热泵技术及其应用的综述

热泵技术及其应用的综述

热泵机组由于其具有节能、环保及冷暖联供等优点，目前在国内广泛应用。本次收集了在全国各类报刊杂志、年会资料集及论文集有关热泵技术及应用这方面的论文共207篇。在此作为一个专题研讨，供在座的各位教员和同学们参考。有关问题综述如下：

一、空气源热泵

空气源（风冷）热泵目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热水机组。热泵空调器已占到家用空调器销量的40~50%，年产量为400余万台。热泵冷热水机组自90年代初开始，在夏热冬冷地区得到了广泛应用，据不完全统计，该地区部分城市中央空调冷热源采用热泵冷热水机组的已占到

20~30%，而且应用范围继续扩大并有向此移动的趋势。

1、关于空气源热泵能耗评价问题

为了评价和比较热泵机组与其它冷暖设备的能耗，大约有30篇论文涉及此问题。介绍了适用于热泵机组能耗分析的理论与软件，根据空调冷负荷、室外干球温度、热泵出水温度等参数，采用温频数法，求解热泵供冷全年能耗。在求解热泵冬季能耗时，除考虑空调

热负荷、热泵出水温度、室外干球温度外，还把室外相对湿度（即温湿频数）考虑到热泵供热性能中，软件经工程实例计算，与实际耗能量有较好的吻合，为能耗评价提供了一种方法。

2、风冷热泵机组的选用

目前设计选用风冷热泵冷热水机组，常根据计算得到的冷热负荷，考虑同时使用系数及冷（热）量损耗系数后，按机组铭牌标定值选择机组台数。由于空气源热泵机组的产冷（热）量随室外参数的改变而变化，这种选择方法可能造成机组选得过大，造成浪费；或者选得过小，使供冷（热）量不足，达不到使用要求。为此建议采用空调的逐时冷热负荷和热泵机组的供热供冷能力的逐时变化曲线对照选择，会得到比较满意的结果。

3、热泵机组冬季除霜

空气源热泵冬季供热运行时，最大的一个问题就是当室外气温较低时，室外侧换热器翅片表面会结霜，（需要采取除霜措施）。根据有关文献摘录，经二年的现场跟踪测试，其结果是除霜损失约占热泵总能耗损失的10.2%，而由于除霜控制方法问题，大约27%的除霜功能是在翅片表面结霜不严重，不需要除霜的情况下进入除霜循环的。目前常用的一些方法，或多或少都存在一些问题，如发生多

余的除霜动作，或需要除霜时而不发出信号等弊病存在。有关文献提出的最佳除霜时间控制及最大平均供热量控制除霜等方法，从理论上讲很有新意，但实现起来比较困难。本人认为：采用自调整模糊除霜控制的思路及系统的基本结构，确定室内外大气温度、相对湿度之差及翅片温度的变化率等作为输入论域，经对输入量的模糊化和模糊推理方法，在高位机上实现模糊除霜控制的仿真，采用这种方法除霜经与实验数据对比，判别结果与实际情况较吻合。这种方法与常规除霜方法相比，不仅延长了制热工作时间，减少了除霜次数和除霜损失，而且使机组工作性能和可靠性得到了提高。

在室外空气温度低的地方，由于热泵冬季供热量不足，需设辅助加热器。常用方法是在室内机出风口处设加热器，这种方法不仅传热效率低，安全性能差而且化霜时间长，室内温度下降大，采用氟里昂加热器可以明显克服以上缺陷，这种方法就是把室内侧换热器分前后两部分，在中间增加一个氟利昂辅助加热器，即热泵在冬天运行时，压缩机排出的高温氯利昂气体进入室内换热器前部分时已有部分气体被冷凝成液体。此时经氟利昂加热器的加热，使该部分液体再次蒸发成气体，然后再进入室内换热器的后半部分。这样，依靠整个室内换热器，将热泵室外换热器的吸收的热量，连同氟利昂加热器所产生的热量一并传给空调房间内，补足了由于室外环境温度低而引起的供热量不足。相关文献介绍在KFRd-70LW热泵空调器上试验，得到了很好的辅助加热效果，而且化霜时间由3min减

