论文部分内容阅读
摘要：热泵供暖技术因其节能、环保、高效等优点在我国得到了广泛应用。近年来，随着国家对北方地区清洁供暖的大力支持与政策推进，该技术的相关研究取得了一定进步。但其在实际应用中仍存在因环境条件限制导致系统制热能力不足，稳定性下降以及运行费用高等制约热泵产品推广应用的问题。本文系统总结了空气源热泵、地源热泵等热泵技术在供暖应用中的存在问题及解决方法，并根据最新研究进展，对我国热泵供暖技术的未来发展进行展望。
关键词：高温热泵技术;应用
引言
热泵有广义和狭义之分。广义热泵是指在某种动力驱动下，通过热力学逆循环连续地将热能从低温物体 （或介质）转移到高温物体 （或介质），并用以制冷或制热的装置，而狭义热泵仅是指以制冷系统中的放热量作为使用目的的装置。从广义热泵的含义上看，热泵包含了利用蒸发器侧的吸热量或（和）冷凝器侧的放热量的热力装置，即制冷与热泵装置，二者的热力学本质完全相同，因此，本文将常用的制冷空调热泵设备统称为“热泵”。我国是制冷、热泵产品的研发大国、生产大国和应用大国。随着北方地区煤改清洁能源等供暖政策推动，南方长江流域的采暖需求日益强烈，热泵成为制冷空调行业最热的产品之一。
1热泵产品分类
热泵有多种分类方式。其中，按容量大小可分为户用和类似用途型热泵、工商业用和类似用途类型热泵;按機组功能可分为单冷型、单热型和冷热回收型热泵;按压缩机类型可分为活塞式、离心式、螺杆式和涡旋式热泵等;按制冷循环驱动能源类型还可分为制冷剂蒸汽压缩循环式热泵和吸收式热泵等。尽管如此，但我国热泵标准主要是从热泵产品的热源侧介质和使用侧介质或用途等为依据进行分类、制定的。根据热源侧介质类型不同，热泵产品可以分为水源热泵和空气源热泵。而水源热泵又可根据水源的来源不同分为水环式、地下水式、地埋管式、地表水式、低品位热水源式等热泵类型;空气源热泵又根据适用气候类型不同，又可分为普通型、低环境温度型、超低环境温度型等;此外，综合了水源和空气源特性的热源塔热泵也被纳入了标准体系。 按照使用侧需求特性（介质和冷热量用途）不同，制冷热泵产品可以划分为冷 （热）水型和 冷（热）风型机组。冷（热）水型机组又可以分为空调机组、生活热水机组、工业流程用高温热水机组和多用途机组;冷（热）风机组采用制冷系统直接制取冷热风，但也可以细分为空调机组和工业流程用热风型机组。基于使用侧需求特性的热泵产品分类方法。根据热源侧和使用侧的各种分类组合，就可研发出各式各样、数十种热泵产品。但基本形式只有空气-空气热泵、空气-水热泵、水-水热泵、水-空气热泵4种，如果再将热源塔考虑为热源侧的取热设备，则还有热源塔-水型机组和热源塔-空气型机组两种类型。实际上，由于技术水平、经济性等限制，部分处于研发过程中的或产量较小热泵产品，并没有制定其相应产品标准，例如，超低环温空气源热泵。
2高温热泵在工业领域的应用
2.1海水淡化
解决淡水资源短缺的重要手段之一就是海水淡化，常用的方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法，但都以消耗大量的热能和电能为前提 （例如通过蒸馏还原水的技术成本较高、设备系统比较复杂和需要燃烧能源加热海水实现蒸馏等），会引起一系列的问题，例如： 能耗高、地球温室效应、环境污染等问题，因此，新的海水淡化技术必需能提高能源利用效率、降低海水淡化系统运行成本和污染小，而采用热泵海水淡化技术不但可以提高海水淡化系统能源利用效率，而且可以降低海水淡化系统运行成本 （按目前蒸馏法海水淡化的成本计算，每吨海水提取需要耗约 8 ～10 元人民币，采用热泵技术约为 4 ～ 5 元）。近年来我国的热泵海水淡化技术已经得到了技术突破，采用机械压缩式热泵海水淡化，可直接将海水加热到80℃以上，与现有膜法海水淡化技术相比，可一次节约能源约 40%，成本降低约 50%，而且不会造成环境污染，采用环保制冷剂更不会引起的地球温室效应。
2.2 污水源热泵
