浅析热泵在暖通空调工程领域中的应用

张春玲 日照职业技术学院

[摘 要]本文首先介绍了热泵的工作原理、热泵的组成， 然后详细阐述了热泵系统的分类及特点，探讨了热泵供热空调工程中的能量消耗，指出了热泵是一种环保节能的能源利用技术，以推广热泵技术的应用，从而更好地节约能源。

[关键词]热泵 原理  分类  水源热泵  空气源热泵

当今环境污染和能源紧张问题正成为世界各国共同面临的两大难题。而热泵可以充分利用环境中的低位能和工厂中的余热及废热，能很好地解决能源紧张问题。近十几年来，尤其是最近5 年，热泵技术已经成为国内建筑节能及暖通空调界的热门研究课题，并开始应用于工程实践，逐渐向市场化、产业化发展。

一、热泵的工作原理及热泵的组成

热泵的工作原理与制冷机相似，都是按热机的逆循环工作的，所不同的是工作温度范围不同。热泵是从低温热源吸取热量、用较高的温度放出的装置。

（一）现以家庭及办公使用最多的蒸汽压缩式空调机为代表对其工作原理进行简要说明。从压缩机的人口吸入的低压冷媒气体被压缩为高温高压气体， 通过四通阀后，进入设置于室内的热交换器。在这个热交换器中，高温气体冷媒被冷却，开始液体冷凝、被冷凝的液体慢慢变多。在出口处流出的几乎全部是液体。在热交换器的管道中， 冷媒从气体变为液体，放出热，被同时放出的是空气，进行使全部空气变暖的供暖方式。高压液体状态的冷媒，通过节流机构降低压力，达到比液态冷媒温度低的压力饱和温度时，液体蒸发，开始气化，成为液体和气体混合状态，冷媒进入设置于室外的热交换器。在此热交换器的管道中，冷媒的液体部分，从室外的空气中夺取热。继续蒸发， 在出口处几乎全部变为气体状态的冷媒通过四通阀后，返回压缩机。切换四通阀， 使室外热交换器、节流机构、室内热交换器， 逆向运行，成为供冷的运行方式。

（二）热泵的组成

热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象(温度较高的物体) 。热泵系统的组成应包括四大部分：

1．热泵的驱动能源(电能、汽油、柴油、煤气、煤等)。

2．热泵的驱动装置(电动机、燃料发电机、蒸汽轮机等)。

3．热泵的工作机。一般来说，制冷机可作为这种热泵系统的工作机，制冷机的冷凝器中释放的热量不是简单地向大气排放，而要加以利用，通过供热系统向用户供热。

4．低温热源(空气、水、地热、工业废热、太阳能等) 。热泵从低温热源吸取热量，使其温度品位升高，转化为可利用的热能。

二、热泵系统的分类及特点

根据热泵在建筑物中的用途可分为：

1．仅用作供热(采暖或热水供应) 的热泵；

2．同时供冷供热的热泵；

3．冬季供热，夏季供冷(全年空调) 的热泵；

4． 热回收热泵，用来回收建筑物的废热。

根据热泵的低位热源不同，有空气源热泵和地源热泵。

（一）空气源热泵

它以室外空气为热源。将室外空气作为低温热源，从室外空气中吸收热量，经热泵提高温度送入室内供暖。空气源热泵的优点：

1．节能，有利于能源的综合利用；

2．有利于环境保护；

3．冷热结合，设备应用率高，节省初投资；

4．电驱动，调控比较方便。在我国建筑物中使用此类型的热泵产品主要是空气热源的窗式热泵空调器和分离式热泵空调器。

空气源热泵的主要缺点是它的供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而降低。因此，建筑物采用空气源热泵供热时，一定要设置补充加热装置。

（二）地源热泵

地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖；夏季它向土壤、地下水或者地表水放热，达到给建筑物降温的目的。同时，它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效利用能源的方式。

地源热泵进一步分为以利用地表水或地下水为冷热源的水源热泵和以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵。

1．水源热泵。地下水源热泵系统的热源是从井水或废弃的矿井中抽取的地下水。经过换热的地下水可以排入地表水或地下水系统，最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。但是应用这种系统也受到许多限制。如需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。又如抽取的地下水理论上应回灌到地下水层，但目前国内地下水回灌技术还不成熟，在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度，从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到地下水层，造成地下水资源的流失。地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或海河中的地表水。如海水源热泵，海水中所蕴含的热能是典型的可再生能源，因此海水源热泵是供热空调工程领域一种节能环保的技术。当然这种地表水热泵系统与空气源热泵系统类似，也受自然条件的限制，当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。

2．土壤源热泵。又称为“地下耦合热泵”，是利用地下岩土中的热量作为一个热源。它通过循环液体(水或以水为主要成分的防冻液) 在封闭的地下埋管中流动，实现系统与大地的传热。在冬季供热时，流体从地下吸取热量，再通过系统把热量送到室内； 夏季制冷时，从室内吸收热量，再通过系统将热量传到地下岩土中。因此，土壤源热泵系统既具有地下水源热泵系统的优点，又不需要抽取地下水资源作为传热的介质，是一种可持续发展的节能技术。

三、热泵供热空调的能量消耗分析

（一）热泵合理地使用了高位能

热泵将低温热源的热量品位提高，需要消耗一定的高品位能量。热泵供热系统用高位能W 推动一台动力机，然后再由动力机来驱动工作机(如制冷压缩机) 运转，工作机像泵的作用一样从低温热源(如水) 摄取热量Qe ，并把Qe 的温度提高，向暖通空调系统供出热量Qh = Qe + W ，用热泵的制热性能系数β来衡量热泵的能量效率。

β= Qh/ W = ( Qe + W) / W = Qe/ W + 1     (1)

式(1) 说明了热泵的制热性能系数β永远大于1 。因此，用热泵供热比用热泵驱动能源直接供热要节约高品位能。

（二） 　热泵的能源利用系数比传统的供热方式高(见表1)

表1 　不同供热方式的能源利用系数E 

能源利用系数E = 热泵的供热量/ 消耗的初级能量。

（三）热泵在暖通空调工程领域中的应用能带来环境效益

我国因采暖锅炉吨位小、效率低、燃烧点分散等造成了大气的严重污染。因此，在一些大城市和特殊地区，环保部门限制使用燃煤和燃油锅炉，以保护大气环境。为保护大气环境，应积极开展热泵在暖通空调中的应用研究工作。热泵在暖通空调中的应用将会带来环境效益，对温室效应也有积极作用。据有关资料介绍，与燃煤锅炉相比，使用热泵平均可减少30 %的二氧化碳 排放量；与燃油锅炉相比，二氧化碳排放量可减少66 %，排热量也减少。因此，热泵在暖通空调工程领域应用是一种节能、环保、高效的能源利用技术。

四、|结束语

热泵作为一种环保节能的空调方式，应该得到研究工作者对其进行更为深入的研究，探索其关键性技术。目前在国内地源热泵机组的设计、安装、运行、维护等各个方面还没有成型的行业标准和规范，其推广应用还有待时日。作为一门新技术，它为我国的可持续发展带来了契机，在不远的将来，随着国富民强，经济实力的提高和生活水平的进步，研究和技术人员的努力，它在中国一定有广阔的市场前景。

参考文献

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