[科普中国]-热泵供热系统

热泵供热原理

热泵的理论起源于19世纪早期卡诺的著作之中，1852年开始研制热泵，本世纪20～30年代取得较快的发展，1943年世界上大型热泵的数量已经很多。但在60年代，电热器的低费用对人们吸引力增大，而热泵则因其可靠性低和设备费用高而被停顿、抛弃。70年代，资本主义世界的能源危机使人们广泛认识到矿物燃料的有限性，热泵又以回收低温废热，节约能源的特点，经改进后重返舞台。

热泵从周围环境吸取热量，并把它传递给被加热对象 (温度较高物体)，其原理与制冷机相同，都是按热机的逆循环工作，只是工作温度范围不同。热泵的驱动能源包括燃料能和电能、热能和机械能。由内燃机、燃气轮机驱动，有明显的节能效果。随着核电站的发展，以单相、三相交流电驱动旋转式压缩机 (小型热泵) 或离心式压缩机 (大型热泵)，将逐渐普及。也可用集中供热工种中热能，蒸汽轮机驱动等。

按热泵的驱动方式，目前分为4种： 机械压缩式，通过消耗机械能驱动压缩机完成热力循环达到热能的转移； 蒸气喷射式，蒸气在喷射器中消耗热能并取低温热源热量供热; 吸收式，通过吸收器消耗热能完成热能转移; 温差电热式，又称为热电势泵或珀尔帖热泵，是基于珀尔帖效应原理，pn结电偶消耗电能完成热能转移。热泵可回收100℃以下的废热，是高效利用低温热能的节能设备，现已应用在采暖、空调、烘干、除湿、干燥等方面。压缩式供热系统(如图)，

低沸点工质 (如氟利昂) 通过节流阀后在蒸发器中蒸发吸热，经压缩机提高温度和压力后送入冷凝器放热，凝成液体的工质通过节流阀再进入蒸发器蒸发，如此不断循环供热。热泵的低温热源通常是环境介质，如空气、地下热水和生产过程的废气、废水、废油等。衡量热泵性能的主要技术指标是热量变换系数为Q1/N，其中Q1是向高温物体供热的速率，N为压缩机等消耗的功率。可以看出在供热温度较高而低温热源温度较低的情况下，用热泵供热是不经济的； 压缩式热泵也不宜于电力不足或电费较高的情况下使用。近年来正开发研制一种新型节能热泵——化学热泵，它是利用化学现象(如化学反应、吸附浓度差等)的热泵，利用可逆热化学反应向用户供热，是很有发展前途的节能型产品。

分类热泵技术就是在高位能的推动下，将热量从低位热源流向高位热源的技术。也就是说，把不能直接利用的低品位的热源如空气、土壤、水、太阳能、工业废热等热源转化为可利用的高位能热源，从而达到部分节约一次性如煤、石油、天然气、电等高位能源的技术。热泵因其低温热源种类不同，其工作原理也有所区别。

地下水热泵系统地下水热泵系统就是将地下水井内的地下水抽出送人热泵机组，与热泵的工作介质进行热量交换后再通过回灌井回灌到原来的地层中去。抽水井和回灌井的数量，由设计负荷、需水量大小、地下水出水能力和回灌能力确定。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种形式。

地表水热泵系统地表水热泵系统就是将江、河、湖泊的水在循环水泵的驱动下，经过处理直接流经热泵机组或通过中间换热器进行热交换的系统为开式系统，将封闭的换热盘管按照特定的排列方式放入具有一定深度的地表水中，传热介质通过换热管管壁与地表水进行热趸换的系统为闭式系统。

土壤源热泵系统土壤源热泵系统就是以大地土壤为热源将热泵的换热器埋在地面以下，利用热泵的循环液体与大地土壤进行冷热交换的系统。可以分为水平埋管、垂直埋管及蛇形埋管等形式。

空气源热泵系统空气源热泵系统就是利用专用的工质吸收环境大气中的热量而汽化，通过压缩机压缩升温，变成高温高压气体，再经过换热器与待加热的水交换热量而冷却，最后经过膨胀阀释放压力回到低温低压的液态。热泵如此通过制冷剂的不断循环与待加热水交换热量将水加热。其能效比(COP值)可高达2．0～5．0。同时在运行中不释放附加热能，不排放有害物质，工质与被加热水完全分开，不会造成二次污染，故属于节能环保产品。

地源热泵系统组成地源热泵系统主要分三部分：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中地源热泵机组主要有两种形式：水-水式和水-空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，地源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。

地源热泵机组主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成，通过让液态工质(制冷剂或冷媒)不断完成：蒸发(吸取环境中的热量)→压缩→冷凝(放出热量)→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵(制冷)系统的心脏; 蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的;冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的;膨胀阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功(电能)起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。地源热泵系统如图所示。2

分类按所选用的热源种类可分为：

1．①水源型热泵。就是利用一年四季温度基本上都比较稳定的温度较低的地下水、海水及江河水作为热源，以及利用工业废水：污水处理厂的处理污水，因其温度较高，一般高于20℃，不结冰，故也是很好的热源；

②空气源型热泵(以下简称气源热泵)，就是直接利用环境大气作为热源；

③土壤地源型热泵：就是利用埋设在土壤中盘管内水的流动而吸收土壤中的热能。土壤吸收大量太阳能形成低位热能资源，并有蓄热功能、温度稳定且全年波动较小，冬季土壤温度比空气高，则制热效率高。

2．按热泵系统的用途可分为：①独立式热泵热水系统：就是单纯为制备热水而设置的系统；②热水与空调联合式的热泵系统：就是既具备制备热水功能，同时还具备空气调节功能。采用该系统时需要与空调专业共同联合设计。

3．按照《地源热泵系统工程技术规范》GB 50366--2005的规定：地下水源热泵、地表水源热泵及地埋管土壤热泵均定义为地源热泵系统。

系统设计与选择1．地源热泵系统方案设计之前，应进行工程场地状况调查，并应对浅层地热资源进行勘察。具体勘察内容和要求，应按《地源热泵系统工程技术规范》GB 50366--2005的规定执行。

1)根据工程勘察报告，经技术经济比较后确定是否采用地热热泵系统，以及采用哪种低温热源种类的热泵系统。

2)游泳池池水加热系统不得采用地埋管地源热泵系统。

3)游泳池池水加热系统采用水源热源系统时，水源供水量必须充足。水质满足热泵机组要求，否则应采取有效的净化处理措施。如水源为地下水时，应采取可靠的回灌措施，将换热后的地下水回灌到同一含水层且不得污染地下水资源，严禁将换热后的地下水直接排放。

2．游泳池一般都建在城市，利用水源热泵或土壤源热泵，尚有一定的条件限制。列设有集中空调系统的大型游泳中心及酒店游泳池，可采用循环冷却水或冷冻水作为水源熟泵的热源。

3．空气源热泵系统由于它的热源是空气中的热能，它的热效率是随着环境温度的升高而增加，随着环境温度的降低而降低。因此，应对当地的气温进行仔细分析，并通过对设备初次投资、设备运行费用、管理费用、环境保护等方面因素进行经济技术比较后，以确定采用哪一种空气源热泵系统。