污水源热泵系统的热源温度全年较为稳定，COP 比传统空气源热泵高 40% ，运行费用仅为中央空调的 50%～60% ，且无需考虑打井、回灌及蒸发器结霜等问题，具有显著的经济性、节能性和环保性。系统根据原生污水是否进入换热器分为直接式与间接式。其中间接式系统技术较为成熟，应用广泛。在《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》中明确提出全面提升污水处理能力，积极推动再生水利用的要求，这为污水源热泵的广泛应用奠定了基础。但目前国内再生水实际利用率很低，再生水源热泵关键技术的研究尚未深入。目前污水源热泵系统存在的最主要的问题是堵塞、结垢和腐蚀，污水水质是影响系统性能的最关键的因素之一。工程中常用的两类系统为带前置过滤装置热泵系统和基于疏导式换热的热泵系统，这两种系统均存在相应的技术难点。采用流化床工艺去除污水源热泵系统中的软垢可能是一种有效途径。
目前解决管道阻塞问题通常采用过滤格栅、滤面水力连续再生装置、自动筛滤器、转筒式及转轮式防阻器等设备进行除污。目前国内应用最广、技术最成熟的是污水连续再生过滤装置 。国内污水换热器的以采用非金属沉浸式居多，材质主要为塑料管及各类复合材料。李成龙等研究了塑料换热器的污垢生长特性，发现污垢的生产存在明显的诱导期，但时间很短，很快达到稳定波动阶段。周晶晶研究了塑料换热器性能与污水温度、流量及浓度等参数之间的耦合关系。但塑料污水换热器的研究还停留在理论分析和试验研究阶段，目前国内还没有实际工程应用。再生水源热泵将污水经过处理，满足一定水质要求之后，以二级出水作为冷热源用于建筑物供暖，与污水源热泵相比，更具资源循环的现实意义。马东的模拟研究结果发现：再生水侧流速为 1.4m/s附近时，宽流道板式换热器换热性能最佳。常思远等的研究结果表明：Ca2+浓度上升会促进游离水含量及污垢总质量的上升，而苯扎氯铵对微生物污垢具有抑制作用。
2.3冰源热泵
中国建筑科学研究院的袁东立提出了冰源热泵技术。该系统利用过冷水制冰释热技术，把制冰过程的热传递和冰水相变两个环节从空间上分离，使低温水源在制冰装置中实现可控按比例结冰，解决了常规水源热泵机组在热水出水温度低于4 ℃无法运行和严寒地区浅层土壤源热泵无法应用的问题;通过冰源热泵系统与常规地源热泵系统有机搭配，混合运行，解决了地源热泵土壤换热器无法取热问题;利用冰源热泵系统冰水混合物分离技术，有效降低了低温水源的用量，实现了冬季利用室外近冰点低温水源进行冬季供暖和生活热水供应，节约了能源，在低温环境洁净供暖领域优势明显。
3 展望
热泵技术有效解决了我国大多数地区的供暖问题，推进了我国环保和节能减排事业的前进，具有广阔的发展前景。纵观国内外学者对热泵供暖技术的研究可以发现：热泵技术改进和性能提升受到了越来越多的关注。同时，如何提高热泵系统的实用性和经济性是当前热泵研究领域的重要内容之一。随着相关标准和规范政策的出台、系统关键参数的优化及气候适应性热泵技术的研发，将有助于提高热泵系统性能，促进产业革新与升级。因此，结合当今国内外热泵系统的研究现状和存在问题，对热泵技术未来的发展进行展望如下：1 ）对热泵供暖通用技术进行研究，在除霜、防堵、除污等技术上实现创新性突破，并对热泵产品进行规范化及优化设计，进一步研究利用软件产品线开发商用空调控制器。2 ）统筹规划与管理多种能源形式供暖技术方案，平衡热力供需，科学供热布局，在供热方案选择之前进行充分技术经济论证。3 ）致力开发新型热泵技术，如中深层地源热泵技术、柔性热泵技术，深入研究系统理论机理并进行系统优化设计，最大化其节能潜力，降低技术难度，提高经济性，使其易于推广。
结语
空气源热泵作为一种新型的节能产品，将燃气与空气完美结合，具有运行费用低、社会效益高、舒适环保、安全可靠的特点。燃气压缩式空气源热泵机组势必会在北方地区得到良好的推广与发展。
参考文献
[1]赵力.中高温地热热泵循环工质及系统智能调控的研究[D].天津：天津大学研究生院，2001，3.
