热泵技术与应用

沈明云

（甘肃省城乡规划设计研究院有限公司，兰州 730000）

1 引言

自改革开放以来，我国经济与人口增长迅速，民众生活水平得到显著提升，化石能源的消耗也在持续增长，一些学者对近年来能源消耗数据进行分析后发现，我国2020 年在能源方面的消耗已经达到4.98×109t 标准煤，较2019 年同比增长2.2%，是名副其实的能源消耗大国[1]。随着环境污染及能源短缺问题引起社会各界的关注，能源应用转型的呼声高涨，清洁能源市场进一步扩大，热泵技术作为一种新型的节能环保技术，在各行各业得到广泛应用，本文从热泵的定义及工作原理出发，对不同新能源热泵技术进行分析，并以地源热泵技术为例，探讨了其在暖通系统领域的应用情况。

2 热泵的定义及工作原理

2.1 热泵的定义

在自然界中，水在重力作用下从高处向低处流动，热量也会从高温部位向低温部位传递，出于生活智慧，人们可利用水泵实现水从低处向高处的流动，热泵则是实现热量从低温部位向高温部位传递的一种装置。热泵属于高效节能装置，能够从自然界中的土壤、水、空气等可再生资源中获取能量，并转化为高品位能源能量，通过热量转移的方式实现供热、制冷，且不会产生污染。热泵依据取热来源的不同可分为地源热泵、水源热泵及空气源热泵3 类。

2.2 热泵的工作原理

热泵作为机械装置，以逆循环方式迫使热量从低温物体向高温物体转移，从而实现低品位热能与高品位热能的转换。热泵装置主要由4 部分组成：蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀。蒸发器是一种输出冷量的装置，通过蒸发制冷剂液体实现对被冷却物探热量的吸收，从而达到制冷目的；压缩机的作用是压缩并输送循环工质，使能量从低温部位向高温部位转移；冷凝器是一种输出热量的装置，利用介质吸收蒸发器与压缩机的热量，从而达到制热的目的；膨胀阀在热泵中主要起到节流降压的作用，能够对进入蒸发器的工质流量进行调节。热泵装置在作业时，利用蒸发器吸收土壤、水、空气等可再生资源中存在的能量，而后由压缩机压缩并输送，最后经冷凝器放热。

3 新能源热泵技术

3.1 地源热泵技术

地热泛指存在于地下水、土壤的地下浅层自然资源中的能量，利用热泵技术对地热进行转换与利用，可较为便利地为地上建筑物供热与制冷[2]。地源热泵系统的主要作用是实现能量交换，由热泵机组、室外热能交换系统及室内空调末端系统3 部分组成。根据能量交换形式的区别，热泵系统可被分为地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统、地埋管地源热泵系统。地源热泵技术具有环保、高效的优点，在制热状态下，热泵机组内的压缩机做功，室外热能交换系统开始吸收土壤或地下水中存在的热量，热泵机组内的冷媒通过蒸发吸收热量，而后在循环时接受冷凝处理，由空气循环吸收热量，最终实现将地下热量转移至室内，发挥供暖效果。在制冷状态下，热泵机组内的压缩机对冷媒做功，促使其进行汽液转化，冷媒通过蒸发吸收室内热量，在循环时进行冷凝处理，热量被循环水路中的冷媒吸收，最终通过室外热能交换系统转移至地下，发挥制冷效果，如图1 所示。

图1 地源热泵系统

地源热泵技术的应用可减少不可再生资源的消耗和环境污染，且运营成本较低，但在初期进行系统的搭建时花费较高，且受工艺方面的限制，需到达地下一定深度才可确保地热能满足需求。同时，为避免地源热泵系统对地下水资源的使用给周围生活的民众带来安全隐患，在进行地源热泵系统建设项目施工前，应由专业人员对施工区域进行地质勘探。

3.2 太阳能热泵技术

太阳能是最为常见的可再生能源，是指太阳的热辐射能，即太阳光线。在我国，太阳能多被用于热水器加热、采暖等方面。太阳能热泵系统的能量来源便是太阳能，其主要作用是实现了对太阳能的转换和利用，集热效率良好，与地源热泵系统相比，其性价比更高，在各行业得到了广泛应用。根据发挥作用的不同，太阳能热泵技术可被分为太阳能驱动热泵与太阳能辅助热泵两类。

1）太阳能驱动热泵一般用于制冷，能量转换形式为光电转换或光热转换，具有适应性好的优点，夏季气温高，民众对制热的需求降低，制冷的需求增加，由于太阳辐射强，利用太阳能驱动热泵系统能够获得更多的冷量来满足民众需求，其仍存在转化效率低、成本高的缺点。太阳能辅助热泵一般用于制热，由热泵系统与集热装置组成，具有集热效率高、应用范围广的优点，由于对集热装置周围环境的温度条件要求低而被广泛应用，如近年来进入千家万户的太阳能热水器，室外集热装置占地面积小，可被放置于屋顶及其他不影响日常生活的地方，满足了一般家庭在冬季的热水需求。

