《地源热泵大学堂》（连载一）

《地源热泵大学堂》（连载一）

马最良
哈尔滨工业大学市政环境工程学院教授

    热泵空调是一种具有节能和环保意义的新型空调方式。近年来，在我国暖通空调领域中的应用十分广泛、发展迅速。为此，有必要向读者介绍热泵空调的基本知识，热泵空调发展中的新技术和一些前沿内容，做好热泵空调的普及工作，以期使读者能较全面的地了解热泵空调技术和其发展。

    第1讲   热泵的基础知识

    1.1 热泵装置与热泵系统

    1.1.1 热泵装置

    众所周知，所谓的热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置[1]。顾名思义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热能（如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等）转换为可以利用的再生热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的。

    由此可见，热泵的定义涵盖了以下几点：

   （1）热泵虽然需要消耗一定量的高位能，但所供给用户的热量却是消耗的高位热能与吸取的低位热能的总和。也就是说，应用热泵，用户获得的热量永远大于所消耗的高位能。因此，热泵是一种节能装置。

　（2）理想的热泵可设想为图1-1所示的节能装置（或称节能机械），由动力机和工作机组成热泵机组。利用驱动能源（高位能）来推动动力机（如汽轮机、燃气机、燃油机、电机等），然后再由动力机来驱动工作机（如制冷机、喷射器）运转，工作机像泵一样，把低位的热能输送至高品位，以向用户供热。

   （3）热泵既遵循热力学第一定律，在热量传递与转换的工程中，遵循着守恒的数量关系；又遵循着热力学第二定律，热量不可能自发、不付出代价的、自动地从低温物体转移至高温物体。在热泵的定义中明确指出，热泵是靠高位能拖动，迫使热量由低温物体传递给高温物体。

    1.1.2 热泵系统

    图1-2给出热泵系统的框图。由框图可明确地看出热泵机组与热泵系统的区别。热泵机组是由动力机和工作机组成的节能机械，是热泵系统中的核心部分。而热泵系统是由热泵机组、高位能输配系统、低位能采集系统和热能分配系统四大部分组成的一种能级提升的能量利用系统。

    图1-3给出典型地下水源热泵系统图示，以具体热泵系统简图来深刻理解热泵系统框图（图1-2），并以此说明热泵系统各组成系统的工作原理。由图1-3可以看出。

    （1）热泵机组冬季按热泵工况运行。机组中阀门V1、V2、V3、V4开启，V5、V6、V7、V8关闭。通过蒸发器4从地下水（低位热源）吸取热量Qe，在冷凝器2中放出温度较高的热量Qc=Qe+W，将满足房间供暖所要求的热量Qc供给热用户。夏季，机组按制冷工况运行。机组中阀门V5、V6、V7、V8开启，V1、V2、V3、V4关闭。蒸发器4出来的冷冻水直接送入用户8，对建筑物降温除湿，而中间介质（水）在冷凝器2中吸取冷凝热，被加热的中间介质（水）在板式换热器7中加热井水，被加热的井水由回灌井10返回地下同一含水层内。同时，也起到蓄热作用，以备冬季采暖用。

   （2）低位能采集系统一般有直接和间接系统两种。直接系统是将低位热源中的介质（如空气、水等）直接输给热泵机组的系统。间接系统是借助于水或防冻剂的水溶液，通过换热器将岩土体、地下水、地表水中的热量传输出来，并输送给热泵机组的系统。通常有地理管换热系统、地下水换热系统和地表水换热系统等。热源的选择与采集系统的设计对热泵机组、运行特性、经济性有重要的影响。

   （3）高位能输配系统是热泵系统中的重要组成部分，原则上可用各种发动机来作热泵的驱动装置。那么，对于热泵系统而言，就应有一套相应的高位能输配系统与之相配套。例如，用燃料发动机（柴油机、汽油机或燃气机等)作热泵的驱动装置，这就需要燃料储存与输配系统。用电动机作热泵的驱动装置是目前最常见的，这就需要电力输配系统，如图1-3所示。以电作为热泵的驱动能源时，我们应注意到，在发电中，相当一部分一次能在电站以废热形式损失了，因此从能量观点来看，使用燃料发动机来驱动热泵更好，燃料发动机损失的热量大部分可以输入供热系统，这样可大大提高一次能源的利用程度。

  （4）热分配系统是指热泵的用热系统。热泵的应用十分广泛。热泵可在工业中应用，如热泵干燥多湿物料（木材、纸张、谷物、鱼类、茶叶等）、热泵式海水淡化、热泵在石油化工蒸馏工艺中的应用、热泵回收工艺过程中的热量等。热泵也可在农业中应用，如温室加热、水产养殖、乳品厂清洗用温水等。暖通空调系统更是热泵的理想用户，这是由于暖通空调用热品位不高，风机盘管系统要求60℃/50℃的热水，地板辐射供暖系统一般要求低于50℃，甚至用30~40℃进水也能达到明显的供暖效果[2]。这为使用热泵创造了提高热泵性能的条件。因此，暖通空调系统是热泵应用中的理想用户之一。

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访谈：马最良教授谈地源热泵的推广应用科学之道

马最良教授简介：
哈尔滨工业大学博士生导师，九三学社社员。曾是中国制冷学会理事会理事、黑龙江省制冷学会副理事长、黑龙江省能源研究会副理事长、中国建筑装饰协会暖通空调委员会理事，《暖通空调》、《地源热泵》等杂志编委。从事的主要研究方向有：热泵技术在暖通空调中应用理论与实践；暖通空调设备的研制与开发；暖通空调设备性能试验方法的研究与发展。研究成果累累。著有《热泵》、《制冷技术与应用置》、《建筑节能技术》、《民用建筑空调设计(第1版和第2版)》、《水环热泵空调系统设计（第1版和第2版）》、《热泵技术应用理论基础与实践》、《地源热泵系统设计与应用》、《暖通空调热泵技术》、《空调工程中的制冷技术》（第1版和第2版）等著作与教材。

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