暖通空调领域新能源热泵技术的应用

苏 丹 太原市热力集团有限责任公司

1 前言

新形势下，人们生活水平的持续提升，使得人们对于舒适度的需求程度不断加深。同时，在节能环保理念与人们日常工作生活深度融合的今天，使得暖通空调这种占用建筑总能耗比例达到70%的供热制冷系统，已经无法符合现阶段人们对于暖通空调系统的需求标准。为此，寻求出资源丰富、可循环再生、以及具有良好节能环保效果的新能源，并配以相应的节能技术，就成为时下暖通空调领域亟待解决的关键性问题。国务院新闻办公室于2020年12月21日发布《新时代的中国能源发展》白皮书，其中显示截至2019年底，北方采用清洁取暖面积已然达到116亿平方米，而北方农村地区清洁取暖率已然达到31%。现阶段，热泵技术作为能量转移的一种装置，可通过较少能量的消耗而获取到较高的热量与冷量。由于地区与环境差异，应用到暖通空调领域的新能源热泵技术也多种多样。如空气源热泵、太阳能热泵、污水源热泵等。这也与白皮书所秉承的坚持、创新、绿色、开放、共享的原则和理念相契合。通过对这些新能源热泵技术做出研究，便于暖通空调领域朝向节能环保的可持续化方向发展，也便于对此类新能源热泵技术加以深入应用。

2 热泵技术应用原理

2.1 供暖原理

热泵技术的用途之一，即是进行供暖作业。供暖环节需通过压缩器、冷凝器、蒸发器，以及制冷剂等进行作用而实现。其供暖原理可做如下阐述：首先，做好供暖前的准备工作。优先进行热泵系统的电路设备检测，确保各设备之间均以电流实施驱动。随后，将制冷剂等供暖原料，放置于热泵系统制冷回路内。接入电源后，压缩机运转，并将放置于其中的制冷剂进行压缩，使之形成高温高压的气体。而在经由冷凝器后，制冷剂便通过冷凝效果成为制冷液体[1]。将生成的制冷液体传输至蒸发器内，则其中的制冷液体便能够通过压缩器，进行传热系统热量的吸收。将蒸发器和传热系统连接后，热交换便由此完成。通常情况下，热交换所形成的高温气体，其温度约为90℃。再将热量由冷凝器传输至空调终端，实现供暖。

2.2 制冷原理

热泵技术中的制冷原理类似于供暖原理。与之不同之处在于，制冷过程中虽然仍需应用到制冷回路，但需通过转换阀与空调终端及传热系统相连接。同时，传热系统与冷凝器连接，却不连接蒸发器。其制冷原理可阐述为：在地下水及冷凝器与室内热空气连接后，就能促使热交换的实现。其中，蒸发器作为制冷原理中的重要工序设备，其作用在于对热量进行吸收，使制冷剂逐渐由液态转变成为气态，做出反复的循环，实现制冷操作[2]。

之所以采用热泵技术，其主要原因在于热泵技术，尤其是新能源热泵技术，其优势在于节能减排，并在制冷中生成大量余热。在实际生活中，可对所生成的大量余热加以利用，如小范围供暖、烧水等，既能减少能量的多余应用，又能做到热量的节约，避免浪费。

3 暖通空调领域新能源热泵技术应用

3.1 污水源热泵技术

污水源热泵技术应用时间较短，是一种依托城市污水改造程度上的新型能源热泵技术。如图1所示。

图1 污水源热泵系统

在实际应用过程中，由于城市污水较之江河水，具有温度上的持续稳定性，具备热能特征，进而使其成了城市污水治理以及暖通空调应用领域的重要技术形式。其主要优势在于：原料来源为城市污水、废水，在对污水废水加以回收利用后，使城市水资源消耗程度得以减轻；同时兼顾加热与制冷双重效果，减少暖通空调系统中对于锅炉及冷却塔的应用；环保性能良好，不仅能对城市污水、废水等加以利用，还不会对环境进行污水的排放，减少城市环境的破坏[3]。但该技术也存在部分应用问题未能解决，如污水堵塞、换热器结垢明显，以及污水水质处理等。

