暖通空调领域新能源热泵技术应用研究

陈颖+徐玉党+江娟+李芳芳

摘 要 热泵技术是一种经济有效的节能技术，利用地热能、空气能、太阳能和污水能等新能源对建筑物进行制冷供热，能够降低暖通空调的能耗，对于节能环保具有显著效果。本文通过对新能源热泵技术的工作原理及在暖通空调领域的应用进行简单介绍，然后对各种新能源热泵技术的特点进行分析，最后探讨了各种新能源热泵技术目前存在的技术难点，希望给相关人士提供一定的借鉴。

关键词 热泵技术 地热能 太阳能 空气能 污水能

中图分类号：TU831 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.09.023

Abstract Heat pump technology is a kind of economic and effective energy-saving technology， use of geothermal energy， air， solar energy and sewage can new energy to buildings for heating and cooling， and can reduce the energy consumption of HVAC， for energy conservation and environmental protection has significant effect. In this paper， by application on the and the working principle of the new energy heat pump technology in the field of heating， ventilation and air conditioning are introduced in this paper， and then analyzed the characteristics of all kinds of new energy heat pump technology， and discusses the technical difficulties existing in all kinds of new energy heat pump technology， hoping to provide some reference to the relevant people.

Key words heat pump technology； geothermal energy； solar energy； air energy； sewage energy

当今社会人们对于舒适度的要求不断提高，在建筑项目中暖通空调的应用与居住环境的舒适度密切相关，而暖通空调所用能源占建筑总能耗的70%。寻找资源丰富并且对环境友好型的新能源，采取更加节能的技术加以利用是降低暖通空调能耗及建筑总能耗的有效途径。

热泵是一种利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移热量和冷量的装置，其实质是一种能量提升装置，它通过消耗小部分能量（电能或热能）将低温热源中的热能转移到高温热源，是一种有效的节能新技术。热泵按照利用的热源类型不同可分为地源热泵、空气源热泵、太阳能热泵、污水源热泵和双源热泵等。本文就新能源热泵技术在暖通空调领域利应用及发展态势展开研究。

1 地源热泵

1.1 地源热泵的工作原理

根据国家地源热泵系统工程技术规范规定：地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统及建筑物内系统组成的供热空调系统。国外上世纪60年代就已提出，并且快速商品化应用到商场、住宅及学校等场所。我国地源热泵起源于从上世纪90年代至今已有20多年的历史，经过国内众多学者的共同研究也已取得较大的进步。①地源热泵系统既能制冷又能供热，一套系统取代了空调和锅炉两个系统，同时还可以提供生活热水。地源热泵在运行过程中通过输入少量的高品位能达到将低温环境中的热能转移到高温环境中的目的，实现为建筑制冷供热的目标，大大降低了暖通空调的能耗，提高了能源利用率。

冬季供暖，压缩机对冷媒做功使其进行气-液转换的循环。地埋管中水路循环吸收岩土体、地下水或地表水的热量通过冷凝器中冷媒的蒸发转移到冷媒中，通过冷媒循环在蒸发器内冷凝产生的热量，该热量被风机盘管吸收送到室内为房间供暖。

夏季制冷，压缩机对冷媒做功并且调节阀门改变冷媒流向。通过蒸发器内冷媒的蒸发通过风机盘管将室内房间中的热量转移到冷媒中，冷媒循环到冷凝器内冷凝将热量转移到地埋管水路循环中，由水路循环将该热量释放到岩土体、地下水或地表水中。

1.2 地源热泵的特点

地源热泵具有清洁环保、节能高效的特性。地源热泵空调系统与传统电能取暖相比电能消耗降低70%，在运行过程中既不消耗水源，也不会向水源、空气中排放污染物质。地源热泵机组零部件小、结构紧凑，节省建筑空间。地源热泵系统较为简单，运行安全可靠性高，维护成本低，使用寿命长。

地源热泵技术清洁环保、经济可行性高，得到了政府部门的大力支持和引导。2003年被政府部门作为建筑行业节能环保技术的重大成果大力推广；2006年《中华人民共和国可再生能源法》将地热能的开发与利用列入新能源鼓励发展范围；2010年《关于加快推行合同能源管理促进节能服务产业发展意见的通知》解决了地源热泵系统初期投资大的难题；2012年《可再生能源发展“十二五”规划》明确了地热能规划的发展目标。国家和地方颁布的一系列政策法规都为地源热泵技术的推广提供的良好的发展环境。②

1.3 地源热泵系统现状

在长期研究使用过程中也发现了地源热泵的许多不足之处。地质条件限制，对于使用地下水源热泵的项目在进行方案设计前必须了解当地有关水资源使用的政策法规，对当地的地质环境进行勘测确保大量开采地下水不会引起地面裂缝、沉降或塌陷等问题。必须采取安全可靠的地下水回灌措施，保证不会对地下水源造成污染和浪费。③初投资大回收期长，地源热泵系统由于施工工艺限制打井得到达一定的深度才能得到常年恒定的环境温度，初投资相对空气源热泵、太阳能热泵而言较高，因此需要政府的大力支持与推广。

