北京建筑大學(xué)      韓京彤

摘   要：將熱泵技術(shù)按照冷熱源的選擇不同而進(jìn)行分類，并對各自的運行原理加以分析，相互之間進(jìn)行比較，得到各個形式的熱泵的優(yōu)缺點。除此之外，通過與傳統(tǒng)的供熱和制冷方式進(jìn)行各方面的比較，論述熱泵技術(shù)的先進(jìn)性，并從該技術(shù)對于人類生活帶來的改變的角度出發(fā)，論述其在建筑行業(yè)中的應(yīng)用。最后分析了熱泵技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用以及該技術(shù)對這些行業(yè)的發(fā)展乃至社會的進(jìn)步所起到的作用。

關(guān)鍵詞：熱泵技術(shù)；能量；太陽能供暖

       0   引言

       熱泵，是一種使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。通俗的來講，熱泵就是被用來將低溫物體的熱能傳遞到高溫物體中，然后高溫物體來加熱水或采暖，使熱量得到充分應(yīng)用。由此可見，熱泵運行需要消耗一定量的高位能。不過，它所供給的熱量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消耗的能量的，二者的比值一般可以到2到5，甚至更高。所以說，熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置。

除了節(jié)能，熱泵還具有環(huán)保，冷暖聯(lián)供等優(yōu)勢，因而其應(yīng)用十分廣泛，對于人們生活所起到的作用也越來越明顯。基于上述內(nèi)容，本文將圍繞熱泵的優(yōu)勢和先進(jìn)性以及他在建筑行業(yè)中發(fā)揮的巨大作用等方面展開論述。

       1   熱泵的分類及各自特點

       1.1   水源熱泵

       水源熱泵是利用地球水所儲藏的太陽能資源作為冷、熱源，并進(jìn)行熱轉(zhuǎn)換的空調(diào)技術(shù)。顧名思義，其工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中；而在冬季，則從溫度相對恒定的水源中提取熱量用于供暖。由此可見，水源熱泵的制冷和制熱過程所利用的是清潔的可再生能源，充分做到了節(jié)能，這是其一大優(yōu)勢。除此之外，在一年四季的變化過程中，水體的溫度波動范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣，這也在一定程度上決定了其運行比較穩(wěn)定。加之可以做到一機(jī)多用，替代鍋爐和空調(diào)兩套裝置，以及自身運行過程不會造成任何污染（如圖1），水源熱泵近年來的應(yīng)用范圍越來越廣，對老百姓生活發(fā)揮的作用越來越大。

圖1   （夏天1,3,5,7閥門關(guān)，2,4,6,8閥門開；冬天2,4,6,8閥門關(guān)，1,3,5,7閥門開）
 

       1.2   空氣源熱泵

       空氣源熱泵是以電能驅(qū)動的，利用蒸汽壓縮制冷循環(huán)的工作原理，通過冷凝器，蒸發(fā)器，循環(huán)系統(tǒng)等將空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到建筑物中，滿足用戶需求。由于冬季北方大多仍采用傳統(tǒng)方式供暖，所以空氣源熱泵現(xiàn)在主要應(yīng)用于夏季的制冷中。

       空氣源熱泵的主要優(yōu)勢是系統(tǒng)的冷熱源合一，并且不需要專門的鍋爐房和冷凍機(jī)房，既增加了建筑的有效使用面積，同時也在一定程度上減少了煙氣的排放，也就減少了對環(huán)境的污染。當(dāng)然，由于一年四季的空氣溫度變化比較大，空氣源熱泵機(jī)組的工作效率可能會隨著冬季溫度的降低而有所下降。這也是空氣源熱泵目前存在的一大問題。

       1.3   地源熱泵

       地源熱泵是以大地為熱源對建筑物進(jìn)行供熱制冷的技術(shù)，冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提升對建筑物供暖，同時將冷量儲存起來，以備夏季使用；夏季則通過熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對建筑物進(jìn)行降溫，同時蓄存熱量，以備冬季使用。

       地源熱泵通常采用土壤，地下水，或地表水作為冷熱源，冬季從土壤，地表水或者地下水中取熱對建筑物供暖，夏季放熱起到制冷作用。除此之外，地源熱泵的運行安全可靠，費用低，環(huán)保作用也很明顯。不過其在冬夏兩季向大地取熱量和排熱量的不平衡性在一定程度上限制了它的發(fā)展。其流程圖如圖2。

