中国建筑供热制冷的热泵系统研究及应用

陈旭

（大连民族大学）

【摘要】热泵技术充分体现了暖通空调中能量循环利用的原则，避免了传统暖通空调系统中能源利用的单向性。与泵的原理类似，热泵技术以高品位能源作为驱动能量，补偿并提升低品位能源。由于暖通空调系统中的利用热源通常是低温热源，而采用热泵技术对于提高制热性能系数有所帮助，因而暖通空调系统是应用热泵技术的理想领域之一。通过热泵技术的有效利用，暖通空调系统中的高品位能源可以被大量的低温可再生能源代。通过热泵技术，储存于土壤、水源、空气的天然低品位能源或者源于工业生产、日常生活的废热就可以用于建筑物的供热制冷及热水提供。因此在中国暖通空调领域，热泵系统被广泛推广应用和研究发展，并且在系统的理论创新、实验研究、产品开发和工程应用等方面都取得了进展。本文回顾了自二十一世纪以来中国在用于建筑物供热制冷的热泵系统领域中的研究、应用及发展所取得的成就。

【关键词】热泵 供热制冷 研究应用

一、地表水热泵系统

（一）河水源热泵

对河水源热泵，陈等研究了河水源热泵在吉林省的应用，吴研究了重庆的河水源热泵工程。经过经济性分析，发现河水源热泵系统有更好的经济性。此外，吴荣华等通过对不同系统的节能和环保效果的定量计算，直观清晰的论证了地表水源热泵的节能和环保性能。

在换热器方面，吴荣华等开展了管式换热方式的特性研究，包括换热器的传热模型，阻力特性和经济分析。研究发现，初投资几乎是相同的，但是管式换热的传热性能的方法是更好的。具体方案如图6。

在实际工中，河水源热泵系统已经得到了广泛的应用。宋应乾分析了闭式地表水源热泵系统的特点、设计要求、系统选择、传热过程等，给出最优形式和距离以及冬季防冻措施。对于取水方案，包括新的取水构筑结构和能量转换排放系统也已经开展了大量的研究。

（二）海水热泵系统

对海水源热泵的研究也开展了大量工作。天津大学李凤丽以秦皇岛一个别墅会所为例，分析了海水源热泵的可行性和经济性，认为海水源热泵有良好的经济效益和节能环保效益。李分析了海水热泵系统集中供热和冷却时的运行能耗，讨论了海水源热泵热量排放对环境的影响，最后提出一种新的经济环境评价方法（净环境成本法），并提供一个案例。

考虑到海水高腐蚀和其他特殊性，天津大学学者做了很多海水-乙二醇换热器的研究工作，包括选择合理的换热器结构形式、建立冬季冻结和不冻结两种数学模型，并做实验验证换热器模型。通过目标函数优化方法选择最低费用年值的换热器。

在实践中，海水源热泵系统已经得到了广泛的应用。哈尔滨工业大学调查搜集了国内20多个海水源热泵系统，建立了一个基础数据库。此外，青岛科技大学，天津大学和其他高校比较了海水源热泵系统与传统的空调系统，认为海水源热泵系统在建筑节能运行方面更加有利。

针对系统运行后的海水腐蚀性、污垢沉积和其他特殊问题也开展了大量研究工作，并提出了一系列的防腐措施。

二、污水源熱泵系统

污水被视为热泵的可再生热源的主要特征体现在以下几个方面：①废水含有大量的热能；②城市每年要产生大量的废水；③每天可利用的城市污水排放量都是基本稳定的；④废水温度低于夏季室外空气温度，高于冬季室外空气温度，而且在整个供冷供热季节里，废水温度波动很小。废水温度与地区、排放源和季节有关。相对于其他传统的热泵热源（地下水、地热、室外空气），在供暖季，废水从当地住宅排水系统排出时表现出相对高的温度（约10℃在哈尔滨，中国）。在夏天，城市排水系统的废水温度相对较低（约22℃在哈尔滨，中国）。因此，对于空调和热水系统来说，废水是一个很好的热源/热汇。

在80年代初，污水源热泵（SWHPs）被广泛应用在瑞典和挪威等北欧国家。在过去的二十年里，污水源热泵因其相对高的能源利用率和环保效益收到广泛关注。

在我国，污水源热泵的使用和研究开始于20世纪末，但发展速度非常快。最初的研究工作是由尹军和他的同事们开展的。他们调查了污水源热泵在日本的应用，然后分析了我国的污水状况，论证了我国污水源热泵应用的可行性。之后，许多污水源热泵项目在国内兴起，包括北京、黑龙江、辽宁、河北、山东、天津。这些区域的建筑在寒冷的冬天需要一个长期（≥4个月）供热。

