热泵系统在集中供热中的应用

赵 阳

(太原市热力集团有限责任公司，山西 太原 030001)

0 引言

基于气候条件的特点，供热成为了我国北方地区居民正常生活不可缺少的条件。我国从20世纪50年代开始采用城市集中供热，如今集中供热已经从城市发展到了中小城镇。与此同时，集中供热消耗的能源也不断增加，我国目前集中供热消耗的能源绝大部分都是不可再生的化石能源，利用热泵技术使集中供热更多的利用可再生新能源具有重要意义。

1 热泵概述

1.1 热泵

热泵是近些年发展起来的一种新能源技术，其能从自然界的水、空气或土壤中获取低位热能，然后借助电能做功，可以为用户提供高位热能的一种装置。

1.2 热泵工作原理

热泵主要是由热交换器、压缩机、保温水箱、轴流风扇、过滤器、水泵、储液罐、电子自动控制器和电子膨胀阀等组成。电源接通后，轴流风扇开始工作，此时通过蒸发器可以与室外空气进行热交换，并把空气温度降低后被送至风扇排出系统。同时，蒸发器内部的工质吸热汽化后将会被吸入压缩机，将低压工质气体压缩成高压、高温气体送入冷凝器，被水泵强制循环的水也能够借助冷凝器来进行加热后送至用户以供使用，而工质则继续被冷却成液体，该液体通过膨胀阀节流降温后可以继续流入蒸发器循环使用，这就是热泵的工作原理。

2 吸收式换热机组在供热中的应用

吸收式换热机组主要是由发生器、吸收器、热交换器、冷凝器、蒸发器、冷剂泵、溶液泵、自动抽气装置、节流装置及附属装置组成。其运行过程中主要是采用溴化锂吸收技术，并且在供热领域得到了广泛的应用。吸收式换热机组主要是借助热能(甚至废热)来进行制冷，而自然界的天然物质就是制冷工质，从而可以达到节电环保的要求。结合城市供热的实际情况来把溴化锂吸收式制冷循环所需要的参数调节为适合采暖的要求，就能够在城市供暖换热站中取代传统板式换热器，其不仅可以有效提高换热站换热能力，提高供热效果，而且还可以解决集中供暖问题，确保民生。

3 利用热泵实现冷热联供在集中供热中的应用

目前我国的热力行业存在的主要问题就是热源结构单一、能源供应紧张，以及供热缺口不断增大，如何解决这些问题成为了热力集团关注的重点。热泵系统兼具制冷、制热的作用，在集中供热中应用热泵系统可实现冷热联供，将多余的热量传输到有需要的地方，从而使能源利用率得到提高，实现节能减排，促进供热事业的建设发展。

热泵系统的工作原理是逆卡诺循环，制冷系统的工作原理与此相同，但这两者的使用目的并不相同。制冷设备的使用目的是降低环境温度，热泵的使用目的是提高环境温度，这两种目的的实现方式分别是吸热、放热。热泵的工作范围是环境温度与被加热物体温度，而制冷设备的工作范围则是环境温度与被冷却物体温度。从低温区到高温区之间的热量传递是非自动性的，驱动热泵可实现这一热量传递过程。由热力学第一定律可知，将低温区的热量转移到高温区后，可得到热泵驱动能量和低温能量的总和能量。一般情况，热泵热力经济性的主要分析参数就是总和能量与驱动能量的比值，即COP，制热时称为COPh，制冷时称为COPc。COPc=Qc/P，COPh=(Qc+P)/P=COPc+1，或是COPh=Qh/P。分析这几个公式可知，基于热泵原理的制冷、制热可建立联系，实现冷热联供。

