各类热泵研究应用现状与进展

孙源渊 吴荣华 孙春锦

摘 要：热泵技术具有很好的节能性，是一种环保的能源利用方式，但热泵系统在我国的发展仍存在诸多弊端。综述了当前国内外各类热泵技术应用与研究现状；分析了热泵系统的分类方法以及不同种类热泵系统的优缺点；基于不同种类热泵在我国当前应用现状，指出了当前热泵系统存在的运行效率不高、工程应用难以推广等关键问题；从系统节能、系统合理化运行与设计、规划调峰等方面，对热泵未来发展提出了展望，并创新性地提出了系统输送能耗对系统运行效率的影响的新观点。

关键词：热泵，热泵应用，输送能耗，系统运行效率 ，污水源热泵

热泵系统是通过消耗一小部分驱动能源（电能），从低品位能源重取热传递到中品位能源的高效、环保的能源利用装置。在能源紧缺，环境污染严重的当今社会具有很重大的科研价值以及重要的实际应用价值。当前我国热泵的发展迅速，无论是理论研究层面，还是工程使用层面，都在飞速蓬勃发展。

但是热泵系统在我国的发展也存在许多弊端，最突出的一点就是热泵系统化研究欠缺。目前中国热泵系统普遍具有系统运行效率低，运行稳定性差，节能效果不显著等问题，解决此类问题，成为我国热泵未来发展的重要突破口。

为了解决热泵系统设计运行不合理，系统整体运行效率低下等问题，以及规划我国热泵未来的发展方向，综述了国内外热泵系统先进技术的发展现状，并提出了热泵细化分类的新方法，基于不同种类的热泵系统，指出系统进一步发展的主要思路。

1 热泵

1.1 基本原理

热泵是一种通过消耗小部分高品位能源，从低品位能源中取热传递到中品位能源的能源利用装置，即消耗少部分的驱动能源，供给用户所消耗的能源以及吸收的大量低位能源，是一种高效的能源利用方式，利用这样技术的逆向运行还可以达到制冷的目的[1]。

根据能量守恒原理（热力学第一定律）[2]，热泵系统要从室内取走冷量或热量，则必然要有一个对应的无限大冷源或热源来提供一定的冷量或热量与之相平衡。热泵系统运行方式为冬季供热，夏季供冷，能量传递方向与温度梯度方向相同，根据热力学第二定律，能量传递方向与温度梯度方向相同时，需要有一定功输入。目前，工程应用中的热泵系统（以蒸汽压缩式热泵系统为主）效率很高，COP一般在4以上。当前热泵技术应用的关键问题是低温热源的适宜性选择，以及系统高效低能耗运行。

1.2 应用意义

热泵技术给我们提供了一条能源消耗少，环境污染小的绿色节能新道路。在提供相同热量的情况下，热泵比燃煤，燃油锅炉节约40%左右的一次能源，二氧化碳排放量可减少68%，二氧化硫排放量可减少93%，二氧化氮排放量可减少73%[3]。

2 分类及特点

按热泵的工作原理，热泵系统可分为蒸汽压缩式、吸收式热泵、蒸汽喷射式热泵、其他热泵等。

2.1 蒸汽压缩式热泵

蒸汽压缩式热泵由压缩机、冷凝器、节流膨胀部件、蒸发器等基本部件组成封闭回路，在其中充注循环工质（如R22或R134a等），由压缩机做功推动工质循环流动。工质在蒸发器中发生蒸发相变，吸收低温热源的热能；在压缩机中由低温低压变为高温高压，并吸收压缩机的驱动能；最后在冷凝器中发生冷凝相变放热，把蒸发、压缩过程中获得的能量供给用户。

蒸汽压缩式热泵系统以电能作为驱动力，系统运行效率很高[4]（COP>4），以燃煤锅炉发电效率33%～42%为准，蒸汽压缩式热泵系统的一次能源利用效率可以超过100%，甚至接近200%。

蒸汽压缩式热泵系统以其整体运行效率高，系统运行稳定，组成部件结构简单，可利用热源种类多，能源利用率高，安全性好等特点，成为当前应用工艺技术最完善，推广范围最广的热泵系统。

2.2 吸收式热泵

吸收式热泵分为两类：第一类吸收式热泵（即增热型热泵），它以蒸汽、燃料（燃气、燃油）、废热水或废蒸汽为驱动热源，把低温热源的热量提高到中、高温，从而提高了能源的品质和利用效率。第二类吸收式热泵（即升温型热泵），它利用大量中间温度的废热和低温热源的热势差，制取温度高于中间废热的热量，从而提高了废热的品质[5]。