少到1min（室外温度-1℃时）；由10min减少到3min（室外温度-7℃时）。

4、热泵机组的噪声治理

单台或多台热泵机组的噪声治理。分析风冷热泵机组的噪声传播特性，结合热泵机组的噪声治理工程实例，介绍了封闭式隔声消声装置的设计方法、设计要点和治理效果。

由于风冷式热泵的操作、管理及维修比较方使，具有制冷制热的双重功能，机组的散热又不需要冷却塔，因此，应用越来越多。但热泵机组的噪声易对周围环境产生一定的影响，近几年上海等地发生热泵噪声扰民的事件增多，已成为近期城市中一类带有普遍性的固定源噪声污染问题。因此了解单台或多台热泵的噪声传播特性，探讨热泵机组群噪声防治的方法，具有一定的普遍现实意义。

从热泵机组的噪声源、噪声特性、热泵机组的噪声治理实例、噪声控制及治理的技术角度看，热泵机组噪声治理工程实例有一定的推广价值和意义，在较好地解决了热泵机组通风散热、进排风问题、确保热泵正常运行的前提下，采用全封闭的隔声消声装置，把热泵的A声级噪声降低20dB左右，为在某些特殊场合把热泵噪声降低至需要的程度的噪声治理工程设计提供了一个可以借鉴的成功实

例，尤其是在热泵的排风余压较低或不了解具体的余压时，在设计隔声消声装置的进风排风系统时可以有一个具体的计算依据。

二、水源热泵

虽然目前空气源热泵机组在我国有着相当广泛的应用，但它存在着热泵供热量随着室外气温的降低而减少和结霜问题，而水源热泵克服了以上不足，而且运行可靠性又高，近年来国内应用有逐渐扩大的趋势。本次共收集到这方面的论文15篇，主要内容综述如下：

1、开发和使用未利用能、发展水源热泵技术

未利用能指的是还没有利用的能，大致包括自然类（如地热、温泉、河水、海水、湖水及地下水等）和城市基础设施类（如工场、发电厂、矿井、工业废弃物及公共浴室等等），如何利用这部分未用能作为生活用采暖、空调的热源、是应引起足够重视的问题，空调所对大连电力大厦采用发电厂循环水作为大厦水源热泵空调系统的热源，在技术上和经济上进行了分析，并进行了水面积的模拟试验，结果表明，采用水源热泵供热，其COP为4，每平方米采暖可以节约运行费5万元，节标煤5公斤。某作者还对利用某矿区现有的地下水（作热源），对单身18层职工公寓和住宅小区实施冷暖联供的四种方案进行了综合比较，结果是采用水源热泵的空调系统，不

管是从投资上，还是从运行费上，都具有明显优势。

2、发展住宅的水源热泵系统

随着我国住宅市场化改革，新建住宅小区迅速发展和居民对居住环境的改善需求，以及环保方面的要求，如何满足居住建筑的冷暖空调要求，是急需解决的问题。清华大学江亿提出采用深井回灌的水源热泵方式可能成为满足这种需求的住宅供热空调方式。

其原理，地下水从深井1中抽出进入板式换热器械2，与楼内循环水系统的水换热后，再通过深井2排到地下，循环水系统经住宅楼内管网送入各户，经各户的水源热泵产生热水（冬季）或冷水（夏季）送入末端装置，满足供热或空调的要求。在对深井、水系统及水源热泵和末端装置进行了详尽讨论，最后进行了经济分析，结果表明，采用这种“一户一机、深进回灌”的水源热泵方式，优于目前的冬季燃煤锅炉采暖+夏季分体空调方式。同时系统管理方便，住户可很方便地单独对温度调节。这一方式全部能源由电提供，无任何污染，空调排热全部进入地下用于冬季供暖，不再对小环境造成热污染，并且遭受不悬挂室外机，美化了建筑外表面。由于地下水是全封闭式系统，因此既不消耗任何地下水源，又不会对其带来污染。目前需要政府部门制定相应政策，以支持这种节能、节水、保护环境的方式。

3、水源热泵应用测试分析

空调所李先瑞等对大连发电总厂新建综合楼三层西侧一个房间（）的水源热泵系统进行了一个冬季的实侧，得到如下结论：

（1）水源热泵是一种介于中央空调和分散空调之间的优化空调能源方式，它既具有中央空调能效高，成本低和安全、可靠等优点，又具有分散式调节灵活、方便和便于收费等优点，是一种适合民用建筑的采暖空调方式。

（2）由于余热水源热泵具有热回收率高的特点，因此，经济性、节能性十分明显，在有条件地方应大力推广。

（3）自来水水源热泵系统，冬季采暖需补助加热，其经济性与加热热源方式有关。采用热效率高的燃气加热方式或以价格较低的蒸汽加热水作为加热源等热源时，以它们作为补助加热热源是合理的。