[2]张雷，胡连营.中高温热泵工质应用的现状与选择[J].节能，2010，29（1）：66-68.
关键词：高温热泵技术;应用
引言
热泵有广义和狭义之分。广义热泵是指在某种动力驱动下，通过热力学逆循环连续地将热能从低温物体 （或介质）转移到高温物体 （或介质），并用以制冷或制热的装置，而狭义热泵仅是指以制冷系统中的放热量作为使用目的的装置。从广义热泵的含义上看，热泵包含了利用蒸发器侧的吸热量或（和）冷凝器侧的放热量的热力装置，即制冷与热泵装置，二者的热力学本质完全相同，因此，本文将常用的制冷空调热泵设备统称为“热泵”。我国是制冷、热泵产品的研发大国、生产大国和应用大国。随着北方地区煤改清洁能源等供暖政策推动，南方长江流域的采暖需求日益强烈，热泵成为制冷空调行业最热的产品之一。
1热泵产品分类
热泵有多种分类方式。其中，按容量大小可分为户用和类似用途型热泵、工商业用和类似用途类型热泵;按機组功能可分为单冷型、单热型和冷热回收型热泵;按压缩机类型可分为活塞式、离心式、螺杆式和涡旋式热泵等;按制冷循环驱动能源类型还可分为制冷剂蒸汽压缩循环式热泵和吸收式热泵等。尽管如此，但我国热泵标准主要是从热泵产品的热源侧介质和使用侧介质或用途等为依据进行分类、制定的。根据热源侧介质类型不同，热泵产品可以分为水源热泵和空气源热泵。而水源热泵又可根据水源的来源不同分为水环式、地下水式、地埋管式、地表水式、低品位热水源式等热泵类型;空气源热泵又根据适用气候类型不同，又可分为普通型、低环境温度型、超低环境温度型等;此外，综合了水源和空气源特性的热源塔热泵也被纳入了标准体系。 按照使用侧需求特性（介质和冷热量用途）不同，制冷热泵产品可以划分为冷 （热）水型和 冷（热）风型机组。冷（热）水型机组又可以分为空调机组、生活热水机组、工业流程用高温热水机组和多用途机组;冷（热）风机组采用制冷系统直接制取冷热风，但也可以细分为空调机组和工业流程用热风型机组。基于使用侧需求特性的热泵产品分类方法。根据热源侧和使用侧的各种分类组合，就可研发出各式各样、数十种热泵产品。但基本形式只有空气-空气热泵、空气-水热泵、水-水热泵、水-空气热泵4种，如果再将热源塔考虑为热源侧的取热设备，则还有热源塔-水型机组和热源塔-空气型机组两种类型。实际上，由于技术水平、经济性等限制，部分处于研发过程中的或产量较小热泵产品，并没有制定其相应产品标准，例如，超低环温空气源热泵。
2高温热泵在工业领域的应用
2.1海水淡化
解决淡水资源短缺的重要手段之一就是海水淡化，常用的方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法，但都以消耗大量的热能和电能为前提 （例如通过蒸馏还原水的技术成本较高、设备系统比较复杂和需要燃烧能源加热海水实现蒸馏等），会引起一系列的问题，例如： 能耗高、地球温室效应、环境污染等问题，因此，新的海水淡化技术必需能提高能源利用效率、降低海水淡化系统运行成本和污染小，而采用热泵海水淡化技术不但可以提高海水淡化系统能源利用效率，而且可以降低海水淡化系统运行成本 （按目前蒸馏法海水淡化的成本计算，每吨海水提取需要耗约 8 ～10 元人民币，采用热泵技术约为 4 ～ 5 元）。近年来我国的热泵海水淡化技术已经得到了技术突破，采用机械压缩式热泵海水淡化，可直接将海水加热到80℃以上，与现有膜法海水淡化技术相比，可一次节约能源约 40%，成本降低约 50%，而且不会造成环境污染，采用环保制冷剂更不会引起的地球温室效应。
2.2 污水源热泵
