hanshai EnergyConservation上海節(jié)能節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品熱泵技術(shù).上海理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院戴睿王麗慧同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院吳喜平摘要:熱泵技術(shù)是近年來(lái)全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)。熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能,經(jīng)過電力做功,提供可被人們所用的高品位熱能的裝置。該文從介紹熱泵的定義入手，將熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分類并分析其主要特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合,進(jìn)而分析熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)保效益。關(guān)鍵詞:熱泵系統(tǒng);經(jīng)濟(jì)分析;節(jié)能Heat Pump SystemDai rui, Wang li hui, Wu xi pingAbstract: In recent years， heat pump technology, as a new energy technology, hasattracted more attention in the world wide. The heat pump is a device that transferringlow-grade energy into high-grade energy through electric power.This paper introduces thedefinition of heat pump， its classification and application. At last, analyses its economicbenefits and environmental benefits.Keywords: heat pump system; economic analysis;energysaving1熱泵的定義值。例如制冷機(jī)就是利用制冷劑液-→汽相變來(lái)達(dá)1.1制冷機(jī)到制冷的目的;而冰蓄冷空調(diào)技術(shù)是利用水的液- >(1)物質(zhì)相變和特點(diǎn)固相變來(lái)達(dá)到最大限度蓄冷的目的。在大自然界中,物質(zhì)通常有三種狀態(tài),從一種(2)活塞壓縮制冷的基本原理狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)我們稱之為物質(zhì)的相變。活塞壓縮制冷的基本原理是利用制冷劑如氟相變的形式有四種:固←→液;液←→汽;利昂或者氨的相變,即由汽態(tài)變成液態(tài)而放熱;液固←→汽;固←→固。相變過程是等溫或近似等態(tài)變成汽態(tài)而吸熱的原理來(lái)達(dá)到制冷目的。溫過程。相變過程中伴有能量的吸收或釋放，這部圖1所示是活塞壓縮式制冷機(jī)的基本組成主分能量稱為相變潛熱。相變潛熱一般較大, 以水為要 四大件,即壓縮機(jī)1,冷凝器2,節(jié)流閥3和蒸發(fā)例器4。汽態(tài)的制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮,溫度升固→液溶解熱:90 kcalkg (1atm,0C)高,壓力加大。被壓縮的汽態(tài)制冷劑接著流向冷凝液→氣汽化熱:539 kcal/kg ( 1atm,0°C) .器，在冷凝器內(nèi)制冷劑被冷卻水冷卻,在-定壓力相變過程是一伴隨有較大能量吸收或釋放的下在冷凝器內(nèi)變成液態(tài)。經(jīng)過節(jié)流閥,制冷劑壓力等溫或近似等溫過程,因此它有著廣泛的應(yīng)用價(jià)降低。此后,制冷劑迅速汽化,在蒸發(fā)器內(nèi)吸收冷[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金50908147、51 108263。