热泵技术在供热工程中的应用探析

　　摘要：在建筑供热中采用热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO2和其它大气污染物的排放,最大限度地减小空调设备对建筑物外观的影响。本文结合当前形势介绍了热泵及其技术、工作原理，给出了热泵在供热工程中的应用，并对热泵的应用前景进行展望。
　　关键词：热泵，供热，节能
　　0前言
　　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。热泵技术是通过制冷循环使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。以建筑物的空调(包括制冷、制热)为目的的热泵系统,在供热时将低温热源的热量取出来,连同所消耗的高品位能源(如电)一起,向建筑物供热;在制冷时提取建筑物中的热量,释放到环境中去。热泵不仅可以节约能源,而且可以减少大气污染物和温室气体的排放。热泵的推广应用,提供了一条节约燃料、合理用能、减轻环境污染的有效途径,而使用范围几乎不受限制[2]。
　　1热泵的工作原理
　　1.1压缩式热泵
　　压缩式热泵系统中的工作介质在压缩机中压力P1升高到P2,温度也同时升高,由T1升高到相应P2的压力下的温度T2，然后进入冷凝器，将热量Q1释放给水，使水温升高，而工质温度下降到T3,降温后的工质经过节流阀以后压力降到P4,温度降到相应的T4,然后低温低压的工作质进入压缩机重复循环，这时冷却器出来的热水可供取暖或生活用热水。压缩式热泵的主要设备有：压缩机、换热器(包括冷凝聚器和蒸发器)、节流阀。
　　1.2吸收式热泵
　　吸收式热泵是利用溶液的特性来完成工作循环和实现供热，它以消耗热能为动力，工作介质是一种二元溶液，这2种溶液互相溶解，而沸点不同，其中沸点较低受热后容易蒸发的物质叫溶质(或称工质)，而沸点较高的溶剂(吸收剂)。它之所以能制热是利用溶质在溶液中，其溶解度随温度而变化的特点，即在一定压力下，温度越高，溶解度越小，从而产生所需的高压蒸汽；反之，温度越低溶解度越大，易于被吸收剂吸收溶解。整个装置除有一个耗电量很小的溶液泵外，主要由几个容器组成：发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和节流阀。工作原理见图2。
　　
　　图2吸收式热泵示意图
　　溶液在发生器中被加热，消耗热能Q1(温度较高的热能，作为驱动力)，使部分工质汽化，使溶液变为稀溶液，稀溶液由2到3通过节流阀降压后进人吸收器，在吸收器中吸收来自蒸发器的汽态工质而变成浓溶液，在吸收过程中同时放出热量Q2，溶液被泵打回发生器，从而完成溶液的循环。发生器中受热汽化的工质进入冷凝器被冷凝成液态，同时放出热量Q3(升温后供热)。液态工质经节流阀降温、降压后进入蒸发器，在蒸发器中吸收低温热量Q4，汽化后进入吸收器，被从发生器来的稀溶液吸收变为浓溶液，如此反复循环。吸收式热泵的驱动热源可以是锅炉、工业余热、地热源等。低温热源可以是地热排水、地表水、太阳能、土壤、工业低温余热等。
　　吸收式热泵的优点是可以利用温度不高的热源作为动力；除功率不大的溶液泵外没有转动部件，耗电量低，无噪声。
　　缺点是热效率低,一般适合于规模大的供热系统。此外热泵还有：化学式热泵，利用化学反应吸收、吸附、浓度差等现象或化学反应原理制成热泵；喷射式热泵，以蒸汽喷射泵代替压缩机；热电式热泵(半导体热泵)利用电流通过2种不同导体组成的回路时，会在两端产生温度差的现象。
　　2热泵在供热工程中的应用
