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摘要：本文分析了建筑空調用能中的熱泵技術對各種低品位能源的利用中存在的問題，提出了多熱源耦合熱泵系統，綜合、互為補充地利用多種低品位的能源。減少空調用能中高品位能源的消耗，實現按質用能。

關鍵詞：空調用能低品位能源熱泵綜合利用

引言

在土壤、太陽能、水、空氣、工業廢熱中蘊藏著無窮無盡的低品位熱能，由于這些熱能的溫度與環境溫度相近，因此無法直接利用。而熱泵技術可以通過輸入較少的高品位能源把這種低品位的熱能提高到可以在建筑用能的溫度，（如采暖、生活熱水）。現在的熱泵技術都是把某一種的低位熱源與熱泵技術結合，但是每一種熱泵技術的應用都有一定的不利因素，像土壤源熱泵需要有較大的空間，并且地下換熱器比較龐大；太陽能熱泵具有間歇性，在晚上和全云天無法使用；地下水源熱泵會對地下水造成污染，空氣源熱泵在冬季要考慮除霜等等。為此考慮可以把多種的熱泵技術進行綜合，綜合各種熱泵的優點，以避免不利因素，也就是對各種低品位的能源與熱泵技術結合，互為補充、互為協調的利用多種低品位能源。

1熱泵原理

圖1熱泵原理

圖1是最簡單的蒸汽壓縮式熱泵的工作原理圖，它由壓縮機、冷凝器、蒸發器和節流膨脹閥組成。其中，壓縮機起著壓縮和輸送制冷劑的作用，推動制冷劑循環的進行，是熱泵系統的心臟；冷凝器是熱量輸出設備，它將蒸發器吸收的熱量連同壓縮機所消耗的電功一起輸送給供熱對象；節流膨脹閥對制冷劑起到節流降壓和調節循環流量的作用；蒸發器是熱量輸入設備，在此設備中，制冷劑通過時吸收低溫熱源的熱量而蒸發。

根據能量守恒定律，有：

(熱泵)，(制冷機)根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的電功起到補償作用，使得制冷劑能夠不斷地從低溫熱源吸熱，并向高溫環境放熱，周而復始地進行循環。因此，壓縮機的能耗是一個重要的技術經濟指標，一般用性能系數(coefficientofperformance，簡稱COP)來衡量裝置的能量利用率，定義為：

（熱泵），（制冷機），

顯然，由于和都大于0，因此熱泵的COP值永遠大于1，即輸入較小的代價，就可以得到較大的收益。因此，可以說熱泵是一種高效節能裝置，如果把熱泵機組應用于室外低品位熱源和建筑環境之間，就可以實現常規空調的功能，因此，熱泵技術也是空調領域內實施建筑節能的重要途徑之一，對于節約常規能源、緩解大氣污染和溫室效應起到積極的作用。

2各種低品位熱源（匯）及相應熱泵系統的分析

2.1土壤熱源（匯）系統

地球是一個龐大的蓄能體，在地球土壤中儲存著取之不盡、用之不竭的地熱能。地熱能是一種典型的清潔能源，是可以再生的。在地表活動層的下面是一個常年溫度不變的層，在這個層中，溫度隨著深度的增加而增加，就目前來說，通過鉆深井利用地熱資源供給建筑用能是不經濟的。但是地表淺層中蓄存的低品位熱能的利用技術是比較成熟的。這主要是由于土壤作為熱源（匯）具有一些優點：熱容量大，土壤的溫度比較穩定，變化幅度比較小，有適宜的溫度范圍，地表溫度曾得溫度變化規律為：[1]

式中：為深h處時刻的溫度；為地面的平均溫度；為溫度變化的周期；為溫度變化的振幅；為土壤的導溫系數。

因此，土壤熱可以作為熱泵的源或匯，另外土壤的蓄能性能好，土壤溫度變化比空氣溫度變化相位有延遲效應。土壤越深，延遲的時間越長，其利用的方法是利用熱泵技術與淺層的地熱能源相結合，把淺層的地表作為龐大的熱源或者熱匯，成為土壤熱源熱泵。

土壤源熱泵是利用淺層的地熱能源作為熱源的閉路循環地源熱泵系統(closed—loopsourceheatPump)，即通過載能循環液(水或以水為主要成分的防凍液)在封閉地下埋管中的流動，實現系統與大地之間耦合和熱量的傳熱。冬季熱泵從淺層的土壤中取熱，用于建筑供暖，同時蓄存冷量以備夏用；夏季熱泵逆向運行，將建筑物內的熱量轉移到地下對建筑進行降溫，同時蓄存熱量以備冬用。因此，土壤源熱泵既保持了地源熱泵高效、穩定運行及維護費用低等優點，又可利用巖土的天然蓄能能力，且對周圍環境影響較小，是一種可持續發展的建筑節能新技術。但是，為了與大地土壤之間進行傳熱，需要有地下埋管換熱器，并且，埋管內的載能流體與管外的土壤之間的換熱系數小，能流密度很低，需要的地下換熱器的表面積就很大，占據較大的地下和地上空間，初始投資也比較大。

2.2太陽能

太陽能屬于取之不盡用之不竭的可再生的能源，具有以下幾種優點，數量巨大，每年到達地球表面的太陽能是目前全球總能耗的兩萬倍；太陽能清潔、安全，幾乎不會對環境產生環境污染。但是太陽能的能流密度低，在地面的任意表面上的太陽總輻射強度為：

