基于可再生能源的热泵空调技术

基于可再生能源的热泵空调技术唐娟李夔宁（重庆大学重庆400030）摘要：本文介绍了热泵的研究发展现状，分析了可再生能源热泵（地表水/地下水水源热泵、污水源热泵、太阳能热泵）、空气源热泵的特点，从而提出热泵技术的发展方向及应用前景。关键词：可再生能源热泵发展方向应用前景TheTechnologyofHeatPumpAir-conditionBasedonRenewableEnergyTangJuanLiKuining(ChongqingUniversity,Chongqing,400030)Abstract：Thispaperdescribesthepresentstatusofdevelopmentandresearchofheatpump，analysesthecharacteristicoftherenewableenergyheatpump(Surfacewaterheatpump、Undergroundwaterheatpump、Sewagesourceheatpump、Solarenergyheatpump)、Airsourceheatpump，andputsforwardthedevelopmentorientationandtheapplicationprospects.Keyword：Renewableenergyheatpump；Developmentorientation；Applicationprospect1引言随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。同时由于世界能源消费量的急剧增加和地球环境的日益恶化，以及人们对环境保护和能源有效利用的认识的提高，节能和环保已成为空调发展的首要研究问题，而利用清洁、可再生能源及提高能源的利用率是降低能耗的根本途径。由于热泵既可以夏季供冷又可以冬季供热，且满足了节约能源和保护生态环境的要求，因而近年来在暖通空调中的应用日益增多。2热泵的研究及发展现状热泵技术的发展经历了一个多世纪。1824年，卡诺循环的提出，奠定了热泵研究的理论基础。1852年，被称为“热量倍增器”的热泵系统由英国的汤姆逊首先提出[1]。热泵技术在欧洲、美国、日本的研究和应用较早，而我国的热泵研究工作始于20世纪50年代，主要用于建筑市场和工业生产过程，到80年代以后才有了很大的发展。目前，国内外的热泵发展基本可分为三个方向：通过提供热水进行供暖的浅层地源热泵，以中、北欧为代表；既可以制冷又可以供暖的地源热泵，以美国为代表；既可以制冷又可以供暖的空气源热泵，以日本为代表。近几年来，我国的热泵发展很快，只是地源热泵的安装使用就以每年10%的速度稳步增长。在应用方面，我国的热泵主要是在热水系统、冷热双效空调产品、蒸发冷缩、干燥去湿等方面的应用，且已经取得了一定的成功[2]。3常用热泵技术简介热泵分类有多种，按热源来分有：空气源热泵、地热源热泵、太阳能热泵、余热源热泵、混合源热泵等[3]。3.1空气源热泵空气取之不尽，用之不竭，处处都有，且无偿使用。空气源热泵装置节约占用的建筑面积，节省了建机房的投资；免去了冷却水塔、冷却水泵及连接的管道系统；且使用方便，得到了广泛的使用。但实际使用空气源时又存在着以下缺点：(1)室外空气放热系数低，空气状态参数对热泵制热力影响较大，其性能在很大程度上依赖于气候条件。(2)蒸发器易结霜，在寒冷地区（零度以下），室外相对湿度较高的时候，蒸发器的传热热阻和空气流动阻力增大，导致蒸发器吸热量减少直至不能工作。（3）空气的热容量小，为获得足够的热量必须加大风量或增加温降，但前者使风机容量增加，噪声增大；后者导致蒸发温度降低，使热泵制热能力下降。（4）制热量的变化与建筑热负荷的需求趋势正好相反，而且在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵效率会大大降低，甚至无法工作[4][5]。