热泵技术

上海理工大学环境学院 戴 睿 王丽慧同济大学机械与能源工程学院 吴喜平

热泵技术

上海理工大学环境学院 戴 睿 王丽慧同济大学机械与能源工程学院 吴喜平

热泵技术是近年来全世界倍受关注的新能源技术。热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。该文从介绍热泵的定义入手，将热泵系统进行分类并分析其主要特点及应用场合，进而分析热泵系统的经济效益以及环保效益。

热泵系统；经济分析；节能

1 热泵的定义

1.1 制冷机

（1）物质相变和特点

在大自然界中，物质通常有三种状态，从一种状态变化到另一种状态我们称之为物质的相变。

相变的形式有四种：固←→液；液←→汽；固←→汽；固←→固。相变过程是等温或近似等温过程。相变过程中伴有能量的吸收或释放，这部分能量称为相变潜热。相变潜热一般较大，以水为例：

固→液 溶解热：90kcal/kg（1atm，0℃）

液→气 汽化热：539 kcal/kg（1atm，0℃）

相变过程是一伴随有较大能量吸收或释放的等温或近似等温过程，因此它有着广泛的应用价值。例如制冷机就是利用制冷剂液→汽相变来达到制冷的目的；而冰蓄冷空调技术是利用水的液→固相变来达到最大限度蓄冷的目的。

（2）活塞压缩制冷的基本原理

活塞压缩制冷的基本原理是利用制冷剂如氟利昂或者氨的相变，即由汽态变成液态而放热；液态变成汽态而吸热的原理来达到制冷目的。

图1所示是活塞压缩式制冷机的基本组成主要四大件，即压缩机1，冷凝器2，节流阀3和蒸发器4。汽态的制冷剂在压缩机内被压缩，温度升高，压力加大。被压缩的汽态制冷剂接着流向冷凝器，在冷凝器内制冷剂被冷却水冷却，在一定压力下在冷凝器内变成液态。经过节流阀，制冷剂压力降低。此后，制冷剂迅速汽化，在蒸发器内吸收冷冻水大量的热量，冷冻水温度降低，从而达到制冷目的。制冷剂在蒸发器内吸收大量热量后，全部汽化。汽态的制冷剂再进入压缩机，这样周而复始的循环不断产生冷量。

图1 压缩制冷机的工作原理

1.2 热泵与制冷机的关系

制冷机在工作时，实际上同时产生热量（冷凝器）和冷量（蒸发器），冬季能有效利用其热量，夏天能有效利用其冷量的装置称为热泵。如图2所示，如果用一只四通换向阀来控制改变制冷剂在装置中的流向，就可以达到夏季对室内制冷、冬季对室内供热的目的。

图2 热泵装置

热泵的供热系数恒大于1，他优于其他供暖装置（如电加热器等）之处就在于消耗同样多的机械功对室内供暖可比用其他方法得到更多的热量，即除了由机械功所转换的热量外还包括制冷剂在蒸发器中吸收的热量。

2 热泵的分类

按照不同的工作原理、驱动形式、用途等，热泵可以分成很多类型。

2.1 按热源和热汇(热分配系统)分类

（1）空气-空气热泵。

以一侧的空气（或废气）为吸热或放热对象、以另一侧的空气（或气体）为供热或供冷对象的热泵。以空气作为热源或冷热源时使用很方便。考虑当室外气温较低时室外侧热交换器的除霜，多采用辅助热源，以提高冬季供热性能。空气-空气热泵式空调器，冬天供热，夏天制冷,详见图3。

图3 空气—空气热泵系统图

（2）空气-水热泵。

以空气（或气体）为吸热或放热对象、以水为供热或供冷对象的热泵。目前空气-水热泵式冷热水机组是如今办公大楼集中式空调系统使用较多的冷热源兼用型一体化设备，其单机容量范围为20～1000kW。详见图4。