，

式中為直射輻射強度；為總散射輻射強度；為陽光對平面的入射角。太陽能具有晝夜周期性，產生供能的不連續性，如果直接利用，會使太陽能利用設備的轉換設備和設備投資費用很高。

太陽能熱泵[2]一般是指利用太陽能集熱器作為蒸發器熱源的耦合熱泵系統，不同于以太陽能光電或熱能發電驅動的熱泵機組。太陽能熱泵將太陽能熱利用技術與熱泵技術有機地結合起來，與傳統的太陽能直接供熱系統相比，太陽能熱泵的最大優點是可以采用廉價的低溫集熱器，集熱成本非常低。由于太陽能具有能流密度低、供能得不連續性和不穩定性等缺點，常規的太陽能供熱系統往往需要采用較大的集熱和蓄能裝置，并且需要配備相應的輔助熱源，這不僅造成系統初投資較高，而且需要較大面積的集熱器，也占有較大的空間。

太陽能熱泵基于熱泵系統的節能性和集熱器的高效性，在相同熱負荷條件下，太陽能熱泵所需的集熱器面積和蓄能裝置容積等都要比常規太陽能系統小得多，使得系統結構比較緊湊，布置靈活。

2.3水源熱泵

水源熱泵以低溫水作為低溫熱源，可高效地利用量大面廣的地下水、地表水、電廠冷卻循環水及工業廢水、污水等作為低位熱源，熱泵COP一般可達到4~5，節能效果十分明顯。由于水體溫度一年四季相對穩定，其波動范圍遠小于空氣溫度的變化，因而水源熱泵不僅性能穩定、工作可靠、運行費用低，而且可以實現一機多用，滿足供暖、空調及生活熱水的需要。據美國環保署估計，設計安裝良好的水源熱泵平均可節約30~40％[2]的供熱空調運行費用。但是，水源熱泵也有其致命的弱點，它要受到可利用的水源條件、水層的地質結構、水資源使用政策以及能源結構和價格等因素的限制。例如，應用地下水熱泵需要有豐富和穩定的地下水資源作為先決條件，因此在應用之前必須做詳細的水文地質調查和技術經濟性能分析。

另外，對地下水的利用會造成水資源浪費，為避免地下水的嚴重流失，較大的應用項目通常要求采用地下水回灌技術，這目前是一個難題。同時保證地下水不受污染(通常采用閉式循環系統加以解決)。在靠近江、河、湖、海等大體積自然水體的地方利用地表水熱泵是值得考慮的一種空調熱泵型式，但受到自然條件的限制，一定的地表水體能夠承擔的冷、熱負荷與其面積、深度和溫度等多種因數有關，需要根據具體情況進行計算。此外，熱泵的換熱對水體中生態環境的影響有時也需要預先加以考慮。

2.4空氣源熱泵

室外的空氣也蘊藏著取之不盡、用之不竭的低位熱能，并且對它的利用也不會對環境造成影響。

空氣源熱泵以室外空氣作為熱源，用一個氣-液換熱器與熱泵機組耦合。具有系統簡單、年運行時間長、初始投資較低、技術比較成熟等優點，在冬季氣候較溫和的地區，如我國長江中下游地區，已得到相當廣泛的應用。空氣源熱泵的主要缺點是室外空氣溫度受到太陽輻射的影響，經常處于變化中，這對熱泵的效率的影響非常大，并且在冬季制熱量的變化與建筑熱負荷的需求趨勢正好相反，而且在夏季高溫和冬季寒冷天氣時熱泵效率會大大降低，甚至無法工作。由于除霜技術尚不完善，在寒冷地區和高濕度地區熱泵蒸發器的結霜問題可成為較大的技術障礙。

3多熱源耦合熱泵系統

綜合以上分析，無論是土壤熱還是太陽能作為熱泵系統的低溫熱源，都是要通過一個換熱器與熱泵機組進行耦合的。進行耦合連接的載能介質主要是水或以水為主要成分的防凍液。針對于熱泵系統的共性，可以把多個熱源通過各自的換熱器與熱泵系統連接，形成一個多熱源耦合的熱泵系統。多種熱源可以互為補充，互為協調、互為備用的利用。這樣，多種低品味熱能可以協調地利用，多種低品味的能源可以在空調用能中得到綜合的利用。并且，這樣做也有諸多有利之處，可以避免土壤源熱泵地下埋管換熱器的龐大，減少施工量和造價；可以避免僅靠太陽能熱泵系統的供熱不連續性，以及太陽能熱泵系統中的龐大的蓄能裝置和輔助熱源；也可以避免空氣源熱泵在夏季高溫和冬季寒冷天氣熱泵效率下降的問題。

4結束語

在建筑空調用能中采用熱泵技術可以有效地提高一次能源利用率，減少空調用能中高品位能源的消耗，實現按質用能的原則，減少溫室效應氣體C02和其它污染物的排放，是一種可持續發展的建筑空調節能新技術之一。

參考文獻

[1]陳啟高編著.《建筑熱物理基礎》，西安：西安交通大學出版社，1991

[2]曠玉輝，王如竹等.太陽能熱泵，太陽能，2003，（2）：20~24