以某酒店为例，该酒店原本的冬季制暖、生活用水用热由市政换热站提供，夏季制冷由制冷站提供，换热站具有一套生活热水系统和一套采暖系统，制冷站具有一个制冷系统，采暖设备与制冷设备之间是相互独立的。这意味着该酒店夏季制冷系统将室内热量单纯排放到室外，浪费了能源，而没有将其用于生活热水的供热。利用热泵可将有价值的余热进行回收，再次利用。可供选择的方案有以下两种：第一种，夏季利用热泵系统满足酒店内制冷及生活热水需求，冬季收集集中供热管网回水管道余热满足制暖、生活热水需求。第二种，夏季将制冷系统中冷却水中热量用于生活热水的制备，冬季将一次管网的回水温度用于供暖和生活热水制备。经过相关参数的计算可得出，这两种方案中方案二更具价值。

4 污水源热泵在集中供热中的应用

生活污水余热是一项重要的资源，目前太原最主要的余热资源就是生活污水余热，如果能善加利用，生活污水余热也能创造出巨大的价值。将城市热网与污水余热资源相结合，通过热泵回收生活污水中的余热用于热网回水的加热，变废为宝，可显著提高污水余热资源的利用率，优化集中供热能源消耗结构，增加集中供热中可再生能源的比例，减少集中供热对不可再生能源的消耗，实现节能减排，减小集中供热对环境造成的污染。将热泵与城市供热管网相结合，建立高效、科学的污水源余热回收系统具有以下几方面的优势：

首先，城市供热管网能很好的满足用热需求。如北京市的热力集团的单一热力公司供热管网是全世界最大的，提供了北京的建筑采暖及全年生活热水所需热量。其次，结合城市供热管网可扩大污水源热泵规模，优化效益，促进污水余热回收项目的建设。将污水源热泵应用到城市供热管网中，可显著扩大项目规模，提升项目价值。再次，延长污水源热泵年利用时长，充分发挥设备价值。与城市供热管网结合后，污水源热泵在夏季回收的余热也能得到充分的回收利用，提高污水源热泵的设备使用率。

污水源热泵是一种有效的回收余热方式，目前的污水源热泵利用方式分为直接利用和间接利用两种。直接利用即让污水直接进入热泵系统内换热而后将冷热能传至室内，间接利用则在污水经污水换热器换热后让热泵将冷热能传至室内。直接换热对换热面积和换热池容积的要求较高，需要的投资高，且运行效果差，维护成本高。相比之下，间接利用方式在初投资、运维成本、风险性都具有明显的优势。

5 地岩热泵在集中供热中的应用

除污水源余热外，地热资源丰富的地区还可使用地岩热泵解决供热问题。地热是一种新型的可再生能源，能在一定程度上替代不可再生的化石能源为经济发展建设提供能量。一直以来，包括现在，人们都对常规化石能源具有很强的依赖性，这些化石能源是不可再生的，越用越少，终将枯竭，还会污染自然环境。地球中蕴含的丰富的地热资源将是现代社会发展亟需的新型能源，具有可再生性、稳定性、可靠性的优点。为此，地热能将是煤炭等化石能源的最佳替代品，在将来可能会成为主要能源。

在浅层地热的利用中，土壤性能会对其产生较大的影响，同时其利用对施工要求和场地要求较高，但在国内仍然得到了较为广泛的应用。笔者将要着重介绍的是中深层地热应用技术。我国的工程院副院长提出了“取热不取水”的中深层地热利用新方式，即无干扰地热技术。向地下一定深度岩层打孔，孔中设置特殊的换热设备，将地热能提取输送到地面，然后利用热泵系统将地热能提供给建筑所需用热。无干扰地热利用技术的优点是无污染，免受地面气候的影响，保护地下水资源，能清洁、高效、持续地利用地热能。

6 结语

在集中供热中应用热泵系统能促进对可再生绿色能源的应用，促进集中供热的改进，减少集中供热造成的环境污染，实现可持续发展。热泵技术的不断创新和进步，供热技术的日趋完善，环保理念的深入人心，将使得更多技术和理念的应用成为现实。