3.3 污水源热泵

随着我国城镇化进程的不断加速，城市生活垃圾随之增加，每日排放的污水量剧增，将城市污水作为冷热源的污水源热泵也得到了较好的应用。污水源热泵是水源热泵的一种，与河流、海洋及其他水源相比，城市污水在一般情况下不会出现较大的温度变化，且具备良好的隔热能力，同时，由于污水源热泵系统实现了对城市污水废热的再利用，无须建造冷却塔与锅炉房，极大地节省了工程成本与土地资源。污水源热泵系统在日常运作时不会增加环境污染，奉行了环保理念，但仍存在设备易积垢、腐蚀的问题，导致管道生锈、污水阻塞，在系统搭建前还需要专业人员对污水水质进行必要的检测，以判断污水是否能够作为低温热源，因此，污水源热泵技术尚未得到广泛推广。

3.4 海水源热泵

海水源热泵作为一种水源热泵，指将海水作为能量来源，利用热泵技术实现对海水吸收的地热能、太阳能进行能量转移，从而达到制冷、制热的目的[3]。海水源热泵系统由海水取泄系统、热泵、输送管、热交换器4 部分组成。系统在冬季，海水中大量的低品位热能被吸收，消耗少量电能即可利用压缩机实现对建筑物的供暖；在夏季则能将建筑物内的热能转移释放至海水当中，此过程并不会对海水产生消耗及污染，且热效率较高，占用土地资源较少，具有较好的应用前景。

3.5 空气源热泵

空气是一种清洁的可再生资源，空气源热泵（见图2）将空气作为取热来源，具有极高的环保性，与地源热泵、水源热泵相比，其不会受到时间、空间及其他因素的限制，无须建造冷冻机房、锅炉房，机组可随意放置于地面或屋顶，在绿色生活理念背景下，空气源热泵系统对环境无污染，作业时无冷却水的消耗，可在电脑自动控制下较好地适应工作环境，因此，得到了社会各界的广泛认可。然而，空气源热泵系统与其他热泵系统相比，其输出功率更低，在北方室外温度过低的地方会出现供热量不足的情况，需搭配辅助加热器使用，因此，空气源热泵技术的推广效果并不理想。

4 热泵技术的应用——以地源热泵技术在暖通系统中的应用为例

4.1 地源热泵技术在家用系统中的应用

家用暖通系统是地源热泵技术应用最为广泛的领域。在实际生活中，地源热泵系统在各种设备的辅助下进行地下浅层与住宅建筑之间的能量转移，从而实现对住宅建筑的供暖与制冷，最大限度地降低民众在日常生活中对电能的需求，避免了煤炭、空调导致的资源浪费，同时，由于家用的热泵系统无须搭配锅炉，在作业期间又不会产生废气、废水，从而减少了水蒸气温室气体的排放，降低了环境污染，符合节能环保理念。对于供暖单位，可对同一建筑内的不同业户进行单独计费，提高对整个系统的管理效率。

4.2 地源热泵技术在集中系统中的应用

集中暖通系统是地源热泵技术应用效果最为理想的领域。地源热泵技术与集中系统的结合能为热泵装置的合理使用提供保障，例如，北方民众在冬季开通的集中供暖服务，在保证相关设备、装置安装符合标准的情况下，热泵装置能够持续作业，热能通过管道输送至各用热建筑内，不会出现间断作业、供需关系快速变化的问题。同时，地源热泵技术的应用能够促进水路、风道及其他系统的合理设置，通过对集中暖通系统的需求进行全面分析，避免了供暖偏差、供暖不及时的情况。

4.3 地源热泵技术在分散系统中的应用

分散暖通系统是指为用热建筑进行独立的供暖服务，与集中暖通系统相比，分散暖通系统的热能损耗更低，在管道合理铺设的情况下提升了供暖工作效率，能及时为用热建筑供暖，因此，多被用于学校、商场及其他场所，较好地满足了对热能独立处理的需求。

4.4 水环路热泵空调系统

水环路热泵空调系统可在多个设备的组合下为地源热泵技术的应用形成封闭式条件，从而实现对温度的高效调节，灵活性较强，能够根据用热建筑的需求进行相应处理，保证在不同季节均能实现良好的热能转移，满足用热建筑在供暖、制冷方面的需求。

5 结语

热泵技术是一种新型的节能环保技术，能够实现低位热源向高位热源的转移，满足民众在日常生活中的供暖、制冷需求，在现今环境污染及能源短缺问题日益严峻的背景下，合理运用新能源热泵技术成为各行各业的关注重点。地热、太阳能、污水、海水、空气等均可作为能量来源，利用热泵技术实现热能的转移，既可减少不可再生资源的消耗，又不会对环境造成污染，具有较高的环保性。新能源热泵技术各有优、缺点，如地源热泵系统运营成本低，但可能对地质造成影响，太阳能驱动热泵系统适用于夏季，太阳能辅助热泵系统适用于冬季，因此，在应用热泵技术时应根据环境、气候及其他条件适当选择。