第一类吸收式热泵包括蒸发器、吸收器、冷凝器、发生器、热交换器和其他附件等。据测算，吸收式热泵的供热量等于从低温余热吸收的热量和驱动热源的补偿热量之和，即，供热量始终大于消耗的高品位热源的热量（COP>1），根据不同工况，COP一般在1.65～1.85范围[6]。尽管与蒸汽压缩式相比（COP=4～5），效率较低，但是驱动热源可以不是电能。

第二类吸收式热泵组成与第一类相似，最高可以提供150 ℃左右的热量。第二类吸收式热泵的效率要相对较低（COP<1），主要应用于一些对热源具有特殊要求的行业，相对于纯燃料或电力供能，其仍具有相当可观的节能环保意义。

2.3 蒸汽喷射式热泵

蒸汽喷射式热泵由喷嘴、接受室、混合室和扩压室等部件组成，是一种结构简单、体积小且没有运转部件的热力设备[7]， 工作时以蒸汽减压前后的能量差作为动力。从喷嘴高速喷出的工作蒸汽形成低压区，使蒸发器中的水在低温下蒸发并吸收低温热源的热能，之后被工作蒸汽压缩，在冷凝器中冷凝并放热给用户[8]。蒸汽喷射式热泵的优点是可以充分利用工艺中的富余蒸汽驱动热泵运行，且无运动部件，节能环保，工作可靠；主要缺点是制热系数较低[9]。

2.4 其他热泵

除了上述的几种主要应用的热泵系统以外，还有几种尚处于试验阶段的新型热泵系统。

化学热泵是一种新型热泵[10]，是指利用化学现象的热泵，即利用化学反应、吸收、吸附、浓度差等化学现象的热泵。化学热泵具有不消耗电能，温度提升幅度高，设备简单，运行维护容易，对环境的危害很小等优势。随着余热回收技术的发展，以及太阳能等新型能源的开发和利用，化学热泵在节能减排领域将会有更广阔的发展空间。

热电热泵的基本原理是珀尔帖效应[11]，热电单元是利用热电效应的基本工作单元。热电热泵的优点是无运动部件，吸热与放热可随电流方向灵活转换，结构紧凑；缺点是制热系数低。因此限于在特殊场合（科研仪器、宇航设备等）或微小型装置中使用[12]。

3 研究应用现状

当前应用最广泛的是蒸汽压缩式热泵系统，由于可用热源种类较多，蒸汽压缩式热泵系统的发展方向也趋于多样化。

3.1 空气源热泵

空气源热泵以室外空气为供能热源。空气源热泵系统简单，初期投资相对较低，相对于锅炉集中供暖，空气源热泵系统高效节能，运行可靠，热损耗很低，并节约建筑面积，并具有很好的环保性，没有特殊的环境或地理要求，适用范围很广[13]。但空气源热泵应用也存在一系列技术难题：1）COP低，特别是制热COP低，2）冬季温度过低时，换热器空气侧表面易结霜，且除霜不可靠，3）低温工况的运行效果差，主要表现为冬季温度很低的时候，系统制热量衰减迅速。

3.2 地下埋管式土壤源热泵

地下埋管式土壤源热泵，通常我们简单地称其为土壤源热泵。在地下垂直地或水平地埋入塑料管，管内通入循环工质，使之成为循环工质与土壤间的换热器[14]。在冬季通过这一换热器从地下取热，成为热泵的热源；在夏季从地下取冷，成为热泵的冷源。这就实现了冬存夏用或夏存冬用，这么看来，土壤更像一个储能装置[15.16]。土壤是热泵良好的低温热源，通过水的流动和太阳辐射热的作用，土壤的表层贮存了大量的热能。热泵可以从土壤表层吸收热量，土壤的持续吸热率一般在25W/m2左右[17]。

3.3 地表水源热泵

地表水热泵系统的供能热源是池塘、湖泊、河溪[22]中的地表水。在靠近江、河、湖、海等大量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是一种很恰当的能源利用手段。江、河、湖泊等地表水的分布与自然地理因素相关，地表水热泵系统往往也会受到这些因素的限制。此外，与空气源热泵类似，地表水温也会受到自然环境因素的影响，当环境温度很低时热泵的供热量会呈现一定程度上的衰减，但是相对于空气，水的比热容要高几个数量级，因此不会导致整个热泵系统无法正常运行，只是热泵运行效率会有所下降。

3.4 污水源热泵

污水源热泵就是利用热泵直接从城市污水中提取热量，进行民用供暖，是污水综合利用的重要组成部分[25]。据测算，城市污水全部充当热源可解决近20%的城市建筑供暖，随着国民经济的发展， 我国城市污水排放量和处理量也快速增加。

