綜合能源系統中熱泵技術研究與應用

張茹杰

（太原學院建筑與環境工程系，山西 太原 030032）

0 引言

熱泵技術是以電能為動力，不斷地把低位熱源轉移到高溫對象或介質，從而產生熱量的裝置。使用部分電能，能夠在3～4 部分的可再生能源中提取3～4部分的低位熱能，進而為用戶提供熱能[1]。因此，熱泵供熱屬于相對節能、高效以及環保的供熱方式，已被廣泛地應用于生活熱水與建筑采暖的供給之中。20世紀70 年代，由于全球能源危機的爆發，熱泵技術得到了快速發展，迎來了繁榮時期。在20 世紀80、90年代環境問題再次受到全球性的關注，熱泵技術被公認為是能夠改善環境質量的一種技術，從而熱泵技術再次進入繁榮時期。21 世紀以來，面對日益嚴峻的全球氣候變化與能源危機，熱泵技術作為一種可再生能源利用方式，已被國際能源署列為一種最重要的節能減碳技術，在我國已被廣泛應用。

1 熱泵技術發展和應用現狀

按照熱泵利用的低位熱源，可以將其劃分為：空氣源、地源、水源以及廢熱回收熱泵。地源熱泵系統主要有：地下水源熱泵系統、埋地管地源熱泵系統和江、湖、海、再生水系統以及污水系統等[2]。從低位熱源的穩定性、可得性和技術經濟效益等方面考慮，當前我國采用的主要是地源熱泵系統和空氣源熱泵系統。在初期，以冷暖為主的風源熱泵得到廣泛的應用與推廣，主要用于長江流域及南方部分地區的短時、分散供暖。伴隨著建筑節能的不斷深入，能源使用進入近零能耗時代，建筑負荷需求大幅度下降，在能源供給的靈活性方面提出了更高要求，由此產生了集凈化、除濕于一體的空氣源熱泵。相對于空氣源熱泵，在我國，地源熱泵引入的時間更長，在經過了起步期、推廣期以及迅速增長期后，目前已進入了平穩發展階段。目前，我國已有約5×108m2的地源熱泵使用面積。中國是全球空調熱泵業生產發展較快國家之一，也是地下水源熱泵使用量最多的國家之一。據相關數據顯示，我國熱泵采暖與熱水所占比重約為45%，而熱泵烘干所占比重不足10%。整個熱泵行業在2019 年達到一個峰值，而到了2020 年，整個熱泵行業的規模下降到1.6%。到2020 年，熱泵采暖占48%，熱泵熱水占43%，熱泵烘干占9%。空氣源熱泵采暖在在我國熱泵采暖市場上占有優勢，到2020 年，空氣源熱泵采暖市場份額達到95%，達到72.7 億元的市場規模。

2 綜合能源系統中熱泵技術的應用

2.1 空氣源熱泵技術

空氣源熱泵技術使用非常少量的電能，從空氣中吸收大量的低溫熱能，經過壓縮機的壓縮，轉換為高溫熱能，然后將其輸入到水箱中，并加熱熱水。空氣源熱泵技術具有能耗低、效率高、環保性強、安全性好、可連續提供熱水等優點，所以在供熱、工業用水等方面具有其他技術比不上的優勢[3]。空氣源熱泵技術在我國的建筑能耗中得到廣泛應用。圖1 顯示了空氣源熱泵熱水器的工作原理。空氣源熱泵熱水器在國外已發展得很成熟，在一些歐美等發達國家，其所占比重達到70%以上，實際運行結果顯示，空氣源熱泵熱水機組每年的平均運行費用僅為用電直接加熱的1/3～1/2，因而被列為國家大力推廣的技術項目。

圖1 空氣源熱泵熱水器工作原理

在我國的南方冬天沒有集中供暖設施。要取暖只能通過火爐或空調機，但舒適度較差。空氣源熱泵空調技術可以在節約能源的同時，提高空調的舒適性。有關資料顯示，在空調供暖系統中，冬天工況對壓縮系數的要求是夏天的150%～200%，所以夏天工況為基礎進行設計的機組，冬天使用時的能耗效率極低。針對這一現狀，提高空氣源熱泵空調系統的性能，從優化熱力循環、提高壓縮機性能、研制新的制冷劑等方面入手，然而，由于空氣源熱泵空調系統機組性能與末端性能之間相互作用，因此，一些學者提出了空氣源熱泵空調系統的新發展思路，即在室內末端中增加消耗材料，利用小溫差換熱末端來提高系統的能效。此外，在游泳池、公共浴室以及地道風等建筑中都可以運用空氣源熱泵技術，此技術的推廣和使用具有十分重要的現實意義。

2.2 地源熱泵技術

地源熱泵技術是一種利用淺層地熱能源進行供熱或制冷的一種高效節能系統。地源熱泵的運行過程是以少量的高品位能源，把低品位的熱能轉換成高品位的熱能[4]。通常情況下，在空調系統中，地熱能源是冬季的熱源、夏季的冷源，冬季的時候，將地熱能源中的熱量提取并升溫，以供室內供暖，夏季的時候，將室內的熱量提取，并釋放到地能中。一般情況下，地源熱泵耗能1 kW，使用者可獲得4 kW 以上的能源。從當前的情況來看，地源熱泵的運用正逐步得到推廣。

