热泵技术的应用

设计节能建筑的空调系统，如何减少一次高品位能的利用是一个很关键的技术问题。如果能利用各种在土壤、太阳能、水、空气、工业废热中蕴藏着无穷无尽的低品位热能无疑是一种成功的节能措施，热泵技术正是现阶段实现这个目标的最佳选择。其可以通过输入较少的高品位能源把广泛存在于大自然的绿色低品位的热能提高到可以在建筑用能的温度（如采暖、生活热水）。 根据热泵系统的热力循环型式，通常将热泵分为蒸汽压缩式热泵、气体压缩式热泵、蒸汽喷射式热泵、吸收式热泵、热电式热泵。其中，蒸汽压缩式热泵是在目前研究和使用最为普遍的方式，按照其使用的低温热源的种类，基本都属于空气源热泵、地源热泵、水源热泵和太阳能热泵四种类型： 1. 空气源热泵： 将室外的空气作为低位热能，获取方便，设备基本上都是使用一个气-液换热器与热泵机组耦合，几乎不会对环境造成影响。因此该系统具有系统组成简单、年运行时间长、初始投资较低、技术比较成熟的优点，在地方气候条件适宜，特别是冬季气候较温和的地区，是一种性价比出色的节能方法。但该系统的缺点也是很突出的，室外空气随季节的变化不断变化，温度、湿度的对热源的影响明显，热泵的年效率不稳定。在湿度较大的或者冬季天气寒冷的地区，其制热量的变化与建筑热负荷的需求趋势正好相反，温度低、湿度大会使热泵效率会大大降低，甚至无法工作。由于除霜技术尚不完善，虽然很多的产品都宣传可以正常工作在零下20度甚至更低的温度，但在实际工程应用中，常常是耗费大量的电热能源的情况下才能达到理想效果，这与节能的目的是相违背的。因此在寒冷及高湿度地区，热泵蒸发器的结霜问题已成为节能中很大的技术障碍。 2. 地源热泵： 利用地表浅层中蓄存的低品位热能（土壤、地层、地下水）作为热源，冬季热泵从浅层的土壤中取热，用于建筑供暖，同时蓄存冷量以备夏用；夏季热泵逆向运行，将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量以备冬用，因此这是一种典型的可以再生的能源。现在，对这种地表浅层中蓄存的低品位热能的利用技术已经比较成熟。地表5m以下温度一年四季相对稳定，夏季比环境空气低，冬季比环境空气高，热容量大，变化幅度比较小，既能保持热泵高效、稳定运行，又可利用岩土的天然蓄能能力，且对周围环境影响较小，维护费用。但是，大地土壤的温度较低，地下埋管内的载能流体与管外的土壤之间的换热系数小，能流密度很低，为了获取足够的热量，就需要的地下换热器的表面积足够大，就需要有足够的地下埋管换热器，因此将占据较大的地下和地上空间，初始投资是比较大的。 3.水源热泵： 水源热泵与地源热泵相似，但是以低温水作为低温热源，可高效地利用量大面广的地下水、地表水、电厂冷却循环水及工业废水、污水等作为低位热源，热泵COP一般可达到4~5，节能效果十分明显。根据其热源的温度的情况可以实现一机多用，满足供暖、空调及生活热水的需要，波动范围也要远小于空气温度的变化的，因此其系统的全年运行不仅性能稳定、工作可靠、运行费用低。但是，水源热泵也有其致命的弱点，它要受到可利用的水源条件、水层的地质结构、水资源使用政策以及能源结构和价格等因素的限制。使用电厂冷却循环水及工业废水、污水等作为低位热源，应用的局限性较大；使用地下水，由于水资源已经是一种日益紧缺的资源，因此在应用之前必须做详细的水文地质调查和技术经济性能分析。而且由于会造成水资源的浪费，为避免地下水的严重流失，通常还要求采用地下水回灌技术，同时保证地下水不受污染，这在目前仍然是一个难题；利用地表水，可以在靠近江、河、湖、海等大体积自然水体的地方比较经济的实现，但其缺点和空气源热泵类似，受到自然条件的限制，热泵的换热可能会对水体中生态环境产生无法预计的影响，而且环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。此外，不同面积、深度和温度的地表水单位体积能够承担的冷、热负荷需要根据具体情况进行计算。 4. 太阳能热泵： 太阳能热泵不同于普通的太阳能直接供热系统，也不同于以太阳能光电或热能发电驱动的热泵机组，而是利用太阳能集热器作为蒸发器热源的耦合热泵系统。能源清洁、安全，几乎不会对环境产生环境污染。传热设备可以采用廉价的低温集热器，集热成本非常低。但是太阳能对于整个地球来说全年是非常稳定的，但我们可利用的部分本身并不具有稳定的特点，其能流密度低、供能不连续性，这就需要采用较大的集热和蓄能装置，并且需要配备相应的辅助热源，其较大面积的集热器占有了较大的空间，造成系统初投资较高。 综上，可见这些类型的热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少空调用能中高品位能源的消耗，但是各有其利弊，设计者应根据所设计建筑的地域特点和具体的设计情况及甲方要求进行灵活的选用。在合适的地方，也可以采用多种热泵耦合的方式提高效率和性价比。