[作者簡(jiǎn)介]戴睿,1990年8月生,上海理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院在讀研究生,攻讀供熱供中國(guó)煤化工YHCNMH G|32 | SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2014年第11期hanshai Energy Consevation節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品上海節(jié)能可以分成很多類型。2.1按熱源和熱匯(熱分配系統(tǒng))分類(1)空氣-空氣熱泵。冷卻水出←' 冷凍水出-冷凍水進(jìn)以一側(cè)的空氣(或廢氣)為吸熱或放熱對(duì)象、以另一側(cè)的空氣(或氣體)為供熱或供冷對(duì)象的熱泵。以空氣作為熱源或冷熱源時(shí)使用很方便?？?.壓縮機(jī); 2.冷凝器; 3.節(jié)流閥: 4.蒸發(fā)器慮當(dāng)室外氣溫較低時(shí)室外側(cè)熱交換器的除霜,多采圖1壓縮制冷機(jī)的工作原理用輔助熱源,以提高冬季供熱性能?？諝? .空氣熱凍水大量的熱量,冷凍水溫度降低,從而達(dá)到制冷泵式空調(diào)器,冬天供熱,夏天制冷,詳見圖3。目的。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收大量熱量后,全部汽化。汽態(tài)的制冷劑再進(jìn)入壓縮機(jī),這樣周而復(fù)始的室外室內(nèi)循環(huán)不斷產(chǎn)生冷量。↑+1.2熱泵與制冷機(jī)的關(guān)系1壓縮機(jī)中制冷制冷機(jī)在工作時(shí),實(shí)際上同時(shí)產(chǎn)生熱量(冷凝8中制熱器)和冷量(蒸發(fā)器),冬季能有效利用其熱量,夏天→制冷和制熱節(jié)流閥能有效利用其冷量的裝置稱為熱泵。如圖2所示,-D如果用-只四通換向閥來(lái)控制改變制冷劑在裝置1-壓縮機(jī);2- -冷凝器(蒸發(fā)器);中的流向,就可以達(dá)到夏季對(duì)室內(nèi)制冷、冬季對(duì)室3-四通閥;4-蒸發(fā)器(冷凝器)圖3空氣-空氣熱泵系統(tǒng)圖內(nèi)供熱的目的。(2)空氣-水熱泵。以空氣(或氣體)為吸熱或放熱對(duì)象、以水為供熱或供冷對(duì)象的熱泵。目前空氣-水熱泵式冷熱水機(jī)組是如今辦公大樓集中式空調(diào)系統(tǒng)使用較多的冷熱源兼用型一體化設(shè)備,其單機(jī)容量范圍為四通縮|換向閥| 換向閥20~1000kW。詳見圖4。.om- 5om3節(jié)流裝置夏季制冷循環(huán)冬季熱泵循環(huán)圖2熱泵裝置8<熱泵的供熱系數(shù)恒大于1,他優(yōu)于其他供暖咖制冷裝置(如電加熱器等)之處就在于消耗同樣多的機(jī)5制熱械功對(duì)室內(nèi)供暖可比用其他方法得到更多的熱量,即除了由機(jī)械功所轉(zhuǎn)換的熱量外還包括制冷劑在1-壓縮機(jī);2-冷凝器(蒸發(fā)器);蒸發(fā)器中吸收的熱量。圖4空氣- -水熱泵 系統(tǒng)圖2熱泵的分類(3)水-空氣熱泵。按照不同的工作原理、驅(qū)動(dòng)形式、用途等,熱泵以水(如河水。地下水、廢熱水等)為吸熱或放中國(guó)煤化工YHi CNMHGSHANGHAI ENERGY CONSERVATION 332014年第11期hanshai EnergyConservation上海節(jié)能節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品熱對(duì)象、以空氣(或氣體)為供熱或供冷對(duì)象的熱.工程應(yīng)用。泵。詳見圖5。(6)土壤-空氣熱泵(大地耦合式熱泵)。以土壤為吸熱或放熱對(duì)象、以空氣為供熱或供室內(nèi)冷對(duì)象的熱泵。其余與土壤-水熱泵相同。詳見吟oCoA室外圖7。o壓縮機(jī).4吻制冷之制熱節(jié)流閥+制冷和制熱豈冒室外DA大地回路1壓縮機(jī)1 -壓縮機(jī);2- -冷凝器(蒸發(fā)器);3-四通閥;4-蒸發(fā)器(冷凝器);呻制冷中制熱圖5水--空氣熱泵系統(tǒng)圖.→制冷和制熱(4)水-水熱泵。1-壓縮機(jī);2-冷凝器(蒸發(fā)器);以水(如河水、地下水、熱污水.工業(yè)冷卻水等)3-四通閥;4-蒸發(fā)器(冷凝器)圖7大地耦合式熱泵為吸熱或放熱對(duì)象、以水為供熱或供冷對(duì)象的熱泵?？捎糜谙蚴覂?nèi)的采暖裝置供應(yīng)熱水供應(yīng)生活2.2按全年所用的采暖機(jī)組數(shù)目分類用熱水等。目前已有整裝機(jī)組,可供應(yīng)多種溫度的根據(jù)當(dāng)?shù)厮赜械?或者在某種情況下給定的家庭熱水。由于水的比熱大,便于輸送,因此也適能源關(guān)系,有時(shí)選擇熱泵全單獨(dú)供熱,或者與一臺(tái)用于建筑物的集中供熱系統(tǒng)。