综合能源系统中热泵技术研究与应用

张茹杰

（太原学院建筑与环境工程系，山西 太原 030032）

0 引言

热泵技术是以电能为动力，不断地把低位热源转移到高温对象或介质，从而产生热量的装置。使用部分电能，能够在3～4 部分的可再生能源中提取3～4部分的低位热能，进而为用户提供热能[1]。因此，热泵供热属于相对节能、高效以及环保的供热方式，已被广泛地应用于生活热水与建筑采暖的供给之中。20世纪70 年代，由于全球能源危机的爆发，热泵技术得到了快速发展，迎来了繁荣时期。在20 世纪80、90年代环境问题再次受到全球性的关注，热泵技术被公认为是能够改善环境质量的一种技术，从而热泵技术再次进入繁荣时期。21 世纪以来，面对日益严峻的全球气候变化与能源危机，热泵技术作为一种可再生能源利用方式，已被国际能源署列为一种最重要的节能减碳技术，在我国已被广泛应用。

1 热泵技术发展和应用现状

按照热泵利用的低位热源，可以将其划分为：空气源、地源、水源以及废热回收热泵。地源热泵系统主要有：地下水源热泵系统、埋地管地源热泵系统和江、湖、海、再生水系统以及污水系统等[2]。从低位热源的稳定性、可得性和技术经济效益等方面考虑，当前我国采用的主要是地源热泵系统和空气源热泵系统。在初期，以冷暖为主的风源热泵得到广泛的应用与推广，主要用于长江流域及南方部分地区的短时、分散供暖。伴随着建筑节能的不断深入，能源使用进入近零能耗时代，建筑负荷需求大幅度下降，在能源供给的灵活性方面提出了更高要求，由此产生了集净化、除湿于一体的空气源热泵。相对于空气源热泵，在我国，地源热泵引入的时间更长，在经过了起步期、推广期以及迅速增长期后，目前已进入了平稳发展阶段。目前，我国已有约5×108m2的地源热泵使用面积。中国是全球空调热泵业生产发展较快国家之一，也是地下水源热泵使用量最多的国家之一。据相关数据显示，我国热泵采暖与热水所占比重约为45%，而热泵烘干所占比重不足10%。整个热泵行业在2019 年达到一个峰值，而到了2020 年，整个热泵行业的规模下降到1.6%。到2020 年，热泵采暖占48%，热泵热水占43%，热泵烘干占9%。空气源热泵采暖在在我国热泵采暖市场上占有优势，到2020 年，空气源热泵采暖市场份额达到95%，达到72.7 亿元的市场规模。

2 综合能源系统中热泵技术的应用

2.1 空气源热泵技术

空气源热泵技术使用非常少量的电能，从空气中吸收大量的低温热能，经过压缩机的压缩，转换为高温热能，然后将其输入到水箱中，并加热热水。空气源热泵技术具有能耗低、效率高、环保性强、安全性好、可连续提供热水等优点，所以在供热、工业用水等方面具有其他技术比不上的优势[3]。空气源热泵技术在我国的建筑能耗中得到广泛应用。图1 显示了空气源热泵热水器的工作原理。空气源热泵热水器在国外已发展得很成熟，在一些欧美等发达国家，其所占比重达到70%以上，实际运行结果显示，空气源热泵热水机组每年的平均运行费用仅为用电直接加热的1/3～1/2，因而被列为国家大力推广的技术项目。

图1 空气源热泵热水器工作原理

在我国的南方冬天没有集中供暖设施。要取暖只能通过火炉或空调机，但舒适度较差。空气源热泵空调技术可以在节约能源的同时，提高空调的舒适性。有关资料显示，在空调供暖系统中，冬天工况对压缩系数的要求是夏天的150%～200%，所以夏天工况为基础进行设计的机组，冬天使用时的能耗效率极低。针对这一现状，提高空气源热泵空调系统的性能，从优化热力循环、提高压缩机性能、研制新的制冷剂等方面入手，然而，由于空气源热泵空调系统机组性能与末端性能之间相互作用，因此，一些学者提出了空气源热泵空调系统的新发展思路，即在室内末端中增加消耗材料，利用小温差换热末端来提高系统的能效。此外，在游泳池、公共浴室以及地道风等建筑中都可以运用空气源热泵技术，此技术的推广和使用具有十分重要的现实意义。

2.2 地源热泵技术

地源热泵技术是一种利用浅层地热能源进行供热或制冷的一种高效节能系统。地源热泵的运行过程是以少量的高品位能源，把低品位的热能转换成高品位的热能[4]。通常情况下，在空调系统中，地热能源是冬季的热源、夏季的冷源，冬季的时候，将地热能源中的热量提取并升温，以供室内供暖，夏季的时候，将室内的热量提取，并释放到地能中。一般情况下，地源热泵耗能1 kW，使用者可获得4 kW 以上的能源。从当前的情况来看，地源热泵的运用正逐步得到推广。