4、水源热泵冷热水机组的经济性

长沙铁道学院丁力行对湖南地区的中央空调系统，分别采用水源热泵冷热水机组、风冷热泵、溴化锂直燃机、水冷冷水机组+燃油锅

炉四种方案进行了经济比较，结论是水源热泵冷热水机组具有初投资较小，且成本比其它三种中央空调小19~65%的优点。

5、中高温水源热泵用混合工质研究

在地热利用中存在的主要问题是利用后排放的水温较高，一般为40~45℃。如利用这部分热水作为热泵热源，这就存在着一个使用甚么样的热泵工质问题，经采用CSD方程的大量计算，筛选出了一种低环害的非共沸混合工质，经实验测试，效果较好。采用此混合工质用以地热水（40~45℃）为低温热源的热泵系统，冷凝温度70℃左右，蒸发温度在20℃左右，冷凝压力在20以下，EER值在3.5~4之间，可以输出60℃左右的热水供用户使用。

三、地源热泵

地源热泵是以大地为热源对建筑进行空调的技术，冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。由于其节能、环保、热稳定等特点，引起了世界各国的重视。欧美等发达国家地源热泵的利用已有几十年的历史，特别是供热方面已积累了大量设计、施工和运行方面的资料和数据。

我国是发展中国家，由于多种原因，地源热泵的开发研究仅仅是近几年的事。有关地源热泵方面的论文共收集了13篇，表明国内对研究开发地源热泵系统已引起了足够重视。论文主要内容有：

1、垂直U形埋管地源热泵实验

青岛建工学院1998年建设了垂直铺设的土壤源冷热两用闭式热泵系统，地面设备采用美国谷轮OM300热泵机组和立式风机盘管；地下垂直埋设一根d45*4mmU形聚乙烯塑料管，深53m，孔网直径1.10m，塑料管总长110m（包括水平埋管4m），为了测试土壤温度变化，距主井每隔0.8m打一深13m的辅井。1998年8月26日开始运行测试，整个试验包含了二个夏季，一个冬季和二个春秋季，共五个季节。通过试验得到了如下结论：

（1）垂直埋管系统既可作为冬季采暖的热源，又可作为夏季空调的冷源，一机两用是可行的，它同水平敷设的系统比较，只占用极小的室外场地。

（2）采用一个单井作热泵冷热源时。夏季储热和冬季的储冷不明显，从设计角度可不予考虑。

（3）经过整个夏天（或冬天）的长期运行，埋管周围温度场发生变

化，其作用半径大约3m左右。

（4）塑料埋管同地下的热交换能力如下：

a.向地下放热（制冷工况）：按管长计算：20m/kw；按井深计算10m/kw；按管路外表面积计算；2.5m2/kw；

b.从地下吸热（制热工况）：按管长计算：35m/kw；按井深计算：17~18m/kw；按管路外表面积计算：4.5m2/kw。设计管路系统可按冬季工况设计，对夏季工况进行校核。

（5）在选择R22蒸发器和冷凝器时，建议参数如下：冷凝温度≤60℃，蒸发温度-2~7℃，制热时取低值，地下埋管充液按能抵抗-7℃的低温。地下流体流动温升6~8℃，蒸发器传热平均温差6~12℃，制热时取低值。冷凝器传热平均温差8~14℃，室内液体一般可不充防冻液。

（6）引进西方国家钻井下管一条成施工作业；开发特殊塑料管件：U型管件，二管接管技术。引进和开发特殊钻井回填填料，西方国家采用特殊的回填料可提高传热效果。

2、垂直套管式埋管地源热泵试验及传热模型

重庆建筑大学通过竖埋单管试验，地下套管式换热器较U形管换热器传热效率高20~25%，在单管试验的基础上，建设了10kw的地下套管式地源热泵系统，该系统地下部分为5排15根，深10m的竖埋套管，错排布置，间距1.5m，孔网与套管之间的缝隙用钻孔回收的岩浆回填，套管直径DN75~90mm，水管直径dN15~25mm，管材均为PVC塑料管。地上部分为水-空气热泵空调器；水-水热泵，末端采用立式风机盘管和冷暖地板。

热泵自98年10月投入使用，经过了两个冬季，两个夏季四个过渡季的连续运行测试，系统运行正常。冬季保持室温18℃以上，夏季保持室温28℃以下，热泵系统间歇运行，平均运行时间每天8~9个小时。通过2年的使用，积累了大量测试数据，并得到了一些有价值的结论。