2 空气源热泵

2.1 空气源热泵发展现状及特点

热泵的设计最早于19世纪50年代由英国科学家开尔文提出，直到1917年第一台工业用热泵在德国被制造出来，1927年第一台家用空气源热泵由苏格兰制造并投入使用。我国空气源热泵技术最早于上世纪50年代由天津大学吕灿仁教授提出，并于1965年成功研制出第一台国产水冷式热泵空调机组。空气源热泵是利用电能驱动压缩机通过冷媒循环，获取环境空气中能量的设备。

空气能是取之不尽用之不竭的可再生能源，空气源热泵正是采用这种可再生能源辅以清洁的电能进行能量提升的节能设备。相对于地源热泵、太阳能热泵和污水热泵，空气源热泵适用区域更为广阔，除了气候条件的限制外几乎不受其他任何限制。空气源热泵空调节能效果显著，通过输入少量的电能可以得到3～4倍的热能，④系统安装维护简单，运行费用低。据空气源热泵采暖系统冬季运行费用数据显示：在严寒地区比燃气壁挂炉节省15%，比电采暖节省60%；在寒冷地区比燃气壁挂炉节省50%，比电采暖节省70%；在夏热冬冷地区比燃气壁挂炉节省41%，比电采暖节省24%。在运行过程中，空气源热泵空调系统对于环境的污染物排放也极低，实现了节能环保的目标。

随着新型建筑保温材料的发明和空气源热泵技术的不断完善，空气源热泵空调系统凭借其节能、环保、安全和美观等优点快速商品化，逐步应用于商场、酒店、大型车站、综合医院等集中供暖制冷的场所。

2.2 空气源热泵存在的问题

空气源热泵低温适应性差，普遍存在的问题有：（1）热泵的热输出功率远低于热负荷需求；（2）低温环境下压缩机运行容易过热导致停机，需要电加热辅助；（3）低温环境下的COP值偏低等。⑤需要攻克的技术难点有：（1）减少室外机的霜冻现象和缩短化霜时间；（2）压缩机实现多级压缩和变频运行；（3）与其它热泵耦合使用等。

3 太阳能热泵

3.1 太阳能热泵采暖

太阳能热泵系统是将太阳能利用技术和热泵技术有机组合的复合型技术，其采暖系统由太阳能集热系统（包括：太阳能集热器、水泵和蓄热水箱等）和热泵系统（包括：压缩机、换热器、节流阀、散热器等）组成。太阳能热泵采暖系统突出的优点就是通过极少量的电能获得数倍于电能的热量，能够有效利用低温热源。与地源热泵、空气源热泵耦合使用能够有效克服太阳能的分散性和间歇性等问题的不足。⑥

3.2 太阳能热泵制冷

太阳能热泵制冷系统与采暖系统相比增加了热交换器、储冷水箱及制冷末端等设备，其工作原理是利用制冷剂在压缩机的作用下蒸发吸收储冷水箱的热量降低其温度，储冷水箱通过热交换器降低管道中空气或水等介质的温度，通过管道将冷量送至制冷末端设备达到降低室内温度的目的。

3.3 太阳能热泵技术发展现状

太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源，现在已经被广泛应用到各个领域，通过热泵技术利用太阳能是解决当前能源危机的一种重要途径。太阳能热泵在进一步发展中还需要克服太阳能分散性、不稳定性强，项目初投资费用高，各个生产厂家标准不统一等问题。

4 污水源热泵的工作原理及特点

污水源热泵技术从城镇化建设发展中应运而生，成为一种“新能源”利用技术。城市污水全年温度变化小，相对江河水温度稳定，具有良好的热能特征。污水源热泵是以城市污水为冷热源，利用热泵原理提升能量为建筑物制冷供热的节能设备。在一定程度上缓解了当前能源与环境的紧张形势。

污水源热泵能够有效回收城市污水的废热，利用热泵技术既可以制冷又可以供暖，省去了锅炉系统和冷却塔等设备。运行过程中不向环境排放任何废水、废渣和废气，节能环保效果显著。目前污水源热泵技术的应用还有许多技术问题亟待解决，如污水水质处理、污水堵塞及换热器污染结垢等。

5 总结

热泵技术作为一种高效的节能技术对清洁环保的地热能、空气能、太阳能和污水能等新能源加以利用为建筑物制冷供热，起到了降低暖通空调的能耗和建筑总能耗的作用，实现了提高能源的利用率，节能环保的双重目标。尽管新能源热泵技术在暖通空调领域的应用发展仍有诸多技术障碍，随着技术的不断创新、工艺的不断优化，新能源热泵技术将会有巨大的发展潜力。

注释

①③胡平放，黄峙，孙心明，等.地源热泵技术研究与应用发展状况[J].制冷与空调，2014.12：104-109.

② 方菲菲.我国地源热泵技术发展现状及用对策略[J].山西建筑，2015.41（1）：189-190.

④ 付冰，刘亮.空气源热泵热水机组节能分析[J].节能与环保，2008.9：29-31.

⑤ 张行星，赵旭东，谭军毅，马世歌.欧洲低温空气源热泵技术发展现状[J].暖通空调，2015.45（7）：48-51.

⑥ 王侃宏，毕文峰，太阳能辅助加热土壤源热泵系统理论分析[J].河北建筑科技学院学报，2012（5）：110-114.