在地源热泵供暖中，季节性蓄存空气热能的空调系统，基于传统的地源热泵系统技术，进行了更深入的研究，在这种季节性蓄存空气热能系统中，设置了相应的空气热源热水机组，其主要包括风冷蒸发器、压缩机、水冷冷凝器、节流装置等。在加设了空气热源的热水机组后，分离型热管和蒸汽压缩型热管制热的循环可以得到很好的实现。其中，冷凝器的运作过程是制冷剂蒸汽遇冷发生液化，液化后，在重力的影响下回流到蒸发器中，进而完成整个循环过程。

空气热源热水机组具有两种模式，一种是热管循环制热，另一种是空气源热泵制热。这两种模式使空气热源热水机组的功能多样化。一是可用于不需供暖的室外空气热能储热，二是可在一定程度上利用空气源热泵来辅助采暖，从而有效地发挥其优势。地源热泵空调系统具有6 种运行模式，具体见表1。

表1 地源热泵空调系统运行模式

2.3 水源热泵技术

水源热泵系统运作是由人工再生水源或者地表水源作为低温热源，由三部分组成：水源热泵机组系统、地表水源换热系统、建筑物内空调系统（图2）。其中之一的地表水源换热系统包括水源、输水管网、取水构筑物、水处理设备。此外，目前已有的两种类型的水源热泵机组，分别是水-空气、水-水。三个系统间通过水换热或者空气传输热量，水是热泵和地表水体热能间进行换热的介质，水或者空气是热泵与建筑物采暖空调末端进行换热的介质。地表水源水换热环路、室内环路、制冷剂环路以及生活热水环路是构成水源热泵空调系统的四个环路[5]。

图2 水源热泵系统的构成

基于热泵原理，使用电能驱动压缩机装置，让制冷剂工质循环运作、持续物理相变，通过蒸发器和冷凝器中分别中气化吸收热量和液化释放热量，不断地交换传递热量，并通过阀门切换，实现机组的制热或制冷作用。

在冬天的供热系统中，制冷剂以蒸发的方式将地面水源中的热能吸收，然后由冷凝器加热空调系统中的循环水，为用户供热。在夏天的制冷系统中，利用制冷剂的蒸发作用，将用户空间中的热量提取出来，从而达到向用户供冷的目的，经冷凝器释放热量至地面水源。图3 和图4 分别列出了冬季和夏季两种情况下的水源热泵空调系统的工作原理。

图3 冬季水源热泵系统工作原理图

图4 夏季水源热泵系统工作原理图

水源热泵是一种利用地表水、地下水、工业废水以及地热尾水等为冷热源，实施能量转换的采暖空调技术。该技术利用了自然资源的优势，具体如下：该技术属于可再生能源的利用；具有经济、高效、环保、运行安全、操作简便的优点；可实现多种用途，一机多用。采用水源热泵技术，既可提高供热供冷效率、降低成本，又可与其他可再生能源系统联合使用，很大程度上解决了冬季供暖短缺现象。然而，由于水源热泵系统在运作过程中，会受水环境影响，所以在使用时应格外注意热泵系统设备的腐蚀情况。

2.4 余热回收热泵技术

当前，我国工业能源消费总量占比20%～60%，具有大量废热。在冶金、食品、化工以及建材等行业中广泛存在工业废热，其利用率仅为30%，具有较大的节能潜力。将废热回收与利用，可降低能源消耗，是一种节能减排的有效方法。常规燃气锅炉排放的烟气中含有较多的水蒸气，若不能将水蒸气降低到露点温度以下，其冷凝潜热难以被有效利用。已有研究表明，采用电热泵-隔墙换热技术回收天然气中的废热。对烟道气进行回用试验，结果表明，烟道气中废气的平均温度远远高于原烟道气的平均温度（67.1 ℃）。该技术不但能有效提升天然气的利用率，还能使烟气消白效果更加显著。余热回收热泵技术具有很高的使用价值，它可以提高能量利用率，减少碳排放[6]。

2.5 热泵技术的对比分析与展望

以上四种热泵技术的工作特点各不相同，其参数见表2。这四种类型热泵技术在应用领域和能量效用上存在差异，为使其在已有热泵技术中得到更好的应用，探索新的热泵技术改进已有的热泵循环，从而提升其性能，是未来的重要研究课题。与此同时，因为综合发电系统中采用了多种能源，所以供能单元之间的耦合方式也各不相同。因此，对热泵和系统之间的耦合性进行探索，并对其进行最优化的方案设计，从而达到系统的低污染和高效率运转，这也是未来另一个重要的研究方向。

表2 热泵参数对比

3 结语

由于热泵具有高效率、低污染等优点，在综合能源系统中得到了广泛的应用。随着综合能源系统的不断发展，对热泵和能源系统的耦合性能进行了深入研究。实现热能系统与综合能源系统其他部件的高效、灵活运行，需从设备和系统两个层面上对热泵技术进行优化调节和设计，低碳、高效的热泵技术和综合能源系统的优化将是以后重点研究的部分。热泵技术是一种在能源供给和能量储存上都具有显著优势的节能设备，在倡导低碳环保的社会背景下，热泵技术将会在综合能源系统中得到广泛的推广与应用。