寶，可顯著提高污水余熱資源的利用率，優化集中供熱能源消耗結構，增加集中供熱中可再生能源的比例，減少集中供熱對不可再生能源的消耗，實現節能減排，減小集中供熱對環境造成的污染。將熱泵與城市供熱管網相結合，建立高效、科學的污水源余熱回收系統具有以下幾方面的優勢：

首先，城市供熱管網能很好的滿足用熱需求。如北京市的熱力集團的單一熱力公司供熱管網是全世界最大的，提供了北京的建筑采暖及全年生活熱水所需熱量。其次，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。再次，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。

5 地巖熱泵在集中供熱中的應用

除污水源余熱外，地熱資源豐富的地區還可使用地巖熱泵解決供熱問題。地熱是一種新型的可再生能源，能在一定程度上替代不可再生的化石能源為經濟發展建設提供能量。一直以來，包括現在，人們都對常規化石能源具有很強的依賴性，這些化石能源是不可再生的，越用越少，終將枯竭，還會污染自然環境。地球中蘊含的豐富的地熱資源將是現代社會發展亟需的新型能源，具有可再生性、穩定性、可靠性的優點。為此，地熱能將是煤炭等化石能源的最佳替代品，在將來可能會成為主要能源。

在淺層地熱的利用中，土壤性能會對其產生較大的影響，同時其利用對施工要求和場地要求較高，但在國內仍然得到了較為廣泛的應用。筆者將要著重介紹的是中深層地熱應用技術。我國的工程院副院長提出了“取熱不取水”的中深層地熱利用新方式，即無干擾地熱技術。向地下一定深度巖層打孔，孔中設置特殊的換熱設備，將地熱能提取輸送到地面，然后利用熱泵系統將地熱能提供給建筑所需用熱。無干擾地熱利用技術的優點是無污染，免受地面氣候的影響，保護地下水資源，能清潔、高效、持續地利用地熱能。

6 結語

在集中供熱中應用熱泵系統能促進對可再生綠色能源的應用，促進集中供熱的改進，減少集中供熱造成的環境污染，實現可持續發展。熱泵技術的不斷創新和進步，供熱技術的日趨完善，環保理念的深入人心，將使得更多技術和理念的應用成為現實。