熱泵系統(tǒng)在集中供熱中的應(yīng)用

趙 陽(yáng)

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030001)

0 引言

基于氣候條件的特點(diǎn)，供熱成為了我國(guó)北方地區(qū)居民正常生活不可缺少的條件。我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始采用城市集中供熱，如今集中供熱已經(jīng)從城市發(fā)展到了中小城鎮(zhèn)。與此同時(shí)，集中供熱消耗的能源也不斷增加，我國(guó)目前集中供熱消耗的能源絕大部分都是不可再生的化石能源，利用熱泵技術(shù)使集中供熱更多的利用可再生新能源具有重要意義。

1 熱泵概述

1.1 熱泵

熱泵是近些年發(fā)展起來(lái)的一種新能源技術(shù)，其能從自然界的水、空氣或土壤中獲取低位熱能，然后借助電能做功，可以為用戶提供高位熱能的一種裝置。

1.2 熱泵工作原理

熱泵主要是由熱交換器、壓縮機(jī)、保溫水箱、軸流風(fēng)扇、過(guò)濾器、水泵、儲(chǔ)液罐、電子自動(dòng)控制器和電子膨脹閥等組成。電源接通后，軸流風(fēng)扇開(kāi)始工作，此時(shí)通過(guò)蒸發(fā)器可以與室外空氣進(jìn)行熱交換，并把空氣溫度降低后被送至風(fēng)扇排出系統(tǒng)。同時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)部的工質(zhì)吸熱汽化后將會(huì)被吸入壓縮機(jī)，將低壓工質(zhì)氣體壓縮成高壓、高溫氣體送入冷凝器，被水泵強(qiáng)制循環(huán)的水也能夠借助冷凝器來(lái)進(jìn)行加熱后送至用戶以供使用，而工質(zhì)則繼續(xù)被冷卻成液體，該液體通過(guò)膨脹閥節(jié)流降溫后可以繼續(xù)流入蒸發(fā)器循環(huán)使用，這就是熱泵的工作原理。

2 吸收式換熱機(jī)組在供熱中的應(yīng)用

吸收式換熱機(jī)組主要是由發(fā)生器、吸收器、熱交換器、冷凝器、蒸發(fā)器、冷劑泵、溶液泵、自動(dòng)抽氣裝置、節(jié)流裝置及附屬裝置組成。其運(yùn)行過(guò)程中主要是采用溴化鋰吸收技術(shù)，并且在供熱領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。吸收式換熱機(jī)組主要是借助熱能(甚至廢熱)來(lái)進(jìn)行制冷，而自然界的天然物質(zhì)就是制冷工質(zhì)，從而可以達(dá)到節(jié)電環(huán)保的要求。結(jié)合城市供熱的實(shí)際情況來(lái)把溴化鋰吸收式制冷循環(huán)所需要的參數(shù)調(diào)節(jié)為適合采暖的要求，就能夠在城市供暖換熱站中取代傳統(tǒng)板式換熱器，其不僅可以有效提高換熱站換熱能力，提高供熱效果，而且還可以解決集中供暖問(wèn)題，確保民生。

3 利用熱泵實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供在集中供熱中的應(yīng)用

目前我國(guó)的熱力行業(yè)存在的主要問(wèn)題就是熱源結(jié)構(gòu)單一、能源供應(yīng)緊張，以及供熱缺口不斷增大，如何解決這些問(wèn)題成為了熱力集團(tuán)關(guān)注的重點(diǎn)。熱泵系統(tǒng)兼具制冷、制熱的作用，在集中供熱中應(yīng)用熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供，將多余的熱量傳輸?shù)接行枰牡胤?，從而使能源利用率得到提高，?shí)現(xiàn)節(jié)能減排，促進(jìn)供熱事業(yè)的建設(shè)發(fā)展。

熱泵系統(tǒng)的工作原理是逆卡諾循環(huán)，制冷系統(tǒng)的工作原理與此相同，但這兩者的使用目的并不相同。制冷設(shè)備的使用目的是降低環(huán)境溫度，熱泵的使用目的是提高環(huán)境溫度，這兩種目的的實(shí)現(xiàn)方式分別是吸熱、放熱。熱泵的工作范圍是環(huán)境溫度與被加熱物體溫度，而制冷設(shè)備的工作范圍則是環(huán)境溫度與被冷卻物體溫度。從低溫區(qū)到高溫區(qū)之間的熱量傳遞是非自動(dòng)性的，驅(qū)動(dòng)熱泵可實(shí)現(xiàn)這一熱量傳遞過(guò)程。由熱力學(xué)第一定律可知，將低溫區(qū)的熱量轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)后，可得到熱泵驅(qū)動(dòng)能量和低溫能量的總和能量。一般情況，熱泵熱力經(jīng)濟(jì)性的主要分析參數(shù)就是總和能量與驅(qū)動(dòng)能量的比值，即COP，制熱時(shí)稱為COPh，制冷時(shí)稱為COPc。COPc=Qc/P，COPh=(Qc+P)/P=COPc+1，或是COPh=Qh/P。分析這幾個(gè)公式可知，基于熱泵原理的制冷、制熱可建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供。