污水源热泵系统的热源温度全年较为稳定，COP 比传统空气源热泵高 40% ，运行费用仅为中央空调的 50%～60% ，且无需考虑打井、回灌及蒸发器结霜等问题，具有显著的经济性、节能性和环保性。系统根据原生污水是否进入换热器分为直接式与间接式。其中间接式系统技术较为成熟，应用广泛。在《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》中明确提出全面提升污水处理能力，积极推动再生水利用的要求，这为污水源热泵的广泛应用奠定了基础。但目前国内再生水实际利用率很低，再生水源热泵关键技术的研究尚未深入。目前污水源热泵系统存在的最主要的问题是堵塞、结垢和腐蚀，污水水质是影响系统性能的最关键的因素之一。工程中常用的两类系统为带前置过滤装置热泵系统和基于疏导式换热的热泵系统，这两种系统均存在相应的技术难点。采用流化床工艺去除污水源热泵系统中的软垢可能是一种有效途径。
目前解决管道阻塞问题通常采用过滤格栅、滤面水力连续再生装置、自动筛滤器、转筒式及转轮式防阻器等设备进行除污。目前国内应用最广、技术最成熟的是污水连续再生过滤装置 。国内污水换热器的以采用非金属沉浸式居多，材质主要为塑料管及各类复合材料。李成龙等研究了塑料换热器的污垢生长特性，发现污垢的生产存在明显的诱导期，但时间很短，很快达到稳定波动阶段。周晶晶研究了塑料换热器性能与污水温度、流量及浓度等参数之间的耦合关系。但塑料污水换热器的研究还停留在理论分析和试验研究阶段，目前国内还没有实际工程应用。再生水源热泵将污水经过处理，满足一定水质要求之后，以二级出水作为冷热源用于建筑物供暖，与污水源热泵相比，更具资源循环的现实意义。马东的模拟研究结果发现：再生水侧流速为 1.4m/s附近时，宽流道板式换热器换热性能最佳。常思远等的研究结果表明：Ca2+浓度上升会促进游离水含量及污垢总质量的上升，而苯扎氯铵对微生物污垢具有抑制作用。
2.3冰源热泵
中国建筑科学研究院的袁东立提出了冰源热泵技术。该系统利用过冷水制冰释热技术，把制冰过程的热传递和冰水相变两个环节从空间上分离，使低温水源在制冰装置中实现可控按比例结冰，解决了常规水源热泵机组在热水出水温度低于4 ℃无法运行和严寒地区浅层土壤源热泵无法应用的问题;通过冰源热泵系统与常规地源热泵系统有机搭配，混合运行，解决了地源热泵土壤换热器无法取热问题;利用冰源热泵系统冰水混合物分离技术，有效降低了低温水源的用量，实现了冬季利用室外近冰点低温水源进行冬季供暖和生活热水供应，节约了能源，在低温环境洁净供暖领域优势明显。
3 展望
热泵技术有效解决了我国大多数地区的供暖问题，推进了我国环保和节能减排事业的前进，具有广阔的发展前景。纵观国内外学者对热泵供暖技术的研究可以发现：热泵技术改进和性能提升受到了越来越多的关注。同时，如何提高热泵系统的实用性和经济性是当前热泵研究领域的重要内容之一。随着相关标准和规范政策的出台、系统关键参数的优化及气候适应性热泵技术的研发，将有助于提高热泵系统性能，促进产业革新与升级。因此，结合当今国内外热泵系统的研究现状和存在问题，对热泵技术未来的发展进行展望如下：1 ）对热泵供暖通用技术进行研究，在除霜、防堵、除污等技术上实现创新性突破，并对热泵产品进行规范化及优化设计，进一步研究利用软件产品线开发商用空调控制器。2 ）统筹规划与管理多种能源形式供暖技术方案，平衡热力供需，科学供热布局，在供热方案选择之前进行充分技术经济论证。3 ）致力开发新型热泵技术，如中深层地源热泵技术、柔性热泵技术，深入研究系统理论机理并进行系统优化设计，最大化其节能潜力，降低技术难度，提高经济性，使其易于推广。
结语
空气源热泵作为一种新型的节能产品，将燃气与空气完美结合，具有运行费用低、社会效益高、舒适环保、安全可靠的特点。燃气压缩式空气源热泵机组势必会在北方地区得到良好的推广与发展。
参考文献
[1]赵力.中高温地热热泵循环工质及系统智能调控的研究[D].天津：天津大学研究生院，2001，3.
[2]张雷，胡连营.中高温热泵工质应用的现状与选择[J].节能，2010，29（1）：66-68.