熱泵供熱系統

在當前能源供應趨緊、環境保護要求不斷提高的形勢下，人們在不斷地尋求既節能又環保的新能源，熱泵就是新能源的一種。由於熱泵能實現把低溫熱能輸送至高溫熱能的功能，可大量利用自然資源和餘熱資源中的熱量，有效地節約民用及工業所需的一次能源，它作為一種新的供熱技術不僅受到廣泛關注，而且已經迅速地被套用到實際工程中，並已取得了很好效果。

基本介紹

• 中文名：熱泵供熱系統
• 外文名：Heat pump heating system
• 出現時間：1852年
• 套用：民用及工業供熱
• 學科：熱力工程
• 優點：環保節能

熱泵供熱原理

熱泵的理論起源於19世紀早期卡諾的著作之中，1852年開始研製熱泵，本世紀20～30年代取得較快的發展，1943年世界上大型熱泵的數量已經很多。但在60年代，電熱器的低費用對人們吸引力增大，而熱泵則因其可靠性低和設備費用高而被停頓、拋棄。70年代，資本主義世界的能源危機使人們廣泛認識到礦物燃料的有限性，熱泵又以回收低溫廢熱，節約能源的特點，經改進後重返舞台。

熱泵從周圍環境吸取熱量，並把它傳遞給被加熱對象 (溫度較高物體)，其原理與制冷機相同，都是按熱機的逆循環工作，只是工作溫度範圍不同。熱泵的驅動能源包括燃料能和電能、熱能和機械能。由內燃機、燃氣輪機驅動，有明顯的節能效果。隨著核電站的發展，以單相、三相交流電驅動旋轉式壓縮機 (小型熱泵) 或離心式壓縮機 (大型熱泵)，將逐漸普及。也可用集中供熱工種中熱能，蒸汽輪機驅動等。

按熱泵的驅動方式，目前分為4種： 機械壓縮式，通過消耗機械能驅動壓縮機完成熱力循環達到熱能的轉移； 蒸氣噴射式，蒸氣在噴射器中消耗熱能並取低溫熱源熱量供熱; 吸收式，通過吸收器消耗熱能完成熱能轉移; 溫差電熱式，又稱為熱電勢泵或珀爾帖熱泵，是基於珀爾帖效應原理，pn結電偶消耗電能完成熱能轉移。熱泵可回收100℃以下的廢熱，是高效利用低溫熱能的節能設備，現已套用在採暖、空調、烘乾、除濕、乾燥等方面。壓縮式供熱系統(如圖)，

低沸點工質 (如氟利昂) 通過節流閥後在蒸發器中蒸發吸熱，經壓縮機提高溫度和壓力後送入冷凝器放熱，凝成液體的工質通過節流閥再進入蒸發器蒸發，如此不斷循環供熱。熱泵的低溫熱源通常是環境介質，如空氣、地下熱水和生產過程的廢氣、廢水、廢油等。衡量熱泵性能的主要技術指標是熱量變換係數為Q1/N，其中Q1是向高溫物體供熱的速率，N為壓縮機等消耗的功率。可以看出在供熱溫度較高而低溫熱源溫度較低的情況下，用熱泵供熱是不經濟的； 壓縮式熱泵也不宜於電力不足或電費較高的情況下使用。近年來正開發研製一種新型節能熱泵——化學熱泵，它是利用化學現象(如化學反應、吸附濃度差等)的熱泵，利用可逆熱化學反應向用戶供熱，是很有發展前途的節能型產品。

分類

熱泵技術就是在高位能的推動下，將熱量從低位熱源流向高位熱源的技術。也就是說，把不能直接利用的低品位的熱源如空氣、土壤、水、太陽能、工業廢熱等熱源轉化為可利用的高位能熱源，從而達到部分節約一次性如煤、石油、天然氣、電等高位能源的技術。熱泵因其低溫熱源種類不同，其工作原理也有所區別。

地下水熱泵系統

地下水熱泵系統就是將地下水井內的地下水抽出送人熱泵機組，與熱泵的工作介質進行熱量交換後再通過回灌井回灌到原來的地層中去。抽水井和回灌井的數量，由設計負荷、需水量大小、地下水出水能力和回灌能力確定。其抽灌中的形式有一抽一灌、一抽多灌、多抽多灌及抽灌合一等多種形式。

地表水熱泵系統

地表水熱泵系統就是將江、河、湖泊的水在循環水泵的驅動下，經過處理直接流經熱泵機組或通過中間換熱器進行熱交換的系統為開式系統，將封閉的換熱盤管按照特定的排列方式放入具有一定深度的地表水中，傳熱介質通過換熱管管壁與地表水進行熱躉換的系統為閉式系統。