　　近年来，热泵供暖发展很快，在不久的将来将逐步取代其他供暖方式，在欧洲一些以采暖为主的国家，如瑞士、荷兰等国，政府和电力部门大力采取热泵供暖系统；而我国能源消耗量约95%是煤炭、石油、天然气，其中90%是作为燃料烧掉了。这样能源消耗甚大，而我国能源并不富裕，急需将余热资源大力开发出来，据不完全统计，我国各行业余热资源约占其燃料消耗总量的17%～67%，可回收利用的余热资源约为余热资源总数的60%，这些余热资源可作为热泵的低温热源，通过热泵回收和利用，用于供热工程[3]。
　　2.1低温热水辐射供暖系统
　　低温辐射供暖系统的供水温度较低，一般为40℃～60℃，由热泵作为低温辐射供暖热源时，供水温度为40℃～45℃，目前以顶棚、地板或墙埋管作为辐射板的低温辐射供暖系统均可采用热泵作热源。又由于目前最常见的、最有效的热泵供暖方式为地板辐射供暖方式，所以热泵所提供供水温度完全可以满足当前地板辐射供暖方式。
　　2.2传统的热水供暖系统
　　目前，我国热水供热系统设计上均采用供回水温度为95℃/70℃的热水采暖，而实际北方采暖地区采暖系统在运行时普遍采用的是大流量、小温差的方式，住宅供回水温度都在60℃/45℃。室内散热设备主要为铸铁散热器、钢制散热器、铜铝复合散热器和柱铝散热器等。如果房间围护结构的保温措施良好，改善门窗的绝热性能，减少冷风渗透，在采用上述各种散热器的条件下，可利用供水温度为60℃～50℃的热泵采暖系统进行连续供热。
　　2.3风机盘管供暖系统
　　在我国高层建筑、宾馆、大型商场等建筑中几乎全部采用风机盘管空调系统，而在一些现代化高级宾馆引进国外热泵装置，这将促进国内热泵供暖系统的进一步发展，国内早已采用以热泵为热源的风机盘管供暖系统，经验证明，这样的供暖系统稳定，运行可靠，节能和环保效果显著。这种供热系统虽然有它的优势，但应引起我们重视的是在不同地区的气象条件下，由于供暖系统的类型、低温热源的种类、燃料、电力价格等因素的影响，在使用热泵供暖过程中经济效益有所不同。一般情况下使用热泵供暖是节能的。据国家有关资料分析,热泵在分散用户供暖中,使用散热器供暖系统的，其节约燃料13%～19%，而依托各种低热源的地板辐射供暖系统则节约燃料20%～30%。
　　2.4大型热泵站
　　用于建筑物区域供热的大型热泵装置组成的集中热力站即热泵站，热泵站早于20世纪70年代末使用在瑞典、前苏联等国家的区域供热中，当时主要采用的是压缩式热泵装置，而后在一些发达国家的热泵站中采用了吸收式热泵装置、燃气机驱动的热泵装置，效率有明显提高。现在从供热的发展形式看，集中供热热源向热泵站方向发展。而我国的热泵站区域供热的应用还处于初步研究阶段，从目前有关专家研究论证可以看出：在各地区建立以水为低温热源、冬季供60℃热水的电动热泵站是节能的。与常规区域锅炉房相比，以河水(5℃～6.6℃)为低温热源，可节煤12.7%～14.1%，采用海水(12℃～13.6℃)为低温热源，可节煤21.5%～23.6%，采用工业废水(18℃～20℃)为低温热源，可节煤39%～39.5%。
　　3结语
　　随着人们节能意识、环保意识的提高和能源结构的调整，热泵具有极其广阔的发展前景。我国各种低温余热资源丰富，各行各业余热资源大约占燃料消耗量的17%～67%，其中可回收利用的约占余热资源总数的60%。使用后的地热排水也提供了丰富的低温热源，还有各种自然的低温热源，这为热泵利用提供了广阔的低温资源。对于严寒地区如单一使用热泵不能完全满足供热要求的前提下，可以考虑热泵供暖与传统供暖相结合的方式。对于热泵供暖能够满足要求时采用热泵供暖，不能满足时采用传统供暖方式辅助供暖。只要将传统供热方式与热泵供热方式有机结合起来，同样可以获得既节能又环保的效果。

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