（1）冬季运行，地下埋管，进水温度5.5~7.5℃（平均7.15℃），出水温度11.5~13℃（平均12.13℃,温差5℃左右），热泵压缩机吸气压力0.45~0.5Mpa（t0在3~6℃）；水-空气热泵排气压力1.4~1.65Mpa（tk在40~45℃）；水-水热泵排气压力

1.60~1.80Mpa（tk在45~50℃）。热泵运行7~10天后，进出水温度趋于稳定。

（2）冬季运行室内保持18~22℃（平均19.39℃）,热泵间歇运行，月平均运行小时数7.58h，地下埋管单位温度换热量平均为

77.93w/m，平均传热系数9.45w/mk。热泵性能系数

COP=3.06kw/kw。

（3）夏天运行，地下埋管进水温度34~43℃（平均41.48℃），出水温度27~34℃（平均32.3℃），温差9℃左右，排气压力1.6~1.8Mpa（tk在45~50℃），热泵压缩机吸气压力，水-空气热泵P吸=0.45~0.5Mpa（t0在3~6℃），水-水热泵P吸

=0.40~0.45Mpa（t0在1~3℃）。热泵运行20天后，进出水温度趋于稳定。

（4）夏季运行，室内保持21~27℃（平均23.38℃），热泵间歇运行，月平均运行小时数8.88h，地下埋管深度换热量90.6w/m，平均传热系数5.70w/mk，热泵制冷系数5.70w/mk，热泵制冷能效比EER=3.46kw/kw。

（5）地下埋管支路是三根竖管串联，经测试各竖管温差平均为1.9、1.5、1.6℃，表明各竖管传热基本均匀。

（6）地下埋管系统流量大小对埋管换热器的传热有重要影响，经变水量测试，每个支管环路1200kg/h左右为最佳流量，此流量相当

供水支管水流速1m/s，本管内水流速0.1m/s。在最佳水流量下单位埋管深度换热量和EER到达最大值。

（7）经重庆几个工程实例比较，地源热系统造价比家用分体空调器造价要高40~50%，用节约的电费偿还期约为4~5年。

（8）经测试分析地下埋管内热短路现象严重，测试结果为

0.3~0.4℃，占埋管换热量的20%左右，如何减小热短路，提高竖埋管的传热效率是需进一步研究的手段。

（9）建立完善的地下埋管传热模型，以确定不同地区，不同岩土性质下的最佳地下埋管换热器尺寸，继推广和发展地源热泵的关键技术，作为参照V.C.Wei地下埋管传热理论，采用系统能量平衡结合热传导方程建立了二维温度场数学模型，其中包括单管间歇（或连续）运行传热模型，串联套管传热模型，管群换热模型。该模型经验证，比实测值偏低10%左右，若经进一步完善和修正，对地源热泵系统设计及运行具有重要的参考及应用价值。

（10）正确了解热泵冬（夏）季运行终止至夏（冬）季热泵运行开始，这个过渡季期间内，大地温度的变化情况，是建立地下埋管传热模型的重要边界条件，也是保证地源热泵长期有效运行的重要数据。作为采用按径向和管长方向建立二维传热模型计算大地温度恢

复情况，并编制了相应的程序，计算值与实测结果有很好的吻合性。

（11）经模型计算，地源热泵连续运行30天热影响最远的距离（即传热远边界半径）为6m左右，但经计算其不同距离埋管对竖管干扰引起的大地热阻变化已变小，其干扰程度已小于2%，因此认为埋管间距采用3m是可行的，这与实测结果是一致的。

3、土壤及其黄砂混合物导热系数的实验研究

发展和推广地源热泵关键问题是要根据不同气候条件下及土壤的蓄、放热能力，选择热泵系统的合理容量和土壤中放热量的最佳间距和深度从而确定出最佳安装方案以便得到最大的经济和环境效益。本研究采用针对我国华东地区的有代表性土壤及不同比例的沙土混合物进行测试，其结论是：

（1）湿土壤及土沙混合物的导热系数，随密度P和含水率W的增加而增加。

（2）实验的纯土壤、纯黄沙，土沙比分别为1:2的混合物四种不同的测试对象中，以土壤混合物为1:2的导热系数最大，其关联式为K=2.38*10-10W0.79P2.79w/mk。

