关于热泵装置的发展概况

关于热泵装置的发展概况

苏震李国平耿林风

（郑州大学，河南郑州450000）

摘要：随着能源危机和环境污染的不断加重，为了对环境进行有效的治理，热泵技术不断地被推广与应用。本文简单地介绍了热泵装置的原理及优势；概述了热泵技术的应用领域；同时，对热泵装置的发展动向和制约其发展的因素进行了简单的分析；并展望了热泵技术的发展和推广前景。

关键词：热泵；原理；发展；现状；前景

1引言

当今世界，环境污染和能源紧张问题已经成为各国共同面临的两大难题。因此，在能源危机日趋紧张的今天,作为一种能够通过借助一部分的高品位能使大量的低品位热能得到充分利用的装置，（就如同水泵能够通过借助一部分电能将水从低位处泵送到高位处一样）热泵装置近几年来逐渐地成为了科学家和广大研究人员眼中的宠儿，并且成已经为消费者关注的焦点[1-3]。近十几年来,尤其是最近的5年以来,热泵技术已经成为国内建筑节能及暖通空调行业中的热门研究课题，并且已经开始应用于工程实践，逐渐向市场化、产业化的方向发展[2]。与此同时，随着热泵技术在我国的不断普及，现在热泵技术的应用也已经拓展至热泵热风干燥在工农业中的应用、利用热泵装置进行太阳能热水系统的辅助供热、冷暖空调等多个领域[4]。

2热泵的分类

2.1按工作原理分类

按照工作原理分类，热泵可分为吸收式热泵、蒸汽喷射式热泵、热电热泵、蒸汽压缩式等。

2.2按制热温度分类

按照制热温度的不同进行分类，基本可以把热泵装置分为常温热泵、中温热泵和高温热泵。其大致的温度范围如下：温度低于213K时，被称为常温热泵；所制取的热能的温度在213K-373K之间时，被称为中温热泵；所制取的热能的温度高于373K时，被称为高温热泵。

2.3按驱动的能源进行分类

按照驱动能源的不同进行分类，基本上可以把热泵装置分为燃气类热泵、燃油类热泵、电动热类泵、蒸汽类热泵和热水热类泵等等。

2.4按载热介质分类

依据高温载热介质和低温载热介质的不同组合，可以将热泵分为以下几种：土壤-水热泵，水-空气热泵，空气-空气热泵，空气-水热泵，水-水热泵，土壤-空气热泵[5]。

3热泵装置的特点

3.1热泵装置的优越性

热泵装置是对低温热源的热量进行收集后，再经过处理将温度升至适合商业、农业和工业等行业利用的热源，以可以实现耗费少量机械能获得更多的热能的目标。因而热泵装置可以对能源实现更为高效的利用。同时，也可以通过大幅度地减少供热锅炉房的数量，来实现节约燃料、减少大气污染的目标。此外，热泵装置因为可以利用一切自然能源，而且可以对工厂生产过程中产生的废热与余热进行有效的利用。所以，在一定程度上也可以减少热污染，改进城市的卫生环境，从而有效地维护了生态平衡的稳定[6]。因此，改革开放以来，热泵在我国的各种场合的应用和研究都有着很大的进步。[7]。

3.2热泵装置的局限性

近几年来，除了京津地区，热泵在其他地区的实践应用也在逐渐加快，其中影响比较大是三个中美合作建设的地源热泵示范工程。[7]即清华同方人工环境有限公司为山东省的胜泰大厦建造的地下水热泵系统和对丰台空军招待所的办公楼中的热泵系统进行了改造；重庆大学城市建设与环境工程学院参与设计的新疆米泉市小型办公楼和重庆大学B区暖通实验楼的热泵系统（这两个系统主要采用的是地源热泵）等等[4]。但对应的问题也逐渐暴露了出来，下面主要以地源热泵和热泵热水器为例进行简单的阐述分析[8]。

3.2.1地下水超采现象严重已引发一些地质灾害问题

对地下的水超采主要包括以下两个方面：一方面是对浅层地下水的超采。造成了地下水位持续下降等问题；另一方面是对深层承压水的超采。由于对深层承压水的补给十分困难。[9]