3.2 太阳能热泵技术

现阶段应用于暖通空调领域的太阳能热泵技术，是一种将太阳能技术与热泵技术相结合技术形式。该技术同样具有加热与制冷兼顾的特点。在应用太阳能热泵技术实施供暖环节中，可利用微乎其微的电能，获取到成倍增长的电能热量，且对于低温热源也能够做到合理且有效的利用。在实际应用过程中，太阳能热泵技术存在分散性与间歇性问题，但当该技术与地源热泵技术和空气源热泵技术耦合后，这一问题便可得到有效的解决。在应用太阳能热泵技术实施制冷环节中，需要在水泵、集热器，以及蓄热水箱的基础上，加入热交换器和储冷水箱等设备[4]。当压缩机中制冷剂经作用蒸发，并对储冷水箱中的热量进行吸收及降温后，热交换器便可对空气及水的问题进行降低，再经由制冷输出设备进行冷气的排出，起到应有的室内降温作用。

3.3 空气源热泵技术

空气源热泵技术产生于20世纪20年代末期，作为最为常见的可再生能源技术，空气源热泵技术除受到气候因素制约外，在应用范畴上较之其他新能源热泵技术更为广泛。这种新能源热泵技术在暖通空调领域的应用效果极为显著，据不完全统计，空气源热泵所实现的空调节能效果，可在进行较少电能应用情况下，获取到超出传统暖通空调系统4～6倍的热能。例如：以哈尔滨市为例，2020年哈尔滨取暖费居民住宅供热价格为28元/m2，非居民住宅取暖费价格为32元/m2，若采用空气源热泵技术的暖通空调系统，其供暖费用低于燃气壁挂炉15%～40%，较之电能供暖节约费用更是超过60%。若将空气源热泵技术应用于四季分明地区，则相比于壁挂炉和电采暖，其供暖费用则分别节省48%和26%[5]。同时，空气源热泵系统在应用过程中，也具有较好的节能环保效果，其污染物排放也相对较低。现阶段，很多集中供暖与制冷的场所，对于空气源热泵技术的应用也愈发普遍，如商场、医院等。但该技术在暖通空调领域的应用过程中，也存在着一些亟待改进或创新的技术难点。尤其在低温环境下，空气源热泵的适应性偏差。其主要原因在于以下方面。

其一，在低温环境中，压缩机较易因过热而出现停机现象，为确保空气源热泵系统运行的稳定性，仍需进行电加热辅助；

其二，低温状态时COP值处于较低状态；

其三，空气源热泵在热输出功率方面，无法满足热负荷需求等。

3.4 地源热泵技术

地源热泵技术，是利用地表（下）水或岩土体作为低温热源，并结合水源热泵机组和热能交换系统所构建出的供热空调系统。地源热泵技术在应用过程中，能够实现自低温环境热能到高温环境热能的有效转化，其不仅替代了锅炉与空调系统，还能够进行生活热水的供应。对于地缘热泵技术而言，其所具有的特点极为明显，如节能环保、具有较强的清洁性与高效性。在与传统暖通系统相比，其所消耗的电能更是不足传统暖通系统的30%[6]。与此同时，地源热泵技术在应用中不会进行水资源的消耗，更不会排放污染环境与水源的污染物。除此之外，地源热泵系统所应用到的设备机组，也因其紧密的结构和偏少的部件，为建筑结构节省下充足的安置空间。在此基础上，低维护成本和高运行稳定性，也是地源热泵技术在暖通空调领域应用的优势之一。而地源热泵系统在暖通空调领域的应用也可体现为图2所示。

图2 地源热泵系统在暖通空调领域的应用

由此可以看出，在利用地源热泵进行供暖环节中，压缩机通过对冷媒实施作用，实现气体—液体的转换，地埋管中水路循环在对眼土地或地表水等热量进行吸收后，利用冷凝设备的蒸发原理实现冷媒循环产生热量。将所生成的热量经由风机盘管吸收，并输送至室内，达到为室内供暖的目的。而在利用地源热泵进行制冷环节中，压缩机依然对冷媒实施作用，并进行冷媒流向调节。冷媒在蒸发器中进行蒸发，再经由风机盘管吸收室内热量至冷媒中，而冷媒器通过冷凝作用，把吸收到的热量输送至地埋管水路内，并进而释放热量至岩土体或地表水中。

4 结束语

综上所述，新能源热泵技术在暖通空调领域的应用，不仅能够有效的节约能源，还能够有效的保护周边环境。同时，在一些可再生能源的应用后，暖通空调系统的能耗也将大幅度降低，进而在确保节能环保的情况下，进一步促使新能源利用率得到大幅度提升。虽然一些新能源热泵技术在暖通空调领域中应用时，仍存在部分亟待改良的技术障碍或弊端，但相信随着科学技术的不断完善与创新，这些问题均将迎刃而解。