目前已有很多應(yīng)用或幾臺(tái)機(jī)組一起供熱。按照運(yùn)行方式分類如下:實(shí)例。詳見圖6。(1)單-熱泵,由該熱泵供應(yīng)全年所需的熱量。(2)雙聯(lián)熱泵1)交替運(yùn)行:熱泵僅在-年的部分時(shí)間供應(yīng)有er室外↑↓自上室內(nèi)用熱量,在其余時(shí)間，則由另- -供熱裝置供應(yīng)能量;T壓縮機(jī)2)并聯(lián)運(yùn)行:熱泵只在一年的一段時(shí)間單獨(dú)供給所需的有用熱量,在其余的時(shí)間里,熱泵仍然>制熱保持運(yùn)行,但是需要由其他的供熱裝置輔助供給能，制冷和制熱量、以滿足對(duì)熱量的峰值要求。-D<(3)三聯(lián)熱泵:熱泵滿足部分供熱需要,而由另外兩臺(tái)供熱裝置(例如采暖鍋爐和太陽(yáng)能裝置)圖6水- -水熱泵系統(tǒng)圖供給所需的其余熱量(三聯(lián)方式)。(5)土壤- -水熱泵(大地耦合式熱泵)。以土壤為吸熱或放熱對(duì)象、以水為供熱或供冷3熱泵技術(shù)的主要特點(diǎn)及使用場(chǎng)合對(duì)象的熱泵。由于地下土壤溫度比較穩(wěn)定,將盤管3.1熱泵技術(shù)的主要特點(diǎn)埋入土壤中，夏季可以降低冷凝溫度,冬季可以提熱泵機(jī)組既可以進(jìn)行制冷,又可以進(jìn)行供熱。高蒸發(fā)溫度,所以能效比較高。除了埋地盤管外換熱泵機(jī)組供熱的主要特點(diǎn)是:高效、節(jié)能、環(huán)保、安熱方式不同,裝置的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)水-水熱泵。全。無(wú)燃燒,無(wú)電器推動(dòng)元件,絕對(duì)安全;無(wú)任何廢作為典型的淺層地?zé)崮芾玫募夹g(shù),目前已有廣泛氣、 廢水、廢渣排放，絕對(duì)環(huán)保。執(zhí)泵機(jī)組全年平均中國(guó)煤化工YHCNMH G .34 SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2014年第11期hanshai Energy Consevation節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品上海節(jié)能運(yùn)行成本只需電直接加熱的1/4,燃油、燃?xì)饧訜岬某?0%,可達(dá)到4.0~4.5。1/3~1/2,常規(guī)太陽(yáng)能的1/1.5。3.2熱泵技術(shù)使用場(chǎng)合(1)空氣源熱泵,具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。由于空氣源熱泵使用場(chǎng)合十分廣泛,可廣泛應(yīng)用于冬季供熱時(shí)可省去鍋爐房,夏季供冷時(shí)省去冷卻水工廠 ,家庭、商業(yè)等領(lǐng)域,可用于公寓、別墅、學(xué)校、系統(tǒng)(包括冷卻塔、冷卻水泵、管網(wǎng)及水處理設(shè)備),醫(yī)院、辦公樓、賓館酒店等多種建筑?？諝庠礋岜貌贾檬址奖?因而得到了廣泛的應(yīng)用。但它也有在我國(guó)長(zhǎng)江流域的夏熱冬冷地區(qū)正得到了大力的不少的缺點(diǎn):推廣應(yīng)用。但是在黃河流域及北方寒冷地區(qū),冬季1)空氣熱容量小。為了從空氣中獲得所需熱由于室外溫度低于-5°C時(shí),出水溫度降低,熱備出量,換熱器體積大,風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也大。力降低,仍按傳統(tǒng)模式，由空氣熱泵與風(fēng)機(jī)管組成2)空氣溫度變化大。冬季,其制熱量隨室外的空調(diào)系統(tǒng)就難于產(chǎn)生足夠的可用于采暖的熱風(fēng)?？諝鉁囟冉档投鴾p少,而在夏季,制冷量隨室外空水源熱泵,理論上可以利用一-切的水資源,其氣溫度升高而減少,這與建筑熱負(fù)荷需求趨勢(shì)正好實(shí)在實(shí)際工程中,不同的水資源利用的成本差異是相反。相當(dāng)大的。所以在不同的地區(qū)是否有合適的水源成3)當(dāng)室外側(cè)換熱器表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫為水源熱泵應(yīng)用的- -個(gè)關(guān)鍵。目前的水源熱泵利用度,且低于0°C時(shí),換熱器表面會(huì)結(jié)霜,需要定期除方式中,閉式系統(tǒng)一般成本比較高,而開式系統(tǒng),能霜,這也要消耗大量的能量,在除霜過程中,壓縮機(jī)否尋找到合適的水源就成為使用水源熱泵的限制條及四通閥的穩(wěn)定運(yùn)行受到影響。