土壤源熱泵系統

土壤源熱泵系統就是以大地土壤為熱源將熱泵的換熱器埋在地面以下，利用熱泵的循環液體與大地土壤進行冷熱交換的系統。可以分為水平埋管、垂直埋管及蛇形埋管等形式。

空氣源熱泵系統

空氣源熱泵系統就是利用專用的工質吸收環境大氣中的熱量而汽化，通過壓縮機壓縮升溫，變成高溫高壓氣體，再經過換熱器與待加熱的水交換熱量而冷卻，最後經過膨脹閥釋放壓力回到低溫低壓的液態。熱泵如此通過製冷劑的不斷循環與待加熱水交換熱量將水加熱。其能效比(COP值)可高達2．0～5．0。同時在運行中不釋放附加熱能，不排放有害物質，工質與被加熱水完全分開，不會造成二次污染，故屬於節能環保產品。

地源熱泵系統組成

地源熱泵系統主要分三部分：室外地能換熱系統、地源熱泵機組和室內採暖空調末端系統。其中地源熱泵機組主要有兩種形式：水-水式和水-空氣式。三個系統之間靠水或空氣換熱介質進行熱量的傳遞，地源熱泵與地能之間換熱介質為水，與建築物採暖空調末端換熱介質可以是水或空氣。

地源熱泵機組主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器和膨脹閥四部分組成，通過讓液態工質(製冷劑或冷媒)不斷完成：蒸發(吸取環境中的熱量)→壓縮→冷凝(放出熱量)→節流→再蒸發的熱力循環過程，從而將環境裡的熱量轉移到水中。壓縮機起著壓縮和輸送循環工質從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵(製冷)系統的心臟; 蒸發器是輸出冷量的設備，它的作用是使經節流閥流入的製冷劑液體蒸發，以吸收被冷卻物體的熱量，達到製冷的目的;冷凝器是輸出熱量的設備，從蒸發器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉化的熱量在冷凝器中被冷卻介質帶走，達到制熱的目的;膨脹閥對循環工質起到節流降壓作用，並調節進入蒸發器的循環工質流量。

根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功(電能)起到補償作用，使循環工質不斷地從低溫環境中吸熱，並向高溫環境放熱，周而往復地進行循環。地源熱泵系統如圖所示。

分類

按所選用的熱源種類可分為：

1．①水源型熱泵。就是利用一年四季溫度基本上都比較穩定的溫度較低的地下水、海水及江河水作為熱源，以及利用工業廢水：污水處理廠的處理污水，因其溫度較高，一般高於20℃，不結冰，故也是很好的熱源；

②空氣源型熱泵(以下簡稱氣源熱泵)，就是直接利用環境大氣作為熱源；

③土壤地源型熱泵：就是利用埋設在土壤中盤管內水的流動而吸收土壤中的熱能。土壤吸收大量太陽能形成低位熱能資源，並有蓄熱功能、溫度穩定且全年波動較小，冬季土壤溫度比空氣高，則制熱效率高。

2．按熱泵系統的用途可分為：①獨立式熱泵熱水系統：就是單純為製備熱水而設定的系統；②熱水與空調聯合式的熱泵系統：就是既具備製備熱水功能，同時還具備空氣調節功能。採用該系統時需要與空調專業共同聯合設計。

3．按照《地源熱泵系統工程技術規範》GB 50366--2005的規定：地下水源熱泵、地表水源熱泵及地埋管土壤熱泵均定義為地源熱泵系統。

系統設計與選擇

1．地源熱泵系統方案設計之前，應進行工程場地狀況調查，並應對淺層地熱資源進行勘察。具體勘察內容和要求，應按《地源熱泵系統工程技術規範》GB 50366--2005的規定執行。

1)根據工程勘察報告，經技術經濟比較後確定是否採用地熱熱泵系統，以及採用哪種低溫熱源種類的熱泵系統。

2)游泳池池水加熱系統不得採用地埋管地源熱泵系統。

3)游泳池池水加熱系統採用水源熱源系統時，水源供水量必須充足。水質滿足熱泵機組要求，否則應採取有效的淨化處理措施。如水源為地下水時，應採取可靠的回灌措施，將換熱後的地下水回灌到同一含水層且不得污染地下水資源，嚴禁將換熱後的地下水直接排放。

2．游泳池一般都建在城市，利用水源熱泵或土壤源熱泵，尚有一定的條件限制。列設有集中空調系統的大型游泳中心及酒店游泳池，可採用循環冷卻水或冷凍水作為水源熟泵的熱源。

3．空氣源熱泵系統由於它的熱源是空氣中的熱能，它的熱效率是隨著環境溫度的升高而增加，隨著環境溫度的降低而降低。因此，應對當地的氣溫進行仔細分析，並通過對設備初次投資、設備運行費用、管理費用、環境保護等方面因素進行經濟技術比較後，以確定採用哪一種空氣源熱泵系統。