热泵技术应用现状及发展动向

热泵技术应用现状及发展动向

张翔

沈阳航天三菱汽车发动机制造有限公司辽宁沈阳110179

摘要：热泵作为一种由电力驱动的可再生能源设备，获取环境介质、余热中的低品位能量，提供可被利用的高品位热能，热泵每消耗１份能量，可以获得３倍甚至更多的热量，很大程度上提高了能源的利用效率，是一种高效节能的清洁能源产品。另外，采用热泵技术进行热回收，以及采用不同的技术对余热热源进行充分利用，可为国家有效节约大量能源资源。热泵不仅能够同时兼顾夏季制冷和冬季供暖以及热水制取，还可以在工农业生产、国防建设等国民经济的诸多领域发挥作用，应用潜力巨大。

关键词：热泵技术；应用现状；发展动向

引言

目前由于能源危机的加剧，大气污染问题愈发严重，节能环保得到了世界各国的重视。在中国，煤作为主要能源，长期以来在生产消费中占据主导地位，而煤炭是大气污染最为严重的能源之一。从用煤途径上分析，建筑采暖用煤约占75%以上，是最主要的用煤方向。想要解决城市大气污染问题，推广清洁能源势在必行。热泵作为可再生能源和清洁能源的代表，通过消耗少量高品位能源，把低品位热量上升为高品质热量，最大限度的减少常规能源消耗，以其高效节能环保无污染的特点而广受人们青睐。

1热泵的分类及基本工作原理

1.1热泵的基本种类

根据热源来源进行种类划分，热泵主要可分为如下几类：（1）水源热泵。所利用的水源主要包括自然水源和人工排水源。自然水源主要为地下水、河川水及海洋水。人工排水源主要为城市生活污水、工业废水及热电冷却水。（2）地源热泵。（3）空气源热泵。具体至当前普遍应用于热电厂的热泵，我们具体又可将其划分为两大类：（1）压缩式热泵，包括蒸汽驱动压缩式热泵和电驱动压缩式热泵。（2）吸收式热泵。

1.2热泵技术的基本工作原理

从本质上而言，热泵显然为一种热量提升装置。热泵主要从周围环境中吸收热量，并将其有效传递给被加热对象，也即是温度较高的物体。热泵的工作原理和制冷机类似。一般情况下，热泵主要有如下几个重要部分构成：（1）压缩机；（2）蒸发器；（3）冷凝器；（4）膨胀节流阀等。

2热泵的关键技术

热泵系统种类繁多，各有优劣。下面对地源热泵与空气源热泵系统进行分析比较，并提出热泵技术目前所面临的技术困难，对更好的促进热泵技术发展具有积极意义。空气源热泵与地源热泵的运行原理相类似，二者都是通过少量的高位电能驱动，将低位热能提升成高位热能加以利用的装置。区别在于地源热泵是以土壤、地下水、地表水作为冷热源，可细分为土壤源热泵和水源热泵;空气源热泵则以空气作为冷热源。

2.1经济性分析

我国有很长一段时间煤的价格很低，煤电比约为200∶1，热泵的经济性低，制约了热泵的发展。直到20世纪90年代，煤的价格迅速增长，从1990年至2006年，短短十几年，1吨煤从90元上涨至480元。而电价仅仅翻了一倍，煤电比约为1000∶1了，热泵技术实现了真正的经济节能，得以广泛推广［7］。热泵系统在建筑中应用的总成本包括初投资、年经营费用两部分。地源热泵的得初投资高于空气源热泵，但年经营成本较低，且地源热泵的使用寿命至少为20年，空气源使用寿命约为15年，相对于空气源热泵所增加的投资能在后续使用中完全回收，更具经济性。

2.2能效(cop)分析

地下水和土壤全年温度波动小，冬季地下土壤温度也能保持在15℃，夏季温度低于空气温度，冬季温度且比空气温度高，且空气温度随气候变化不稳定，因此地源热泵的运行效率要高于空气源热泵，空气源热泵的COP在2.5～4.0之间，地源热泵的COP在4.0～6.0之间错误!未找到引用源。。地源热泵比空气源热泵节能30%左右。

