高溫熱泵技術及系統性能研究

宮世吉

摘要：熱泵供暖技術因其節能、環保、高效等優點在我國得到了廣泛應用。近年來，隨著國家對北方地區清潔供暖的大力支持與政策推進，該技術的相關研究取得了一定進步。但其在實際應用中仍存在因環境條件限制導致系統制熱能力不足，穩定性下降以及運行費用高等制約熱泵產品推廣應用的問題。本文系統總結了空氣源熱泵、地源熱泵等熱泵技術在供暖應用中的存在問題及解決方法，并根據最新研究進展，對我國熱泵供暖技術的未來發展進行展望。

關鍵詞：高溫熱泵技術;應用

引言

熱泵有廣義和狹義之分。廣義熱泵是指在某種動力驅動下，通過熱力學逆循環連續地將熱能從低溫物體 （或介質）轉移到高溫物體 （或介質），并用以制冷或制熱的裝置，而狹義熱泵僅是指以制冷系統中的放熱量作為使用目的的裝置。從廣義熱泵的含義上看，熱泵包含了利用蒸發器側的吸熱量或（和）冷凝器側的放熱量的熱力裝置，即制冷與熱泵裝置，二者的熱力學本質完全相同，因此，本文將常用的制冷空調熱泵設備統稱為“熱泵”。我國是制冷、熱泵產品的研發大國、生產大國和應用大國。隨著北方地區煤改清潔能源等供暖政策推動，南方長江流域的采暖需求日益強烈，熱泵成為制冷空調行業最熱的產品之一。

1熱泵產品分類

熱泵有多種分類方式。其中，按容量大小可分為戶用和類似用途型熱泵、工商業用和類似用途類型熱泵;按機組功能可分為單冷型、單熱型和冷熱回收型熱泵;按壓縮機類型可分為活塞式、離心式、螺桿式和渦旋式熱泵等;按制冷循環驅動能源類型還可分為制冷劑蒸汽壓縮循環式熱泵和吸收式熱泵等。盡管如此，但我國熱泵標準主要是從熱泵產品的熱源側介質和使用側介質或用途等為依據進行分類、制定的。根據熱源側介質類型不同，熱泵產品可以分為水源熱泵和空氣源熱泵。而水源熱泵又可根據水源的來源不同分為水環式、地下水式、地埋管式、地表水式、低品位熱水源式等熱泵類型;空氣源熱泵又根據適用氣候類型不同，又可分為普通型、低環境溫度型、超低環境溫度型等;此外，綜合了水源和空氣源特性的熱源塔熱泵也被納入了標準體系。 按照使用側需求特性（介質和冷熱量用途）不同，制冷熱泵產品可以劃分為冷 （熱）水型和 冷（熱）風型機組。冷（熱）水型機組又可以分為空調機組、生活熱水機組、工業流程用高溫熱水機組和多用途機組;冷（熱）風機組采用制冷系統直接制取冷熱風，但也可以細分為空調機組和工業流程用熱風型機組。基于使用側需求特性的熱泵產品分類方法。根據熱源側和使用側的各種分類組合，就可研發出各式各樣、數十種熱泵產品。但基本形式只有空氣-空氣熱泵、空氣-水熱泵、水-水熱泵、水-空氣熱泵4種，如果再將熱源塔考慮為熱源側的取熱設備，則還有熱源塔-水型機組和熱源塔-空氣型機組兩種類型。實際上，由于技術水平、經濟性等限制，部分處于研發過程中的或產量較小熱泵產品，并沒有制定其相應產品標準，例如，超低環溫空氣源熱泵。

2高溫熱泵在工業領域的應用

2.1海水淡化

解決淡水資源短缺的重要手段之一就是海水淡化，常用的方法有海水凍結法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法，但都以消耗大量的熱能和電能為前提 （例如通過蒸餾還原水的技術成本較高、設備系統比較復雜和需要燃燒能源加熱海水實現蒸餾等），會引起一系列的問題，例如： 能耗高、地球溫室效應、環境污染等問題，因此，新的海水淡化技術必需能提高能源利用效率、降低海水淡化系統運行成本和污染小，而采用熱泵海水淡化技術不但可以提高海水淡化系統能源利用效率，而且可以降低海水淡化系統運行成本 （按目前蒸餾法海水淡化的成本計算，每噸海水提取需要耗約 8 ～10 元人民幣，采用熱泵技術約為 4 ～ 5 元）。近年來我國的熱泵海水淡化技術已經得到了技術突破，采用機械壓縮式熱泵海水淡化，可直接將海水加熱到80℃以上，與現有膜法海水淡化技術相比，可一次節約能源約 40%，成本降低約 50%，而且不會造成環境污染，采用環保制冷劑更不會引起的地球溫室效應。