3.2地热源热泵在建设部下发的《住宅产业现代化试点技术发展重点》中称土壤—水热泵、地能热泵、土壤热泵、水源热泵、地热水源热泵、地下水源热泵等等为地热源热泵。事实上，地热源指的应是地下浅层地热源，包括土壤、水体等。从这个角度出发，地热源热泵可进一步划分为土壤源热泵和水源热泵，而可作为热源的水有地表水、地下水、生活污水、工业污水等。3.2.1土壤源热泵土壤（地）源热泵是以土壤为冷、热源的热泵技术。大地表层温度一般在15~20℃左右，全年地温波动小，因此可降低夏季制冷、冬季供暖的能耗，并且地源热泵不占用地面，节省建筑空间，地下埋管换热器不需要除霜，土壤还有蓄能作用，是一种节能、对环境无害的绿色设备。但在以后的研究与应用中应注意：（1）地下埋管换热器受到土壤性质的影响较大，且土壤性质随地域不同而差异较大，土壤的传热性能也不太理想。（2）由于冬夏负荷的不平衡性，土壤热泵的长期运行会导致热污染，使得土壤温度场分布不均匀，热泵效率降低。（3）土壤热泵的空调系统需要较大投资及较大的埋管占地面积，因此由于城市土地紧缺，地下埋管不足而限制其使用场合。（4）冬季土壤热泵不易吸取与补充，土壤会形成冻结，破坏地下结构。3.2.2地下水源热泵地下水源热泵是直接以地下水（深井水、泉水、地热尾水等）为热源/热汇的热泵系统。其地下水井深度一般小于等于400m，一年四季地下水水温比较恒定，一般12~24℃。地下水源热泵优点很多，在这里我们着重分析一下它在应用中的一些需要解决的问题：（1）地下水源热泵在不同地区的实用性，这实际到当地水文地质条件，包括水量、水质、水温等，以及不同气候带、不同建筑类型条件下，水源热泵的投资经济性[6]。（2）根据实际工程的地质情况需采用不同的人工回灌类型：地面渗水补给、诱导补给、注水补给，且在回灌中需严格控制回灌水质，以防止地下水水质污染。（3）难以保证深井水的100%回灌，导致地面沉降问题。（4）需解决深井回灌水源热泵系统中的钻井、回灌、保养、长期运行等方面的问题。2.2.3地表水源热泵利用江、河、湖、海等水资源作为冷热源的地表水源热泵也是水源热泵的一种，其运行没有任何污染，可建造在居民区内，不用远距离输送热量环境效益显著。如果建筑物附近又可利用的海、湖、水池及人工湖等，地表水源热泵系统可能是最有节能优点，而又最经济的空调系统。但地表水温受天气的影响较大，运行性能不太稳定，换热器易结垢[7][8]。3.2.4污水水源热泵污水源热泵系统利用污水中的能量，以污水作为热能/热汇。按其使用无水的处理状态可分为以未处理国的污水作为热源/热汇和以二级出水作为热源/热汇的污水热泵系统。目前，用得较多的是以二级出水为热源/热汇的污水水源热泵。由于能源危机和环境问题的日益突出，美国、日本、德国及北欧一些发达国家纷纷投入大量的财力和人力进行对污水水源热泵系统的研究，并且取得了一定的成果，而我国城市污水热泵技术的推广应用还刚刚起步。由于城市污水排放量巨大，污水源十分丰富；受气温影响较小，冬暖夏凉，水温适宜；与井水源热泵相比既可省掉打井费用又不需要抽水与回灌所需的动力也可避免出现由于回灌不当而引发的地下水资源的破坏问题；有出较好的经济效益，其应用前景广阔。但污水水质的优劣是污水源热泵供暖系统成功与否的关键，因此要了解和掌握污水水质以判断是否可作为低温热源，同时其换热器应具有防堵塞、防腐蚀、防繁殖微生物等功能。目前，污水源热泵空调主要为城市污水处理厂及其周围的建筑进行空调，要为较远地区提供冷暖空调服务，还有很多的问题需要解决[9~11]。3.3太阳能热泵太阳能是一种无污染、无穷无尽的可再生清洁能源。太阳能热泵可以采用与建筑物作成一体的低温平板集热器，其效率较高，可以不设除霜装置。在应用和设计中我们应注意：（1）由于太阳能的能量密度低及其利用的间歇性和不可靠性问题。太阳能热泵的系统中，必须要有足够好足够大的、可在建筑中能实现的蓄热装置。（2）太阳能集热器的安装倾角，应满足冬季最冷月集热器表面上接收的入射太阳辐射量最大。（3）太阳能集热器必须具有良好的防冻性能，避免冬季冻损。（4）配置可靠的系统控制设施，以便在太阳能供热状态和辅助热源供热状态之间做灵活切换，保证系统正常运行。