熱泵技術與應用

沈明云

（甘肅省城鄉規劃設計研究院有限公司，蘭州 730000）

1 引言

自改革開放以來，我國經濟與人口增長迅速，民眾生活水平得到顯著提升，化石能源的消耗也在持續增長，一些學者對近年來能源消耗數據進行分析后發現，我國2020 年在能源方面的消耗已經達到4.98×109t 標準煤，較2019 年同比增長2.2%，是名副其實的能源消耗大國[1]。隨著環境污染及能源短缺問題引起社會各界的關注，能源應用轉型的呼聲高漲，清潔能源市場進一步擴大，熱泵技術作為一種新型的節能環保技術，在各行各業得到廣泛應用，本文從熱泵的定義及工作原理出發，對不同新能源熱泵技術進行分析，并以地源熱泵技術為例，探討了其在暖通系統領域的應用情況。

2 熱泵的定義及工作原理

2.1 熱泵的定義

在自然界中，水在重力作用下從高處向低處流動，熱量也會從高溫部位向低溫部位傳遞，出于生活智慧，人們可利用水泵實現水從低處向高處的流動，熱泵則是實現熱量從低溫部位向高溫部位傳遞的一種裝置。熱泵屬于高效節能裝置，能夠從自然界中的土壤、水、空氣等可再生資源中獲取能量，并轉化為高品位能源能量，通過熱量轉移的方式實現供熱、制冷，且不會產生污染。熱泵依據取熱來源的不同可分為地源熱泵、水源熱泵及空氣源熱泵3 類。

2.2 熱泵的工作原理

熱泵作為機械裝置，以逆循環方式迫使熱量從低溫物體向高溫物體轉移，從而實現低品位熱能與高品位熱能的轉換。熱泵裝置主要由4 部分組成：蒸發器、壓縮機、冷凝器及膨脹閥。蒸發器是一種輸出冷量的裝置，通過蒸發制冷劑液體實現對被冷卻物探熱量的吸收，從而達到制冷目的；壓縮機的作用是壓縮并輸送循環工質，使能量從低溫部位向高溫部位轉移；冷凝器是一種輸出熱量的裝置，利用介質吸收蒸發器與壓縮機的熱量，從而達到制熱的目的；膨脹閥在熱泵中主要起到節流降壓的作用，能夠對進入蒸發器的工質流量進行調節。熱泵裝置在作業時，利用蒸發器吸收土壤、水、空氣等可再生資源中存在的能量，而后由壓縮機壓縮并輸送，最后經冷凝器放熱。

3 新能源熱泵技術

3.1 地源熱泵技術

地熱泛指存在于地下水、土壤的地下淺層自然資源中的能量，利用熱泵技術對地熱進行轉換與利用，可較為便利地為地上建筑物供熱與制冷[2]。地源熱泵系統的主要作用是實現能量交換，由熱泵機組、室外熱能交換系統及室內空調末端系統3 部分組成。根據能量交換形式的區別，熱泵系統可被分為地下水地源熱泵系統、地表水地源熱泵系統、地埋管地源熱泵系統。地源熱泵技術具有環保、高效的優點，在制熱狀態下，熱泵機組內的壓縮機做功，室外熱能交換系統開始吸收土壤或地下水中存在的熱量，熱泵機組內的冷媒通過蒸發吸收熱量，而后在循環時接受冷凝處理，由空氣循環吸收熱量，最終實現將地下熱量轉移至室內，發揮供暖效果。在制冷狀態下，熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，促使其進行汽液轉化，冷媒通過蒸發吸收室內熱量，在循環時進行冷凝處理，熱量被循環水路中的冷媒吸收，最終通過室外熱能交換系統轉移至地下，發揮制冷效果，如圖1 所示。

圖1 地源熱泵系統

地源熱泵技術的應用可減少不可再生資源的消耗和環境污染，且運營成本較低，但在初期進行系統的搭建時花費較高，且受工藝方面的限制，需到達地下一定深度才可確保地熱能滿足需求。同時，為避免地源熱泵系統對地下水資源的使用給周圍生活的民眾帶來安全隱患，在進行地源熱泵系統建設項目施工前，應由專業人員對施工區域進行地質勘探。

3.2 太陽能熱泵技術

太陽能是最為常見的可再生能源，是指太陽的熱輻射能，即太陽光線。在我國，太陽能多被用于熱水器加熱、采暖等方面。太陽能熱泵系統的能量來源便是太陽能，其主要作用是實現了對太陽能的轉換和利用，集熱效率良好，與地源熱泵系統相比，其性價比更高，在各行業得到了廣泛應用。根據發揮作用的不同，太陽能熱泵技術可被分為太陽能驅動熱泵與太陽能輔助熱泵兩類。

1）太陽能驅動熱泵一般用于制冷，能量轉換形式為光電轉換或光熱轉換，具有適應性好的優點，夏季氣溫高，民眾對制熱的需求降低，制冷的需求增加，由于太陽輻射強，利用太陽能驅動熱泵系統能夠獲得更多的冷量來滿足民眾需求，其仍存在轉化效率低、成本高的缺點。太陽能輔助熱泵一般用于制熱，由熱泵系統與集熱裝置組成，具有集熱效率高、應用范圍廣的優點，由于對集熱裝置周圍環境的溫度條件要求低而被廣泛應用，如近年來進入千家萬戶的太陽能熱水器，室外集熱裝置占地面積小，可被放置于屋頂及其他不影響日常生活的地方，滿足了一般家庭在冬季的熱水需求。