（一）废水收集装置

两个问题应该解决WWSHPs的应用程序：一个是，污水中含有大量的大尺寸污染物前必须清除污水流入换热器；另一种是，即使污水过滤废水收集装置，表面的污垢将存款浪费水（污水）热交换器经过长期运行，影响传热和WWSHPs反过来会导致较低的性能。鉴于WWSHPs的应用这两个问题，一些研究者WWSHPs过去十年是从事在中国发展的两种关键设备：（1）废水收集装置；（2）废水热交换器。

废水收集装置开发中国WWSHPs列出如下：

过滤器通过高速度与表面不断再生水：这个设备在中国开发。这项技术被视为非常重要的进步发展的废水收集装置。当污水流经过滤器的四分之三的地区，大尺寸污染物之外的拦截过滤器，但污水经过过滤和进入半截室。滤波器的旋转，大尺寸污染物将四分之一的滤波器，因此他们可以刷新从表面的废水从过滤器的四分之一。

旋转半球形过滤废水收集装置：对于与以前单位的区别，这与半球形过滤设备设计，配合，污水管道的进口和出口是设计成斜椭圆管连接。这个设备可以避免短路的污水在进口和出口处标。

旋转套筒过滤废水收集装置：污水收集基于重力的设备。因此可以避免的温水和冷水混合吸入管和排出管的孔。

废水收集装置在开放类型：因为它是一个开放的循环，这个设备运行在普通的压力，因此，要求材料强度低。通过这个设备压降很小，这有助于减少水泵的负责人。因此可以节省运营成本。它可以避免动机密封的问题。

（二）浪费水热交换器endprint

总的来说，目前使用的热交换器在WWSHPs可以分为两种类型：间接和直接。所有这些废水热交换器主要包括壳管式、板式和沉浸类型。在中国现有的热交换器或原型WWSHPs列出如下：

换热器清洗功能强劲冲洗：该热交换器是用于直接和淹没WWSHP系统。一个额外的水泵用于这个设备提供高压水喷水。高速水将注入管移除管的内表面上的污垢。每个管的入口附近的水射流旋转的中心轴旋转，因此，高速水可以沖管。这个设备的功耗是高于其他种类的废水上述热交换器。

换热器污垢怜删除：小球混合废水中的碰撞传热表面的管，可以提高传热性能和消除管表面的污垢。

壳管式热交换器与去垢功能：这种换热器是用于直接和干膨胀WWSHP系统。螺旋轴穿过所有的挡板，可以手动旋转蒸发器外。轴的左端是支持轴承固定在蒸发器的左端。轴的右端通过一个密封轴承的右端固定到蒸发器，在蒸发器，手动旋转轮安装。螺母固定到每个独立挡板中间点，通过挡板连接到螺旋轴。因此，这些挡板可以移动水平两个方向的轴是手动旋转，和橡胶层的挡板可以刮掉管表面的污垢。

三、结论

在21世纪，热泵的快速发展不仅是为了解决能源问题，还要解决环境问题。如果时间从1970年代末到1990年代初可以被视为第一个热泵发展的繁荣时期，能源效率成为重要的因为需求减少温室效应在21世纪。由于环境影响，热泵技术将体验第二个繁荣和可持续发展，实现生态HAVC的逻辑和绿色化。因此，近年来，应用热泵技术获得了快速发展，已显示出一些新特性不同于其他国家和地区在这个快速发展时期：

（1）热泵加热和冷却系统的应用在民用建筑的建筑发展迅速。

（2）热泵系统的应用范围已从中小趋势公民（低于10000㎡）一些大型建筑集团（近一百万㎡）。

（3）GSHP的研究是基于实际项目的应用程序在中国，和在应用程序中探索经验来解决这个问题。然而，基础研究缺乏，自主创新的能力是不够的。

（4）一些研究人员认为浅层地热能是一种资源，低温热源GSHP基于浅层地热能资源和浅层地热能资源在中国被广泛使用。基于这一观点，GSHP的发展在中国被认为是过于乐观。

这些新的特点和问题将带来一些不确定性和不可预测性的热泵技术在中国的应用。因此，热泵在中国的快速发展迫切需要一些基础理论的支持，它可以帮助寻求最优或更好的方法在中国开发热泵技术。

参考文献：

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