在地源熱泵供暖中，季節性蓄存空氣熱能的空調系統，基于傳統的地源熱泵系統技術，進行了更深入的研究，在這種季節性蓄存空氣熱能系統中，設置了相應的空氣熱源熱水機組，其主要包括風冷蒸發器、壓縮機、水冷冷凝器、節流裝置等。在加設了空氣熱源的熱水機組后，分離型熱管和蒸汽壓縮型熱管制熱的循環可以得到很好的實現。其中，冷凝器的運作過程是制冷劑蒸汽遇冷發生液化，液化后，在重力的影響下回流到蒸發器中，進而完成整個循環過程。

空氣熱源熱水機組具有兩種模式，一種是熱管循環制熱，另一種是空氣源熱泵制熱。這兩種模式使空氣熱源熱水機組的功能多樣化。一是可用于不需供暖的室外空氣熱能儲熱，二是可在一定程度上利用空氣源熱泵來輔助采暖，從而有效地發揮其優勢。地源熱泵空調系統具有6 種運行模式，具體見表1。

表1 地源熱泵空調系統運行模式

2.3 水源熱泵技術

水源熱泵系統運作是由人工再生水源或者地表水源作為低溫熱源，由三部分組成：水源熱泵機組系統、地表水源換熱系統、建筑物內空調系統（圖2）。其中之一的地表水源換熱系統包括水源、輸水管網、取水構筑物、水處理設備。此外，目前已有的兩種類型的水源熱泵機組，分別是水-空氣、水-水。三個系統間通過水換熱或者空氣傳輸熱量，水是熱泵和地表水體熱能間進行換熱的介質，水或者空氣是熱泵與建筑物采暖空調末端進行換熱的介質。地表水源水換熱環路、室內環路、制冷劑環路以及生活熱水環路是構成水源熱泵空調系統的四個環路[5]。

圖2 水源熱泵系統的構成

基于熱泵原理，使用電能驅動壓縮機裝置，讓制冷劑工質循環運作、持續物理相變，通過蒸發器和冷凝器中分別中氣化吸收熱量和液化釋放熱量，不斷地交換傳遞熱量，并通過閥門切換，實現機組的制熱或制冷作用。

在冬天的供熱系統中，制冷劑以蒸發的方式將地面水源中的熱能吸收，然后由冷凝器加熱空調系統中的循環水，為用戶供熱。在夏天的制冷系統中，利用制冷劑的蒸發作用，將用戶空間中的熱量提取出來，從而達到向用戶供冷的目的，經冷凝器釋放熱量至地面水源。圖3 和圖4 分別列出了冬季和夏季兩種情況下的水源熱泵空調系統的工作原理。

圖3 冬季水源熱泵系統工作原理圖

圖4 夏季水源熱泵系統工作原理圖

水源熱泵是一種利用地表水、地下水、工業廢水以及地熱尾水等為冷熱源，實施能量轉換的采暖空調技術。該技術利用了自然資源的優勢，具體如下：該技術屬于可再生能源的利用；具有經濟、高效、環保、運行安全、操作簡便的優點；可實現多種用途，一機多用。采用水源熱泵技術，既可提高供熱供冷效率、降低成本，又可與其他可再生能源系統聯合使用，很大程度上解決了冬季供暖短缺現象。然而，由于水源熱泵系統在運作過程中，會受水環境影響，所以在使用時應格外注意熱泵系統設備的腐蝕情況。

2.4 余熱回收熱泵技術

當前，我國工業能源消費總量占比20%～60%，具有大量廢熱。在冶金、食品、化工以及建材等行業中廣泛存在工業廢熱，其利用率僅為30%，具有較大的節能潛力。將廢熱回收與利用，可降低能源消耗，是一種節能減排的有效方法。常規燃氣鍋爐排放的煙氣中含有較多的水蒸氣，若不能將水蒸氣降低到露點溫度以下，其冷凝潛熱難以被有效利用。已有研究表明，采用電熱泵-隔墻換熱技術回收天然氣中的廢熱。對煙道氣進行回用試驗，結果表明，煙道氣中廢氣的平均溫度遠遠高于原煙道氣的平均溫度（67.1 ℃）。該技術不但能有效提升天然氣的利用率，還能使煙氣消白效果更加顯著。余熱回收熱泵技術具有很高的使用價值，它可以提高能量利用率，減少碳排放[6]。

2.5 熱泵技術的對比分析與展望

以上四種熱泵技術的工作特點各不相同，其參數見表2。這四種類型熱泵技術在應用領域和能量效用上存在差異，為使其在已有熱泵技術中得到更好的應用，探索新的熱泵技術改進已有的熱泵循環，從而提升其性能，是未來的重要研究課題。與此同時，因為綜合發電系統中采用了多種能源，所以供能單元之間的耦合方式也各不相同。因此，對熱泵和系統之間的耦合性進行探索，并對其進行最優化的方案設計，從而達到系統的低污染和高效率運轉，這也是未來另一個重要的研究方向。

表2 熱泵參數對比

3 結語

由于熱泵具有高效率、低污染等優點，在綜合能源系統中得到了廣泛的應用。隨著綜合能源系統的不斷發展，對熱泵和能源系統的耦合性能進行了深入研究。實現熱能系統與綜合能源系統其他部件的高效、靈活運行，需從設備和系統兩個層面上對熱泵技術進行優化調節和設計，低碳、高效的熱泵技術和綜合能源系統的優化將是以后重點研究的部分。熱泵技術是一種在能源供給和能量儲存上都具有顯著優勢的節能設備，在倡導低碳環保的社會背景下，熱泵技術將會在綜合能源系統中得到廣泛的推廣與應用。