3.3 污水源熱泵

隨著我國城鎮化進程的不斷加速，城市生活垃圾隨之增加，每日排放的污水量劇增，將城市污水作為冷熱源的污水源熱泵也得到了較好的應用。污水源熱泵是水源熱泵的一種，與河流、海洋及其他水源相比，城市污水在一般情況下不會出現較大的溫度變化，且具備良好的隔熱能力，同時，由于污水源熱泵系統實現了對城市污水廢熱的再利用，無須建造冷卻塔與鍋爐房，極大地節省了工程成本與土地資源。污水源熱泵系統在日常運作時不會增加環境污染，奉行了環保理念，但仍存在設備易積垢、腐蝕的問題，導致管道生銹、污水阻塞，在系統搭建前還需要專業人員對污水水質進行必要的檢測，以判斷污水是否能夠作為低溫熱源，因此，污水源熱泵技術尚未得到廣泛推廣。

3.4 海水源熱泵

海水源熱泵作為一種水源熱泵，指將海水作為能量來源，利用熱泵技術實現對海水吸收的地熱能、太陽能進行能量轉移，從而達到制冷、制熱的目的[3]。海水源熱泵系統由海水取泄系統、熱泵、輸送管、熱交換器4 部分組成。系統在冬季，海水中大量的低品位熱能被吸收，消耗少量電能即可利用壓縮機實現對建筑物的供暖；在夏季則能將建筑物內的熱能轉移釋放至海水當中，此過程并不會對海水產生消耗及污染，且熱效率較高，占用土地資源較少，具有較好的應用前景。

3.5 空氣源熱泵

空氣是一種清潔的可再生資源，空氣源熱泵（見圖2）將空氣作為取熱來源，具有極高的環保性，與地源熱泵、水源熱泵相比，其不會受到時間、空間及其他因素的限制，無須建造冷凍機房、鍋爐房，機組可隨意放置于地面或屋頂，在綠色生活理念背景下，空氣源熱泵系統對環境無污染，作業時無冷卻水的消耗，可在電腦自動控制下較好地適應工作環境，因此，得到了社會各界的廣泛認可。然而，空氣源熱泵系統與其他熱泵系統相比，其輸出功率更低，在北方室外溫度過低的地方會出現供熱量不足的情況，需搭配輔助加熱器使用，因此，空氣源熱泵技術的推廣效果并不理想。

4 熱泵技術的應用——以地源熱泵技術在暖通系統中的應用為例

4.1 地源熱泵技術在家用系統中的應用

家用暖通系統是地源熱泵技術應用最為廣泛的領域。在實際生活中，地源熱泵系統在各種設備的輔助下進行地下淺層與住宅建筑之間的能量轉移，從而實現對住宅建筑的供暖與制冷，最大限度地降低民眾在日常生活中對電能的需求，避免了煤炭、空調導致的資源浪費，同時，由于家用的熱泵系統無須搭配鍋爐，在作業期間又不會產生廢氣、廢水，從而減少了水蒸氣溫室氣體的排放，降低了環境污染，符合節能環保理念。對于供暖單位，可對同一建筑內的不同業戶進行單獨計費，提高對整個系統的管理效率。

4.2 地源熱泵技術在集中系統中的應用

集中暖通系統是地源熱泵技術應用效果最為理想的領域。地源熱泵技術與集中系統的結合能為熱泵裝置的合理使用提供保障，例如，北方民眾在冬季開通的集中供暖服務，在保證相關設備、裝置安裝符合標準的情況下，熱泵裝置能夠持續作業，熱能通過管道輸送至各用熱建筑內，不會出現間斷作業、供需關系快速變化的問題。同時，地源熱泵技術的應用能夠促進水路、風道及其他系統的合理設置，通過對集中暖通系統的需求進行全面分析，避免了供暖偏差、供暖不及時的情況。

4.3 地源熱泵技術在分散系統中的應用

分散暖通系統是指為用熱建筑進行獨立的供暖服務，與集中暖通系統相比，分散暖通系統的熱能損耗更低，在管道合理鋪設的情況下提升了供暖工作效率，能及時為用熱建筑供暖，因此，多被用于學校、商場及其他場所，較好地滿足了對熱能獨立處理的需求。

4.4 水環路熱泵空調系統

水環路熱泵空調系統可在多個設備的組合下為地源熱泵技術的應用形成封閉式條件，從而實現對溫度的高效調節，靈活性較強，能夠根據用熱建筑的需求進行相應處理，保證在不同季節均能實現良好的熱能轉移，滿足用熱建筑在供暖、制冷方面的需求。

5 結語

熱泵技術是一種新型的節能環保技術，能夠實現低位熱源向高位熱源的轉移，滿足民眾在日常生活中的供暖、制冷需求，在現今環境污染及能源短缺問題日益嚴峻的背景下，合理運用新能源熱泵技術成為各行各業的關注重點。地熱、太陽能、污水、海水、空氣等均可作為能量來源，利用熱泵技術實現熱能的轉移，既可減少不可再生資源的消耗，又不會對環境造成污染，具有較高的環保性。新能源熱泵技術各有優、缺點，如地源熱泵系統運營成本低，但可能對地質造成影響，太陽能驅動熱泵系統適用于夏季，太陽能輔助熱泵系統適用于冬季，因此，在應用熱泵技術時應根據環境、氣候及其他條件適當選擇。