圖2   地源熱泵的運行流程圖

       1.4   復(fù)合型熱泵

       從上述的三種熱泵形式可以看出，熱源單一的熱泵都普遍存在著一定的局限性，而且對于低位能量的利用也存在著缺失的情況。由此可以看出，如果我們將幾種熱泵形式結(jié)合起來，就可以在一定程度上增加能量的利用效率。在利用太陽能熱源的基礎(chǔ)上，常用的復(fù)合型熱泵有以下幾種：太陽–空氣源熱泵系統(tǒng)，太陽–水源熱泵系統(tǒng)，空氣–空氣熱泵機(jī)組，空氣–水熱泵機(jī)組，水–空氣熱泵機(jī)組，水–水熱泵機(jī)組，空氣回?zé)釤岜茫瑹犭娎淙?lián)產(chǎn)復(fù)合熱泵，土壤–水源熱泵系統(tǒng)等。^[1]

       1.5   其他熱泵形式

       噴射式熱泵，吸收式熱泵等熱泵系統(tǒng)也是先進(jìn)熱泵技術(shù)的體現(xiàn)。其中吸收式熱泵是回收利用低位熱能的有效裝置，具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的雙重作用。其中以溴化鋰吸收式熱泵的應(yīng)用最為廣泛。其機(jī)組外形圖如圖3。

圖3   溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組外形圖

       2   熱泵技術(shù)帶來的改變

       隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類的生活水平也在不斷地提高。然而生活質(zhì)量的提高，也伴隨著對能源的巨大消耗以及生態(tài)環(huán)境的不斷惡化。而熱泵技術(shù)自身的力量雖然很小，還不能從根本上解決這些問題，但對于環(huán)保和節(jié)能的貢獻(xiàn)依然不可忽視。

       2.1   對于環(huán)境的保護(hù)作用

       傳統(tǒng)供熱方式需要通過化石燃料的燃燒產(chǎn)生熱量進(jìn)行供暖。燃燒的過程中，也就不可避免地產(chǎn)生二氧化碳，二氧化硫，以及一些粉塵等顆粒污染物。其中，二氧化碳的大量產(chǎn)生更是直接導(dǎo)致了溫室效應(yīng)的加劇，并在一定程度上加速了全球變暖的進(jìn)程。

       具體來講，熱力電廠排放的循環(huán)冷卻水所攜帶的熱量對水環(huán)境熱影響是很大的。因此，對其產(chǎn)生的熱能進(jìn)行回收，既是電力行業(yè)節(jié)約能源，提高效率的重要一環(huán)，也是保護(hù)水域環(huán)境，避免增溫帶來危害的不可或缺的步驟。而熱泵技術(shù)的運用恰恰是熱能回收利用的一個重要途徑。以污水源熱泵為例，它是以城市污水作為提取和儲存能量的冷熱源，在熱泵機(jī)組內(nèi)通過制冷劑的循環(huán)以及電能的消耗，向城鎮(zhèn)居民建筑進(jìn)行供冷供熱。這種技術(shù)可以在很大程度上吸收和利用了工業(yè)廢水和生活污水，并對其加以利用，造福人類的生活。同時伴隨著污水源熱泵技術(shù)的進(jìn)步，二氧化碳和許多氮氧化物，硫化物的排放都得到了抑制，可謂對于環(huán)境保護(hù)做出了巨大的貢獻(xiàn)。

       2.2   熱泵的節(jié)能作用

       根據(jù)熱力學(xué)第一定律以及熱泵自身的運行特點，可以發(fā)現(xiàn)，熱泵是從外界吸收一部分有用的能量E，同時再從低溫?zé)嵩次漳芰縌_c（以汽化潛熱或凝結(jié)熱的形式），然后將二者一起輸送至高溫?zé)嵩础＜俣ǜ邷責(zé)嵩传@得的能量為Q_h，則有：

       熱泵的能量傳遞過程示意圖詳見圖4。

圖4   熱泵的能量傳遞過程示意圖

       性能系數(shù)COP是指輸出能量與輸入的有用能量之比，則有：

       一般的壓縮式熱泵，性能系數(shù)值都大于1，其數(shù)值范圍普遍為2到5，理論值甚至可以達(dá)到8以上。也就是說，輸入一份有用能，可以得到2到5倍甚至更高的熱能輸出。由此可見，熱泵的節(jié)能效果十分明顯。例如，電動熱泵用于暖通空調(diào)，在向用戶供應(yīng)相同熱量情況下，與燃油鍋爐比可以節(jié)省40％左右的燃燒，節(jié)能效果顯著。^[2]

