热泵的分类及发展现状

按热泵的工作原理,可分为蒸汽压缩式(也称为机械压缩式热泵)、吸收式热泵、化学热泵、蒸汽喷射式热泵、热电热泵等。

蒸汽压缩式热泵由压缩机、冷凝器、节流膨胀部件、蒸发器等基本部件组成封闭回路,在其中充注循环工质(如R22或R134a等),由压缩机推动工质在各部件中循环流动。工质在蒸发器中发生蒸发相变,吸收低温热源的热能;在压缩机中由低温低压变为高温高压,并吸收压缩机的驱动能;最后在冷凝器中发生冷凝相变放热,把蒸发、压缩过程中获得的能量供给用户。

蒸汽压缩式热泵系统以电能作为驱动力,运行效率很高[20](COP＞4),即消耗1份电能能够给用户提供4份以上的热量,以燃煤锅炉发电效率33%～42%为准,蒸汽压缩式热泵系统的一次能源利用效率可以超过100%,甚至接近200%,其高效和环保性能显著。蒸汽压缩式热泵系统是当前应用技术最完善,应用范围最广的热泵系统,根据其驱动热源不同,还可以将热泵细化分类。

1.空气源热泵

空气源热泵以室外空气为供能热源,系统简单,初期投资相对较低,运行可靠,热损耗很低,并节省机房面积,具有很好的环保性,没有特殊的环境或地理要求[21]。空气源热泵的应用在我国已经存在很多实例,但我们也发现空气源热泵的应用存在一系列技术难题:①COP低,特别是制热COP低;②冬季温度过低时,换热器空气侧表面易结霜,对系统运行影响很大,且除霜的可靠性无法保证;③低温工况的运行效果差,主要表现为冬季温度很低的时候,系统制热量衰减迅速。由此,空气源热泵系统不适合冬季温度低于－10℃[22]的地区(例如东北,内蒙古等地区),而南方地区空气源热泵系统的发展具有很大潜力。

2.地下埋管式土壤源热泵

地下埋管式土壤源热泵,通常我们只是简单地称其为土壤源热泵。在地下垂直地或水平地埋入塑料管,管内通入循环工质,使之成为循环工质与土壤间的换热器[23]。在冬季,通过这一换热器从地下取热,成为热泵的热源;在夏季,从地下取冷,成为热泵的冷源。这就实现了冬存夏用或夏存冬用,这么看来,土壤更像一个储能装置[24,25]。

目前土壤源热泵的主要问题是土壤传热能量密度很低,只有25W/m2左右[26],导致换热面积过大,造成系统初期投资过高,因此仅适宜用于低密度建筑[27,28];由于地质土壤结构比较复杂且难以勘测,热泵运行时对土壤造成的影响往往无法预估且难以勘测,当土壤内部的温度变化剧烈,导致热湿迁移发生断层时,系统的冷凝或蒸发温度将很容易发生波动,这时热泵将很有可能无法稳定运行,甚至无法运行。

要更好地利用土壤源热泵系统就需要首先从降低初期投资入手,充分与建筑基础相结合[29],以当地的自然气候条件为重要设计基础,达到资源、资本利用最大化;通过与太阳能、空气源或其他种类的热泵耦合,组成复合热泵系统,形成一套综合性低值能源利用输送装置,夏季通过把吸收的太阳能和空气中的热量储存到土壤中,冬季加以利用,可明显提高热泵的效率[30～32]。土壤源热泵系统具有很广阔的节能和环保潜力,上述有关方面的突破将使其有可能成为低密度建筑供暖空调冷热源的主要方式,还能不断推广到常规建筑供冷供热的行业中。

3.地表水源热泵

地表水源热泵系统的供能热源是池塘、湖泊、河溪[33]等地表水。在靠近江、河、湖、海等大量自然水体的地方,利用这些自然水体作为热泵的低温热源是一种很恰当的能源利用手段。芬兰学者在2003年通过建立一个模型对湖水温度分布进行模拟,证明寒冷气候地区用地表水源作热源的可能性。目前,北欧地区地表水源热泵已经实现规模化应用,美国制冷学会ARI320标准规定[34]:对湖水水源热泵系统来说,水体的面积及深度对系统供冷性能的影响比对供热性能的影响大,要求水体(深4.5～9.0m)的负荷不应超过0.013kW/m2或其水体不应产生温度分层现象。江、河、湖泊等地表水的分布与自然地理因素相关,地表水源热泵系统往往也会受到这些因素的限制。此外,与空气源热泵类似,地表水温也会受到自然环境因素的影响,但是相对于空气、水的比热容要高几个数量级,因此并不会导致整个热泵系统无法正常运行,只是热泵运行效率会有所下降。地表水的水质难以保证,这就需要在整套系统中加入水处理装置,例如过滤装置或中间换热器等防堵、防垢装置。当前改善和优化系统输送管路的设计方法[35],开发低温差、大流量、小流速高效换热除污设备[36],将成为地表水源热泵系统未来发展的关键突破点。同时,换热过程中对水体中生态环境的影响也需要在系统设计中预先加以考虑。