件。對(duì)開式系統(tǒng)，水源要求必須滿足一定的溫度、水(2)水源熱泵,其主要優(yōu)點(diǎn)有:量和清潔度。此外,對(duì)于不同的建筑負(fù)荷特性,所需1)機(jī)組效率高,設(shè)備緊湊。水的溫度-般較要的水體情況不一致,水體的冷熱品質(zhì)和水體的物穩(wěn)定,且冬季水溫高于大氣溫度,夏季水溫低于大理特性決定了水源熱泵機(jī)組是否可以正常運(yùn)行。若氣溫度。因此,機(jī)組運(yùn)行工況良好,其制熱、制冷系水體 條件較差,與建筑的負(fù)荷特性不匹配,就可能不數(shù)均高于空氣源熱泵。能采用水源熱泵系統(tǒng)。因此,水體的熱物理性質(zhì)決2)機(jī)組運(yùn)行可靠,不存在冬季制熱運(yùn)行時(shí)室定了并非所有項(xiàng)目都適合水源熱泵系統(tǒng)。外機(jī)結(jié)霜問題。地源熱泵的使用場(chǎng)合相當(dāng)?shù)膹V泛,可用于醫(yī)水源熱泵的主要缺點(diǎn)是受當(dāng)?shù)厮Y源因素影院、辦公樓.商場(chǎng)等多種建筑。但是實(shí)施需要具備響,應(yīng)用場(chǎng)合受到限制;其初投資-般也較大。的一定的基本條件:首先、同時(shí)具有冬夏空調(diào)負(fù)荷,(3)地源熱泵,它的優(yōu)點(diǎn)有:并且年冷熱負(fù)荷較接近時(shí)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的持久1)屬可再生能源利用技術(shù)。儲(chǔ)存于地表淺層的運(yùn)行有利。其次、當(dāng)?shù)氐叵峦寥罍囟仍?3~ 19°C地?zé)崾且环N可再生能源,土壤源熱泵正是利用了地之間時(shí)土壤換熱器有較好的冬夏取放熱特性,這個(gè)球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的空范圍基本包括我國(guó)大部分夏熱冬冷地區(qū)和京津唐調(diào)系統(tǒng)。且這種空調(diào)系統(tǒng)不受地域、資源等限制。地區(qū),但在東北和華南采用熱泵并不合適,其冷熱2)屬高效、經(jīng)濟(jì)的節(jié)能技術(shù)。由于地表5米以負(fù)荷差異過大,熱泵冬夏兩用效能難以發(fā)揮且土壤下溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定,夏季比環(huán)境空氣溫度熱平衡難以保證。再者、使用空調(diào)系統(tǒng)地區(qū)100 m低,冬季比環(huán)境空氣溫度高,是熱泵很好的冷/熱范圍內(nèi)應(yīng)不存在較厚的礫石等堅(jiān)硬地層,存在保水源。這種溫度特性使得土壤源熱泵比傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)性好的砂土層對(duì)于實(shí)施土壤源熱泵最為有利。最行效率要高,節(jié)能效果明顯,運(yùn)行更加可靠、穩(wěn)定。后、項(xiàng)目具備合適的土壤換熱器布置面積，但是不與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比,機(jī)組制冷制熱系數(shù)要高中國(guó)煤化工!下琺第第39頁(yè))MHCNMHGSHANGHAI ENERGY CONSERVATION 35|2014年第11期S hanghai Energy Consevation節(jié)能工程上海節(jié)能利用。高爐沖渣水普遍溫度高(70°C ~ 90°C)且循環(huán)水,初步估計(jì)可回收利用蒸汽4~5t/h,發(fā)電307萬(wàn)量大,行業(yè)中相當(dāng)多企業(yè)為降低冷卻水溫度還搭配了kWh/a,另一 方面通過高效換熱器換熱形成熱水源供冷卻塔等設(shè)施,因此可將高爐沖渣水進(jìn)行沉淀、過濾,企業(yè)取暖用，預(yù)計(jì)可產(chǎn)熱水1500~ 3000t/d。處理后的高爐沖渣水和冷凝水由熱水泵供市區(qū)采暖,供暖后沖渣水返回高爐沖渣系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)使用,實(shí)現(xiàn)3結(jié)束語(yǔ)節(jié)能降本。2012年不銹鋼公司通過技術(shù)改造率先實(shí)鋼鐵生產(chǎn)過程中余熱余壓能的回收利用對(duì)降現(xiàn)了750高爐沖渣水廢熱的回收利用,換熱生成低生產(chǎn)的總能耗和節(jié)約成本具有重要意義,特別是90°C左右的生活熱水,并完成公司浴室熱水替代蒸余熱 余能的小循環(huán)利用。