图4 空气—水热泵系统图

（3）水-空气热泵。

以水（如河水、地下水、废热水等）为吸热或放热对象、以空气（或气体）为供热或供冷对象的热泵。详见图5。

图5 水—空气热泵系统图

（4）水-水热泵。

以水（如河水、地下水、热污水、工业冷却水等）为吸热或放热对象、以水为供热或供冷对象的热泵。可用于向室内的采暖装置供应热水,供应生活用热水等。目前已有整装机组，可供应多种温度的家庭热水。由于水的比热大，便于输送，因此也适用于建筑物的集中供热系统。目前已有很多应用实例。详见图6。

图6 水—水热泵系统图

（5）土壤-水热泵（大地耦合式热泵）。

以土壤为吸热或放热对象、以水为供热或供冷对象的热泵。由于地下土壤温度比较稳定，将盘管埋入土壤中，夏季可以降低冷凝温度，冬季可以提高蒸发温度，所以能效比较高。除了埋地盘管外换热方式不同，装置的结构相当于一个水-水热泵。作为典型的浅层地热能利用的技术，目前已有广泛工程应用。

（6）土壤-空气热泵（大地耦合式热泵）。

以土壤为吸热或放热对象、以空气为供热或供冷对象的热泵。其余与土壤-水热泵相同。详见图7。

图7 大地耦合式热泵

2.2 按全年所用的采暖机组数目分类

根据当地所特有的，或者在某种情况下给定的能源关系，有时选择热泵全单独供热，或者与一台或几台机组一起供热。按照运行方式分类如下：

（1）单一热泵，由该热泵供应全年所需的热量。

（2）双联热泵

1）交替运行：热泵仅在一年的部分时间供应有用热量，在其余时间.则由另一供热装置供应能量；

2）并联运行：热泵只在一年的一段时间单独供给所需的有用热量，在其余的时间里，热泵仍然保持运行，但是需要由其他的供热装置辅助供给能量、以满足对热量的峰值要求。

（3）三联热泵：热泵满足部分供热需要，而由另外两台供热装置(例如采暖锅炉和太阳能装置)供给所需的其余热量(三联方式)。

3 热泵技术的主要特点及使用场合

3.1 热泵技术的主要特点

热泵机组既可以进行制冷，又可以进行供热。热泵机组供热的主要特点是：高效、节能、环保、安全。无燃烧，无电器推动元件，绝对安全；无任何废气、废水、废渣排放，绝对环保，热泵机组全年平均运行成本只需电直接加热的1/4，燃油、燃气加热的1/3～1/2，常规太阳能的1/1.5。

（1）空气源热泵，具有系统简单的特点。由于冬季供热时可省去锅炉房，夏季供冷时省去冷却水系统(包括冷却塔、冷却水泵、管网及水处理设备)，布置十分方便，因而得到了广泛的应用。但它也有不少的缺点：

1）空气热容量小。为了从空气中获得所需热量，换热器体积大，风机的风量也大。

2）空气温度变化大。冬季，其制热量随室外空气温度降低而减少，而在夏季，制冷量随室外空气温度升高而减少，这与建筑热负荷需求趋势正好相反。

3）当室外侧换热器表面温度低于空气露点温度，且低于0℃时，换热器表面会结霜，需要定期除霜，这也要消耗大量的能量，在除霜过程中，压缩机及四通阀的稳定运行受到影响。

（2）水源热泵，其主要优点有：

1）机组效率高，设备紧凑。水的温度一般较稳定，且冬季水温高于大气温度，夏季水温低于大气温度。因此，机组运行工况良好，其制热、制冷系数均高于空气源热泵。

2）机组运行可靠，不存在冬季制热运行时室外机结霜问题。

水源热泵的主要缺点是受当地水资源因素影响，应用场合受到限制;其初投资一般也较大。

（3）地源热泵，它的优点有：

1）属可再生能源利用技术。储存于地表浅层的地热是一种可再生能源，土壤源热泵正是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换的空调系统。且这种空调系统不受地域、资源等限制。