2.2 污水源熱泵

污水源熱泵系統的熱源溫度全年較為穩定，COP 比傳統空氣源熱泵高 40% ，運行費用僅為中央空調的 50%～60% ，且無需考慮打井、回灌及蒸發器結霜等問題，具有顯著的經濟性、節能性和環保性。系統根據原生污水是否進入換熱器分為直接式與間接式。其中間接式系統技術較為成熟，應用廣泛。在《“十三五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》中明確提出全面提升污水處理能力，積極推動再生水利用的要求，這為污水源熱泵的廣泛應用奠定了基礎。但目前國內再生水實際利用率很低，再生水源熱泵關鍵技術的研究尚未深入。目前污水源熱泵系統存在的最主要的問題是堵塞、結垢和腐蝕，污水水質是影響系統性能的最關鍵的因素之一。工程中常用的兩類系統為帶前置過濾裝置熱泵系統和基于疏導式換熱的熱泵系統，這兩種系統均存在相應的技術難點。采用流化床工藝去除污水源熱泵系統中的軟垢可能是一種有效途徑。

目前解決管道阻塞問題通常采用過濾格柵、濾面水力連續再生裝置、自動篩濾器、轉筒式及轉輪式防阻器等設備進行除污。目前國內應用最廣、技術最成熟的是污水連續再生過濾裝置 。國內污水換熱器的以采用非金屬沉浸式居多，材質主要為塑料管及各類復合材料。李成龍等研究了塑料換熱器的污垢生長特性，發現污垢的生產存在明顯的誘導期，但時間很短，很快達到穩定波動階段。周晶晶研究了塑料換熱器性能與污水溫度、流量及濃度等參數之間的耦合關系。但塑料污水換熱器的研究還停留在理論分析和試驗研究階段，目前國內還沒有實際工程應用。再生水源熱泵將污水經過處理，滿足一定水質要求之后，以二級出水作為冷熱源用于建筑物供暖，與污水源熱泵相比，更具資源循環的現實意義。馬東的模擬研究結果發現：再生水側流速為 1.4m/s附近時，寬流道板式換熱器換熱性能最佳。常思遠等的研究結果表明：Ca2+濃度上升會促進游離水含量及污垢總質量的上升，而苯扎氯銨對微生物污垢具有抑制作用。

2.3冰源熱泵

中國建筑科學研究院的袁東立提出了冰源熱泵技術。該系統利用過冷水制冰釋熱技術，把制冰過程的熱傳遞和冰水相變兩個環節從空間上分離，使低溫水源在制冰裝置中實現可控按比例結冰，解決了常規水源熱泵機組在熱水出水溫度低于4 ℃無法運行和嚴寒地區淺層土壤源熱泵無法應用的問題;通過冰源熱泵系統與常規地源熱泵系統有機搭配，混合運行，解決了地源熱泵土壤換熱器無法取熱問題;利用冰源熱泵系統冰水混合物分離技術，有效降低了低溫水源的用量，實現了冬季利用室外近冰點低溫水源進行冬季供暖和生活熱水供應，節約了能源，在低溫環境潔凈供暖領域優勢明顯。

3 展望

熱泵技術有效解決了我國大多數地區的供暖問題，推進了我國環保和節能減排事業的前進，具有廣闊的發展前景。縱觀國內外學者對熱泵供暖技術的研究可以發現：熱泵技術改進和性能提升受到了越來越多的關注。同時，如何提高熱泵系統的實用性和經濟性是當前熱泵研究領域的重要內容之一。隨著相關標準和規范政策的出臺、系統關鍵參數的優化及氣候適應性熱泵技術的研發，將有助于提高熱泵系統性能，促進產業革新與升級。因此，結合當今國內外熱泵系統的研究現狀和存在問題，對熱泵技術未來的發展進行展望如下：1 ）對熱泵供暖通用技術進行研究，在除霜、防堵、除污等技術上實現創新性突破，并對熱泵產品進行規范化及優化設計，進一步研究利用軟件產品線開發商用空調控制器。2 ）統籌規劃與管理多種能源形式供暖技術方案，平衡熱力供需，科學供熱布局，在供熱方案選擇之前進行充分技術經濟論證。3 ）致力開發新型熱泵技術，如中深層地源熱泵技術、柔性熱泵技術，深入研究系統理論機理并進行系統優化設計，最大化其節能潛力，降低技術難度，提高經濟性，使其易于推廣。

結語

空氣源熱泵作為一種新型的節能產品，將燃氣與空氣完美結合，具有運行費用低、社會效益高、舒適環保、安全可靠的特點。燃氣壓縮式空氣源熱泵機組勢必會在北方地區得到良好的推廣與發展。

參考文獻

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