       2.3   從供暖和制冷效果上看熱泵技術(shù)的先進(jìn)性

       正如論述開頭提到的水源熱泵及其示意圖（如圖1），目前的熱泵冷熱水機(jī)組往往可以通過四通換向閥的切換，實現(xiàn)一機(jī)多用，既可用于制冷，也可用于供熱。當(dāng)前世界環(huán)保和節(jié)能形勢的嚴(yán)峻性，也使得對于新型環(huán)保高效的熱泵工質(zhì)的研究進(jìn)入了一個重要階段。環(huán)保高效的熱泵工質(zhì)蒸發(fā)潛熱將非常大，單位容積制冷量相當(dāng)高，并且具有良好的輸運和傳熱特性。由此可見，熱泵的供熱和制冷效果也會有一個明顯的提升。^[3]

       3   熱泵技術(shù)與太陽能的結(jié)合

       在我國許多光照比較充足的地方，利用太陽能進(jìn)行供熱的方法已經(jīng)十分普遍。不過，太陽能資源的利用也存在著一個很大的問題，那就是受天氣和氣溫等因素的影響，太陽能供熱系統(tǒng)并不能保證全天都穩(wěn)定運行，并且無多建筑屋頂?shù)目臻g并不充足。而通過采用熱泵熱水機(jī)組作為太陽能熱水器的輔助熱源，可以最大程度的解決這個問題。這是由于熱泵熱水機(jī)組的節(jié)能效果顯著，占地面積小。而且在當(dāng)今國家建設(shè)部和整個太陽能行業(yè)提倡太陽能與建筑結(jié)合,不允許不規(guī)范安裝的太陽熱水器破壞城市景觀的情況下，熱泵技術(shù)與太陽能利用相結(jié)合無疑是最好的選擇。這種結(jié)合既可以在充分利用太陽能資源的基礎(chǔ)上，達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的效果，而且其對于環(huán)境的適應(yīng)力好，也具有很大的開發(fā)空間。^[4]

       4   熱泵技術(shù)在工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

       隨著熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展，其在工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展中也開始起到一定的作用。首先，熱泵在運行過程中能夠有效地回收熱濕空氣中的低品位熱能，并除去熱濕空氣中的部分水蒸氣，由此可見，熱泵可以在一定程度上起到干燥設(shè)備的作用，它的干燥效果甚至可以在傳統(tǒng)干燥方式的基礎(chǔ)上有一定的提高。現(xiàn)在很多木材廠便采用電驅(qū)動高效熱泵干燥機(jī)來達(dá)到工廠節(jié)能的目的。不僅是木材，許多谷物，果蔬的干燥都應(yīng)用了熱泵技術(shù)。除此之外，也有許多石化廠采用蒸汽噴射式熱泵，用于回收生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱，具有不錯的經(jīng)濟(jì)效益。^[5]

       5   結(jié)語

       熱泵技術(shù)的發(fā)展，對于整個世界的進(jìn)步，人類生活水平的提高，都起到了不可忽視的作用。不管是在工業(yè)上，農(nóng)業(yè)上，還是在與我們生活最密不可分的建筑物上。雖然熱泵還存在著性能系數(shù)COP受氣候影響大，機(jī)組造價高，壽命還不夠長等制約其發(fā)展的因素，但是這種技術(shù)還是存在著很大的發(fā)展?jié)摿Φ摹?/p>

參考文獻(xiàn)

       [1] 李德英，供熱工程[M],中國建筑工業(yè)出版社，2004.

       [2] 賀益英，生態(tài)環(huán)境保護(hù)與熱泵技術(shù)[A]，“水電開發(fā)與綠色未來”首屆新華論壇[C]，2003.

       [3] 彭金梅，羅會龍，崔國民，李超，劉顯瑞，熱泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展動向[J]，昆明理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012(5).

       [4] 范亞云,夏朝鳳,李軍凱,韋小巋,宋洪川，熱泵技術(shù)在太陽能利用中的實驗研究[J]，太陽能學(xué)報，2002(5).

       [5] 李先瑞，郎四維，熱泵的現(xiàn)狀與展望[J]，北京節(jié)能，1994(4).

備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2017年2月刊總第2期。
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