2）属高效、经济的节能技术。由于地表5米以下温度一年四季相对稳定，夏季比环境空气温度低，冬季比环境空气温度高，是热泵很好的冷/热源。这种温度特性使得土壤源热泵比传统系统运行效率要高，节能效果明显，运行更加可靠、稳定。与传统的空气源热泵相比，机组制冷制热系数要高出40%，可达到4.0～4.5。

3.2 热泵技术使用场合

空气源热泵使用场合十分广泛，可广泛应用于工厂,家庭、商业等领域，可用于公寓、别墅、学校、医院、办公楼、宾馆酒店等多种建筑。空气源热泵在我国长江流域的夏热冬冷地区正得到了大力的推广应用。但是在黄河流域及北方寒冷地区，冬季由于室外温度低于-5℃时，出水温度降低，热备出力降低，仍按传统模式，由空气热泵与风机管组成的空调系统就难于产生足够的可用于采暖的热风。

水源热泵，理论上可以利用一切的水资源，其实在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当大的。所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。目前的水源热泵利用方式中，闭式系统一般成本比较高，而开式系统，能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。对开式系统，水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。此外，对于不同的建筑负荷特性，所需要的水体情况不一致，水体的冷热品质和水体的物理特性决定了水源热泵机组是否可以正常运行。若水体条件较差，与建筑的负荷特性不匹配，就可能不能采用水源热泵系统。因此，水体的热物理性质决定了并非所有项目都适合水源热泵系统。

地源热泵的使用场合相当的广泛，可用于医院、办公楼、商场等多种建筑。但是实施需要具备的一定的基本条件：首先、同时具有冬夏空调负荷，并且年冷热负荷较接近时对地源热泵系统的持久运行有利。其次、当地地下土壤温度在13～19℃之间时土壤换热器有较好的冬夏取放热特性，这个范围基本包括我国大部分夏热冬冷地区和京津唐地区，但在东北和华南采用热泵并不合适，其冷热负荷差异过大，热泵冬夏两用效能难以发挥且土壤热平衡难以保证。再者、使用空调系统地区100 m范围内应不存在较厚的砾石等坚硬地层，存在保水性好的砂土层对于实施土壤源热泵最为有利。最后、项目具备合适的土壤换热器布置面积，但是不能为了埋设较多的土壤换热器而减小合理的土壤换热器间距，否则不但土壤换热器的出力会下降而且会恶化土壤换热器的持久运行特性。

3.3 热泵技术的节能特点

热泵作为空调系统的冷热源方式，近十年来，得到了广泛的应用，除了其方便之外，更重要的是它的节能。众所周知，制冷机工作时，就是把低温端的热量（蒸发器）拿到高温端（冷凝器）去，在其他条件不变的情况下，高、低温端的温差小则制冷（制热）量就大。夏季空气温度远高于地表水，土地及深井水，制冷时，如把工业厂房内的热量排到地表水、土地或深井水中去，这样消耗电能少。也就是说制冷的COP值大，达到节能效果。冬天制热正好相反，因此地源热泵、水源热泵得到了广泛的应用，它们确实收到了很好的节能减排效果。

[1]张旭等.热泵技术，北京：化学工业出版社，2007

Heat Pump System

Dai rui,Wang li hui,Wu xi ping

In recent years,heat pump technology,as a new energy technology,has attracted more attention in the world wide.The heat pump is a device that transferring low-grade energy into high-grade energy through electric power.This paper introduces the definition of heat pump,its classification and application.At last,analyses its economic benefits and environmental benefits.

heat pump system；economic analysis；energysaving

国家自然科学基金50908147、51108263。

戴 睿，1990年8月生，上海理工大学环境学院在读研究生，攻读供热供燃气通风及空调工程专业。