4.污水源热泵

污水源热泵就是利用热泵直接从城市污水或二级水中提取热量,进行供热供冷,是污水综合利用的重要组成部分[37]。据测算,城市污水全部充当热源可解决近20%的城市建筑供暖,随着国民经济的发展,我国城市污水排放量和处理量也快速增加。据早年预计,2006～2010年,全国污水排放总量年平均增长率将达到55%,到2015年,全国污水年处理量将达到360亿m3[38],假设利用率为70%,综合平均负荷为70W/m2,可供3亿m2的建筑面积。污水源热泵利用的关键问题有以下两点:

(1)阻塞污染问题。污水属于固、液两相流体,其中携带大量尺度较大的污物和尺度较小的悬浮物[39,40],极易堵塞换热器,并在管壁上易形成大量的污垢,极大地影响换热器的效率,污水中携带的腐蚀性物质还会腐蚀输送管道。起初采用过滤装置将污水处理以后,再加以利用,但是效果并不理想,过滤格栅需要频繁的除垢和清洗,运行成本相对很高,而且格栅清洗难度较大。经过十余年的长足发展,目前采用的疏导式换热器已经基本解决了阻塞污染问题。

(2)流动换热问题。当前污水处理厂对污水的处理程度不尽相同,污水实际是一种固、液两相,固相多组分流动的流体,其流动特性和换热特性与清洁水相比有一定的差别,因此无法精细地对污水的换热特性和流动特性进行研究,换热系数只能进行数量级上的估算,这样就对换热器的设计和制造提出了更高的要求。

实现对污水源热泵的安全可靠应用,必须要在以下方面进行突破[41,42]:

(1)开发研制新型城市原生污水热泵系统工艺。改进现有工艺的缺陷和不足,使系统更安全可靠地运行。

(2)污水的流动特性与换热特性的深层次研究。污水自身理化性质与清水截然不同,黏度要高很多,组分相对复杂。通过实验手段认识污水的自身特性,是对污水综合性开发必备的理论科学基础。

(3)污水换热器的结构设计。污水换热器作为当前最高效、最安全的污水余热利用手段,已经初步体现出其自身的发展潜力和经济效益,但是,结垢、阻塞等问题依然难以根除,关键是设备维护周期以及使用年限的长短问题。通过优化换热器的入口形状、流道形状、管道材料、尺寸参数等,使换热器具有更好的防堵、防垢、防腐蚀能力,并具有更好的传热特性。

5.海水源热泵

海水源热泵是通过热泵把海水中的热能提取出来加以利用。据测算冷却水温度每降低1℃,机组制冷系数可提高2%～3%[43];冬季通过热泵的运行,提取海水中的热量用以建筑供暖。系统以海水为冷、热源,可以部分甚至全部取代传统空调和供热系统中的制冷机和锅炉,是一种环保节能且易实现的能源利用方式[44],在瑞典、荷兰等欧洲国家应用较多,中国在2000年以后也开始重视海水源热泵的开发和试验,2008年青岛奥林匹克帆船中心媒体中心楼冬季首次采用海水源热泵供暖[45],开创了我国公共建筑应用海水源热泵技术的先例。

目前海水源热泵也面临“三防”问题,由于海水的自然化程度过高,内部物质组成极为复杂,相比污水来说,其对管路装置的腐蚀性更强,而且海水中存在大量海洋生物或生物卵,附着在管路上会严重影响设备的换热性能[46]。海水水温低、流量大,海水与清水的换热过程是一种特殊的传热过程[47],具有温差小、流量大等特点,其复杂的流动传热特性,也是阻碍海水源热泵发展的关键问题。研制防腐材料,改进防腐工艺,开发海洋生物除治技术,例如,电解海水制氯等技术,深入探索海水流动及传热特性,是解决海水源热泵推广缓慢和工程应用难以实现的关键。

6.复合热泵

在实际应用中,单一热源热泵存在各自的突出问题,如空气源热泵室外换热器冬季存在结霜、除霜等问题,地源热泵采用土壤埋管系统时存在地下埋管面积较大、初期投资大的问题,污水源热泵“三防”问题等等,均制约了其进一步的发展。目前结合单一热源热泵系统优势的复合热源热泵技术[48,49]已成为暖通空调行业研究发展趋势之一。

山东建筑工程学院的曲云霞、方肇洪等人对太阳能辅助供暖的地源热泵进行经济分析,结果表明:在我国北方采暖季节,采用地热换热器与太阳能集热器串联运行的方式比完全使用地源热泵更经济。上海理工大学的刘业风、伍德虎等对组合蒸发器型的太阳能和空气源双热源热泵及热水系统进行了控制方案设计,根据太阳能辐射强度及空调负荷的变化,采用不同的运行模式,可以减小运行成本,提高系统经济性。东南大学的张小松、徐国英设计了一种新型的太阳能——空气复合热源热泵热水器,该装置通过螺旋翅片蒸发管的平板型集热/蒸发器,可以实现对太阳能和空气源双热源的同步或切换利用。

但目前由于复合热源热泵系统较为复杂[50,51],运行控制要求较高,并且初期投资较高,回收周期长,该技术推广应用的进展一直都很缓慢。除了从技术角度进行更深入广泛的研究,优化其系统构件匹配外,还需要国家制定相关的配套激励政策,从而推动这一节能环保技术的应用和科研进程。