3.2.2热泵热水器的局限性

虽然热泵热水器的工作原理与部件组成等同普通的空调器相比并无较大的差异。但是，相对于普通的空调器和热水装置而言，热泵热水器还是存在着一些较为鲜明的劣势的，主要体现在以下几个方面：

(1)热泵热水器在冬季寒冷天气下制热困难的问题，如：热泵装置在冬季运行时，热水的温度比较低和加热的时间过长等问题；

(2)在夏季高温高湿的天气下时常会出现过载等问题：即在高温高湿的环境下时常会出现热泵热水器在水温未达到设定值之前就跳闸的现象[10]。

3.3热泵的发展前景

在计划经济时代，由于种种因素的制约黄河以南的地区冬季基本上不实行供暖。近年来随着经济社会的不断发展和人民物质生活水平的不断提高，南方的人们也逐渐变革了冬季不供暖的习惯。但南方地区的地理环境决定了南方地区并不适合像北方一样搞耗能大，浪费大的区域集中式供暖，而应该提倡因地制宜搞分散式供暖，各自根据自己所在（小区）需要的进行供暖，可以以一栋楼、一排房为单位来分别对待或者分散解决。因此，地源热泵在南方的冬季实现供暖还是有着很大的发展潜力的[1]。所以对热泵技术的改进和研究还是有着极其重要的实际意义的，国家也在这方面投入了大量的人力、财力和物力。目下面就简单地介绍一下针对以上谈到的问题解决方案。针对因地源热泵的发展而引起的地下水超采现象，现今的研究主要在致力于通过优化地下水源热泵装置和汇井的运行特性来解决抽水和回灌引起的地下水运移(水力、热力特性)等问题。同时，专家学者们也在积极寻求易于回灌的地下水源，不断将其他专业的回灌经验和技术与地源热泵的回灌技术相结合等等[11]。针对热泵热水器暴露出的一些问题，当今的科学研究主要朝着寻找新的制冷剂以提高供水的温度的方向进行的。由于CO2是一种对臭氧层没有破坏的自然制冷剂。同时它也是安全、无毒、不燃烧，与润滑油和金属、非金属材料不起作用，高温下也不会分解成有害气体的制冷剂[12]。所以终将会代替R22。此外，CO2为跨临界循环的临界温度和冷凝温度都比较低，更容易使热泵热水器的冷凝换热量增加，从而使热泵热水器的COP比常规热水器要高出许多[13]。而且CO2热泵的热泵循环比氟利昂的循环对应的工作压力要高5-7倍[14]。所以特别适合家用热水装置，因此，从长期环保的角度考虑，现在的制冷剂正在逐步向CO2方向过渡[10-13]。

4结语

近年来，随着热泵技术的不断成熟，为进一步响应节能环保的号召，学者们逐渐尝试不断把热泵技术和其他节能装置结合起来。例如：在先进的直接能量转换系统中，时常将热电装置与热泵技术结合起来进行研究[15]。此外，为有效地避免地下水超采等问题，人们在积极寻找易于回灌的地下水源的同时也在不断地加快对地下水回灌技术的改进工作。总体来说热泵装置还是着较为广阔的发展前景的。因而，热泵技术在我国的应用发展还是具有很大的潜力的。

参考文献

[1]刘悦，张云辉.热泵原理及其国内外发展[J].化工学报，1998，11（3）：15-20.

[2]周子成，蔡湛文.国内外热泵热水器的发展[J].家电科技，2006，12：2-4.

[3]郑克棪.从能源革命谈中国地源热泵发展前景[J].供热制冷，2015，10：1-2.

[4]刘显瑞，罗会龙，李超等.热泵技术应用现状及发展动向[J].昆明理工大学学报，2012，5：3-6.

[5]杜占.热泵的应用及其发展[J].化学工程与装备，2012，2：1-3.

作者简介：苏震（1994.07-），男，河南人，郑州大学，研究方向：制冷；

李国平（1990.08-），男，河南人，郑州大学；

耿林风（1994.10-），男，河南人，郑州大学。