以某酒店為例，該酒店原本的冬季制暖、生活用水用熱由市政換熱站提供，夏季制冷由制冷站提供，換熱站具有一套生活熱水系統(tǒng)和一套采暖系統(tǒng)，制冷站具有一個(gè)制冷系統(tǒng)，采暖設(shè)備與制冷設(shè)備之間是相互獨(dú)立的。這意味著該酒店夏季制冷系統(tǒng)將室內(nèi)熱量單純排放到室外，浪費(fèi)了能源，而沒(méi)有將其用于生活熱水的供熱。利用熱泵可將有價(jià)值的余熱進(jìn)行回收，再次利用?？晒┻x擇的方案有以下兩種：第一種，夏季利用熱泵系統(tǒng)滿足酒店內(nèi)制冷及生活熱水需求，冬季收集集中供熱管網(wǎng)回水管道余熱滿足制暖、生活熱水需求。第二種，夏季將制冷系統(tǒng)中冷卻水中熱量用于生活熱水的制備，冬季將一次管網(wǎng)的回水溫度用于供暖和生活熱水制備。經(jīng)過(guò)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算可得出，這兩種方案中方案二更具價(jià)值。

4 污水源熱泵在集中供熱中的應(yīng)用

生活污水余熱是一項(xiàng)重要的資源，目前太原最主要的余熱資源就是生活污水余熱，如果能善加利用，生活污水余熱也能創(chuàng)造出巨大的價(jià)值。將城市熱網(wǎng)與污水余熱資源相結(jié)合，通過(guò)熱泵回收生活污水中的余熱用于熱網(wǎng)回水的加熱，變廢為寶，可顯著提高污水余熱資源的利用率，優(yōu)化集中供熱能源消耗結(jié)構(gòu)，增加集中供熱中可再生能源的比例，減少集中供熱對(duì)不可再生能源的消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，減小集中供熱對(duì)環(huán)境造成的污染。將熱泵與城市供熱管網(wǎng)相結(jié)合，建立高效、科學(xué)的污水源余熱回收系統(tǒng)具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：

首先，城市供熱管網(wǎng)能很好的滿足用熱需求。如北京市的熱力集團(tuán)的單一熱力公司供熱管網(wǎng)是全世界最大的，提供了北京的建筑采暖及全年生活熱水所需熱量。其次，結(jié)合城市供熱管網(wǎng)可擴(kuò)大污水源熱泵規(guī)模，優(yōu)化效益，促進(jìn)污水余熱回收項(xiàng)目的建設(shè)。將污水源熱泵應(yīng)用到城市供熱管網(wǎng)中，可顯著擴(kuò)大項(xiàng)目規(guī)模，提升項(xiàng)目?jī)r(jià)值。再次，延長(zhǎng)污水源熱泵年利用時(shí)長(zhǎng)，充分發(fā)揮設(shè)備價(jià)值。與城市供熱管網(wǎng)結(jié)合后，污水源熱泵在夏季回收的余熱也能得到充分的回收利用，提高污水源熱泵的設(shè)備使用率。

污水源熱泵是一種有效的回收余熱方式，目前的污水源熱泵利用方式分為直接利用和間接利用兩種。直接利用即讓污水直接進(jìn)入熱泵系統(tǒng)內(nèi)換熱而后將冷熱能傳至室內(nèi)，間接利用則在污水經(jīng)污水換熱器換熱后讓熱泵將冷熱能傳至室內(nèi)。直接換熱對(duì)換熱面積和換熱池容積的要求較高，需要的投資高，且運(yùn)行效果差，維護(hù)成本高。相比之下，間接利用方式在初投資、運(yùn)維成本、風(fēng)險(xiǎn)性都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 地巖熱泵在集中供熱中的應(yīng)用

除污水源余熱外，地?zé)豳Y源豐富的地區(qū)還可使用地巖熱泵解決供熱問(wèn)題。地?zé)崾且环N新型的可再生能源，能在一定程度上替代不可再生的化石能源為經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)提供能量。一直以來(lái)，包括現(xiàn)在，人們都對(duì)常規(guī)化石能源具有很強(qiáng)的依賴性，這些化石能源是不可再生的，越用越少，終將枯竭，還會(huì)污染自然環(huán)境。地球中蘊(yùn)含的豐富的地?zé)豳Y源將是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展亟需的新型能源，具有可再生性、穩(wěn)定性、可靠性的優(yōu)點(diǎn)。為此，地?zé)崮軐⑹敲禾康然茉吹淖罴烟娲?，在將?lái)可能會(huì)成為主要能源。

在淺層地?zé)岬睦弥?，土壤性能?huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)其利用對(duì)施工要求和場(chǎng)地要求較高，但在國(guó)內(nèi)仍然得到了較為廣泛的應(yīng)用。筆者將要著重介紹的是中深層地?zé)釕?yīng)用技術(shù)。我國(guó)的工程院副院長(zhǎng)提出了“取熱不取水”的中深層地?zé)崂眯路绞?，即無(wú)干擾地?zé)峒夹g(shù)。向地下一定深度巖層打孔，孔中設(shè)置特殊的換熱設(shè)備，將地?zé)崮芴崛≥斔偷降孛?，然后利用熱泵系統(tǒng)將地?zé)崮芴峁┙o建筑所需用熱。無(wú)干擾地?zé)崂眉夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)污染，免受地面氣候的影響，保護(hù)地下水資源，能清潔、高效、持續(xù)地利用地?zé)崮堋?/p>

6 結(jié)語(yǔ)

在集中供熱中應(yīng)用熱泵系統(tǒng)能促進(jìn)對(duì)可再生綠色能源的應(yīng)用，促進(jìn)集中供熱的改進(jìn)，減少集中供熱造成的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。熱泵技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，供熱技術(shù)的日趨完善，環(huán)保理念的深入人心，將使得更多技術(shù)和理念的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。