污水源热泵利用的关键问题有两点：

1）阻塞污染问题。污水属于固、液两相流体，其中携带大量尺度较大的污物和尺度较小的悬浮物[26]，极易堵塞换热器，并在管壁上易形成大量的污垢，极大的影响换热器的效率，污水中携带的腐蚀性物质还会腐蚀输送管道。

2）流动换热问题。当前污水实际是一种固、液两相，固相多组分流动的流体，其流动特性和换热特性与清洁水相比有很明显的差别，无法精确地对污水的换热特性和流动特性的进行，这就对换热器的设计和制造也提出了更高的要求。

3.5 海水源热泵

海水源热泵是通过热泵把海水中的热能提取出来加以利用。夏季热泵用作冷水机组，海水作为冷却水使用，代替冷却塔，从而大大提高机组的COP值，据测算冷却水温度每降低1℃，机组制冷系数可提高2%～3%左右[29]；冬季通过热泵的运行，提取海水中的热量用以建筑供暖。

节能环保，运行稳定，是海水源热泵的突出特点。目前海水源热泵也面临“三防”问题，由于海水的自然化程度过高，内部物质组成极为复杂，对管路装置的腐蚀性比污水更强，海洋生物易附着在管路上，会严重影响设备的换热性能[30]。海水水温低，流量大，与清水的换热过程特殊 [31]，具有温差小，流量大等特点，其复杂的流动传热特性，是阻碍海水源热泵发展的又一重要关键问题。研制防腐材料，改进防腐工艺，开发海洋生物除治技术，深入探索海水流动及传热特性，是解决海水源热泵推广缓慢和工程应用难以实现的关键所在。

4 发展展望

热泵技术的总体发展趋势是更高效、更节能、更环保，热泵系统的总体发展趋势是系统化，整体化，多元化。

适宜性建设。所谓适宜，就是要因地制宜，所选用与设计的热泵系统要与供暖项目当地的地理地貌与气候环境相适宜。在项目处于规划设计初期，要求对项目实施地进行全面严谨的考察，从选址和热源的选择两方面对项目的规划建设进行初步的定位。

系统节能，提升整体用能效率。热泵系统中的耗能设备主要是热泵机组和水泵（末端循环泵，取水泵等），二者耗能量占系统总耗能的98%以上。当前中国热泵机组的运行效率（COP）已经达到了很高的水准，平均运行效率可达4.5～5.0，部分热泵厂家生产的高效热泵机组的COP甚至可以超过5.0，最高可达5.3～5.4。这样部分热泵设计者会盲目地认为机组运行效率高就等于整个系统运行效率高，在设计过程中，没有注意输送能耗，导致选用的水泵能耗高于适用的水泵，使得系统COP大幅度衰减。

因此，注重水泵与机组相匹配，以系统COP作为热泵系统节能设计依据，才能将热泵系统的高效节能最大化利用。

合理规划与运行调峰。系统规划工作主要在建设初期，设计方需要对热源的可利用总量有一个宏观的把握，使其与供暖负荷进行有机的融合与匹配，规划制定出合理的能源利用方案。宏观统筹热源总量与供暖总负荷的合理匹配，加以辅助热源，进行适应性调峰，从而实现能源的综合性利用，并可以实现低温热源最高幅度的利用，最大程度的提高能源利用率，提升系统的节能效果。

热泵机组细化分类设计。现今市场上流通的热泵机组大都以地下水工况作为设计依据，而当前地下水由于其自身的局限性已经被其他新的热源所取代，目前污水、地表水、海水等已经成为主流低温热源。建议依据热源自身特点的不同，对热泵机组进行量身定做，细化热泵机组的分类，产业化推广适用于不同热源的热泵机组。

5 结论

热泵机组作为一种新型的能源利用方式，其高效节能性已经在整个行业中达成了共识，但现阶段热泵系统的发展仍存在一些问题。通过分析当前我国热泵系统的设计与运行过程的存在的一系列问题，发现其中最突出的一点就是热泵机组的效率很高，但系统整体运行效率低，实际运行过程中并不节能甚至费能。

中国热泵的发展潜力尚未全部挖掘出来，热泵系统还具有极为广阔的发展空间。基于热泵系统的整体系统化研究，从选址，热源选择，系统节能，运行管理等几个方面对热泵系统的未来发展给出了建设性的指导方向，创新性的提出了系统输送能耗对系统运行效率的影响，并指出现阶段热泵机组设计、生产的局限性，提出了细化分类，热泵机组应与热源相适应的新思路。

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作者简介

孙源渊（19909-），男，山东平度，硕士研究生，热泵及节能技术。