在回收利用余熱余能時(shí),汽和外供周邊社區(qū)、學(xué)校、浴室等1500t左右的熱水，要根據(jù)余熱余能資源的“數(shù)量”和“質(zhì)量”,以及用戶實(shí)現(xiàn)了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和履行社會(huì)責(zé)任的雙贏。對(duì)能量品質(zhì)的需求,在供需之間盡量做到能級(jí)匹2.5“乏汽”與“閃蒸汽”能源利用配、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用,在符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求的條由于工藝要求和管網(wǎng)限制，零星放散蒸汽資源在件下,選擇適宜的用能系統(tǒng)和設(shè)備,使回收的余熱冶金企業(yè)較為普遍例如:余熱鍋爐的零排和定排“閃余能發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。蒸汽”、生產(chǎn)過程降級(jí)使用(加熱、干燥等)的乏汽等,同時(shí)受技術(shù)裝備與汽源特點(diǎn)限制回收利用價(jià)值不高，參考文獻(xiàn):回收意愿和積極性也不高。通過全面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析,[1]翁宇慶通過能源管理、技術(shù)節(jié)能推動(dòng)能耗目前不銹鋼公司在包括煉鋼蓄熱器系統(tǒng)公司管網(wǎng)集降低[N]《中國(guó)冶金報(bào)》2012年7月3日版中放散點(diǎn)、鍋爐系統(tǒng)定排、熱軋余熱鍋爐安全零排等[2]李順“國(guó)內(nèi)外熔融高爐渣顯熱回收方”.《工處,存在一定蒸汽放散,尤其公司管網(wǎng)集中放散點(diǎn),受業(yè)加熱》第38卷2009年第三期煉鋼冶煉間歇性產(chǎn)汽對(duì)系統(tǒng)管網(wǎng)沖擊因素影響，集中[3]“全國(guó)冶金節(jié)能減排與低碳技術(shù)發(fā)展研討會(huì)文而間歇性放散蒸汽作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)無(wú)法徹底消除,該部集” [R].中國(guó)金屬學(xué)會(huì)、河北省冶金學(xué)會(huì):2011年9月分蒸汽不僅影響環(huán)境,同時(shí)造成能源浪費(fèi)。對(duì)于該類[4]“冶金行業(yè)節(jié)能新技術(shù)培訓(xùn)講義”[R].上海應(yīng)資源,借鑒本行業(yè)先進(jìn)工藝技術(shù),可通過緩沖蓄熱裝用技術(shù)學(xué)院能效檢測(cè)與評(píng)估研究中心2013年11月置將放散的過熱蒸汽實(shí)施_二次回收,一方面可以采用[5]“2013年上海工業(yè)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新及推廣應(yīng)低投入高效率的螺桿發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電和回收冷凝用 研討會(huì)報(bào)告集”[R].2013年8月29日上海(上接第35頁(yè))(制熱)量就大。夏季空氣溫度遠(yuǎn)高于地表水,土地能為了埋設(shè)較多的土壤換熱器而減小合理的土壤及深井水,制冷時(shí)，如把工業(yè)廠房?jī)?nèi)的熱量排到地?fù)Q熱器間距,否則不但土壤換熱器的出力會(huì)下降而表水、土地或深井水中去,這樣消耗電能少。也就且會(huì)惡化土壤換熱器的持久運(yùn)行特性。是說制冷的COP值大,達(dá)到節(jié)能效果。冬天制熱3.3熱泵技術(shù)的節(jié)能特點(diǎn)正好相反,因此地源熱泵、水源熱泵得到了廣泛的熱泵作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源方式,近十年.應(yīng)用,它們確實(shí)收到了很好的節(jié)能減排效果。來(lái),得到了廣泛的應(yīng)用,除了其方便之外,更重要的是它的節(jié)能。眾所周知,制冷機(jī)工作時(shí),就是把低溫端的熱量(蒸發(fā)器)拿到高溫端(冷凝器)去,在其[1]張旭等 熱泵技術(shù),北京:化學(xué) 工業(yè)出版社，他條件不變的情況下，高、低溫端的溫差小則制冷2007中國(guó)煤化工MHCNMHG .SHANGHAI ENERGY CONSERVATION 392014年第11期