4热泵空调技术的发展方向及应用前景4.1热泵技术的发展方向热泵空调作为一种高效、节能、环保的技术，已引起了人们的高度重视，许多国家和研究机构都在积极进行研究开发，其发展方向表现在：（1）大力发展自然资源、自然冷能、可再生能源（水能、太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等）在热泵中的利用，并对其系统进行优化，已达到真正的环保、节能、高效。（2）建立区域性热泵空调供冷站。已经证明，区域性供冷/供热系统对节能较为有利。目前，欧洲许多国家已大规模的采用了区域供冷/供热系统。如瑞典利用自己的海水资源丰富，建立了大量的区域海水热泵空调供冷站[12~14]。（3）建立与热水系统相结合的热泵空调系统，为此以达到系统既可以进行空调同时也能为用户提供生活热水的功效。如太阳能空调热水系统，地热源空调热水系统等。（4）开发利用新的热源，如工业余热、城市再生水等。目前一些城市正在规划建设再生水工程，即将污水厂的二级出水经深度处理后，再用管道输送到市内，作为绿地、环卫、景观等用水。那么我可在输水管线的沿途中建立若干个热泵站，再生水经过热量利用后又可用水泵送回管线。（5）开发利用新制冷工质，目前已成功应用的制冷剂有低温输出使用的22R、12R；中温输出使用的11R、114R；高温输出时用的113R、123R等。为了提高制冷剂的化学稳定性和热泵循环的吸收效率，各国还研制了两种或多种工质的混合物及共沸和非共沸式制冷剂。如低工作压力下选134/32/125aR，高工作压力下选32/125R[15~17]。（6）建立与蓄能技术相结合的热泵空调系统。瑞典区域供冷系统中就利用了蓄水层的蓄冷，其主要是在春天将来自于海水的廉价冷量通过换热器储存在蓄水层中，在夏天的夜晚，当用户端的冷负荷需求降低的时候，也进行有限度的蓄冷以备白天出现冷负荷高峰的时候用。除此还有深部地层储能技术与水源热泵的联合，蓄冰技术与热泵技术的结合，哈尔滨工业大学的马最良教授等提出的土壤蓄冷与土壤耦合热泵技术的结合等等[18]。（7）采用热泵与蓄电池的结合，如我国正在研制的太阳电池热泵、燃料电池热泵等。（8）研究采用地热源能与太阳能、风能等多种形式的能源联合使用形式。如太阳能—土壤源热泵、空气—太阳能—电能复合热源热泵。（9）在系统设计中采用先进的自动控自技术，以合理利用资源、较少运行费用且达到更好的舒适性，如在热泵空调系统中采用变频技术。4.2应用前景4.2.1我国的能源政策热泵空调技术应用领域十分广泛，应用前景也十分光明。我国的能源政策和环境保护政策将是促进可再生能源热泵技术迅速发展的主要因素：（1）国家可指定一定阶段的可再生能源的具体发展目标和计划，在发展目标框架下，制定一系列优惠政策，并通过市场经济手段鼓励各界投资和利用可再生能源热泵技术。（2）进行价格激励，如通过固定价格、浮动价格、市场价格、绿色能源价格等价格型式促进热泵技术中对可再生能源的利用。（3）可通过财政补贴、税收优惠等经济激励措施，如利用可再生能源的进行税收优惠，而对非可再生能源实施强制性税收政策。（4）信贷护持，产品出口鼓励、研发扶持等也是有效的激励措施[19]。4.2.2热泵技术在我国的应用由于热泵可利用可再生能源，而我国资源丰富，地域辽阔，南北气候相差很大。人们可根据不同地区选折最佳方案。如我国长江流域地表水资源丰富，土壤也比较潮湿，土壤热传导系数相对比较大，因此可考虑采用地表水水源热泵空调系统或混合土壤耦合热泵空调系统；低温结霜区：如济南、北京、郑州、西安、兰州等和轻霜区：如成都、桂林、重庆等就可以考虑使用空气源热泵空调系统，重霜区：如长沙，就不宜使用空气源热泵空调系统，以及我国东北等寒冷地区基本也无法使用空气源热泵；而地下水资源相对较丰富的，可采用地下水水源热泵空调系统；我国太阳能资源比较丰富，全国约三分之二的地区日照时超过2000小时，尤其是大西北，如青海、甘肃、新疆、拉萨都可使用太阳能热泵；靠近沿海的可利用海水热泵空调系