2.3环境影响分析

空气源热泵系统在制冷过程中，通过冷凝器冷凝，直接向大气中排出热量，加剧了城市热岛效应，但对水资源无破坏。地源热泵系统则是将冷凝热排放到地下，通过地下的土壤或者地下水进行吸收冷凝热，对缓解城市热岛效应起到一定的作用。

热泵技术在中国经历了初步尝试，推广普及，快速发展三个阶段，技术逐步成熟，但仍存在一定的问题有待解决。应用区域广泛，不同地区因温度湿度等环境因素影响，应用效果存在差异。

地源热泵系统的施工主要在于钻井成井、洗井、回填、回灌等方面。对于专门针对地源热泵的打井回灌工作没有相应的培训与资格认证，打井人员技术参差不齐，井深与孔径达不到标准、井内故障难以维修、回灌材料不合格等问题频发。

空气源热泵系统应用地域限制。中国领土面积约为960万平方公里，地域辽阔，气候存在差异。为了明确气候和建筑两者的科学关系，中国《民用建筑设计通则》GB50352－2005将中国划分为了严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区等7个主气候区，20个子气候区。蒸发温度直接影响了空气源热泵的应用效果，在温度过低的地区应用时，易造成以下问题:①环境温度过低，系统运行不佳，能效比过低，且蒸发器表面易结霜;②排气温度升高，压缩机在过热的工况下运行，缩短压缩机寿命错误!未找到引用源。，排气温度达到一定限值后，压缩机自动停机保护，无法正常工作;③热泵系统制热量减少，达不到室内最大采暖热负荷值，影响舒适性。地源热泵由于利用的地源能温度相对稳定，不受气候、资源、地域、地质结构的限制。所以可应用于所有建筑气候区域。空气源热泵由于受到气候的限制，主要适用于冬冷夏热地区及无集中供热华北、华东、华中等寒冷地区。

3未来发展展望

自２０１７年入冬以来，北方空气质量指数与上一年同期相比明显得到了改善，雾霾天数明显减少。可以看出，国家近年来大力推动的“煤改电”、“煤改气”等政策和措施取得了明显的成效。所采取的清洁供暖方式，包括了天然气供暖、电暖器、热泵等多种方式；按照相关专业人士的分析，以及诸多应用实例表明，热泵的能源利用率比较高，减排效果突出，为国家的环境污染治理发挥了极其重要的作用。

我国是全球最大的制冷空调设备制造国和消费国，我国制冷空调行业的整体技术和制造水平近年来也在快速向国际先进水平靠拢。热泵作为制冷空调行业一个新兴的产品类别，通过最近几年的国家和地方政府的大力支持和激励，在替代传统燃煤供暖等场合的应用越来越多。根据目前热泵应用的经验来看，根据用户的供暖、供热水和制冷空调的各种需求，结合建筑特征、气候环境变化以及热泵的节能环保优势，配合系统、末端进行综合改造治理，提供合适的综合技术解决方案具有极大的节能价值和潜力。而未来清洁供热之路，更需要统筹进行规划管理，因地制宜地选择可再生能源作为热泵的热源，重视和推广各种能源的综合利用，把空气源、污水源、海水源、江湖水源、余热和废热、太阳能等适当的组合利用，克服热源单一的缺点，从而充分提高供热供冷的综合集成效率，取得最佳的节能效益。

结束语

热泵作为制冷空调行业一个新兴的产品类别，相对于燃气供暖、直接电加热等产品，具有明显的节能环保优势，是一种高效清洁的能源利用方式。近年来在国家和地方政府政策的大力支持和激励下，热泵在供暖、工农业生产等各个国民经济领域的应用逐步增加。行业针对热泵技术做了大量深入地研究和开发，提高了热泵的能效、应用范围和可靠性等。

参考文献：

[1]华忠法.试析太阳能热泵技术在暖通空调中应用及发展[J/OL].建筑知识,2017(03)[2018-06-04].

[2]吴治将,张学伟.中高温热泵技术在工业中的应用现状[J].制冷,2017,36(01):83-89.

[3]张强.热泵技术在太阳能热发电中的应用[D].华北电力大学(北京),2017.

[4]姜超.地下水源热泵系统回灌技术及最佳井间距优化分析[D].吉林大学,2017.