4、地源热泵采用蓄热水箱的夏季工况分析

一般地源地下埋管均为直流式水系统，当热泵间歇运行时，会造成压缩机起动负荷大，采用蓄热水箱就是在室外侧水系统上并联一个蓄热水箱，当热泵停止运行的间歇期，室外侧循环水泵继续运行使水流过蓄热水箱，以降低水箱及室外侧水系统的温度，经实验检验和数值模拟计算，采用为上方式可以明显降低水温，也即降低压缩机起动阶段的冷凝温度最终达到节能效果。

四、复合热泵

为了弥补单一热源热泵存在的局限性和充分利用低位能量，运用了各种复合热泵。如空气-空气热泵机组、空气-水热泵机组、水-水热泵机组、水-空气热泵机组、太阳-空气源热泵系统、空气回热热泵、太阳-水源热泵系统、热电水三联复合热泵、土壤-水源热泵系统等。有关复合热泵方面的论文共收集了12篇，论文主要内容有：

1、太阳-空气热源热泵系统

太阳-空气热源热泵系统是在传统的空气热源热泵系统的基础上，利用太阳能热源而新开发的系统。它可以制冷、供热、供生活热水，是一种利用自然能源、无污染、适用性广、效率高的新型冷热源系

统。

北京市建筑设计院关磊设计的太阳-空气热源热泵系统。由压缩机组、冰（水）蓄热槽、设在屋顶上的集热／放热板及冷媒管道组成。制冷运行是在夜间进行，一是利用夜间电力，二是利用屋顶上的放热板在夜间向室外散热。供热运行在白天进行，它利用太阳热及空气对流热作为采热源，进行热泵制热工况的。首先冷媒被压缩机压缩成高压高温气体，然后进入蓄热水槽（与冰蓄热槽共用）的盘管冷凝放热，冷凝后的液体再通过膨胀阀变成低压低温的液体进入设在屋顶处的集热板吸收太阳热及空气对流热，又成为气体返回压缩机，如此反复形成热泵制热循环。与此同时，利用蓄热水槽内的热水对建筑供热。

系统的特点有：节约能源、经济、高效率、适应性广。

该系统适用于办公楼、医院、温水游泳池、疗养院、学校、研究所、工厂等建筑。同一般太阳能利用系统相比，集热板面积已经大幅度减少，但由于受屋顶设置面积的限制，一般适用于5层以下的建筑。对于5层以上的建筑采用该系统时，应考虑设其它辅助热源设备。

2、土壤-水热泵系统

土壤-水热泵（下称土壤热泵）可利用低品位的土壤热能提供热水或向建筑物供暖。美国、德国及瑞典等北欧国家，已有上万台此类热泵装置在运行，土壤热泵技术已趋成熟，并迅速地加以推广使用。目前正在制订土壤热泵用于供暖的技术规范。

天津商学院制冷技术研究所高诅锟介绍了无污染、低品位的土壤热源热泵实现冬季供暖的技术，提供了土壤热交换的设计参数和室内供暖的匹配方法，并指出，与空气热源热泵的全年电费相比较，土壤热源热泵节电10％～12％。

房间供暖一般只需要较低的温度，从 的观点来看，用煤的高品位化学能取暖是很大的浪费，而且煤是很多产品的宝贵原料。而利用土壤热泵提供的40～45℃热水供暖（尤其是地板供暖）则把本来难以利用的低品位、无污染的能源利用起来，是节能的途径之一。

冬季土壤热源的温度不仅高于空气，而且较为稳定，如在天津市和河北省地区，在整个供暖期，地下1.6m深处土壤温度在13～10℃之间变化。空气热源的温度则不可能这样稳定，而且空气热泵不适于在7～-4℃范围内工作，它需要复杂的除霜装置，如空气热泵在外界温度-4℃以下工作时，蒸发温度较低，热泵性能系数明显下降。

在供暖季末期，由于供暖负荷的减少和土壤供热量的降低，土壤热

泵的输出与负荷有较合适的匹配。冬季热交换器盘管附近土壤的湿润和结冰能为热泵提供附加热量。夏季可以将土壤热泵转换为空调运行工况，可以达到节水目的，同时为冬季供暖贮热。在其它季节里可以提供生活用热水。

根据本文提供的参数，可以很快地进行设计计算。如已知供暖面积F2，选择热交换器型式所对应的匹配系数n，可以立刻知道土壤热泵系统各设备的负荷及土壤热交换器的占地面积及其结构和尺寸。

在自然界和工业废汽、废热、废水中，低品位热源不少，往往未加利用，从 观点分析，它们是冬季供暖的合适热源。土壤热泵可以把低品位的土壤热能利用起来，其性能系数可达2.5～3.0，是有效的节能技术。

从年度电费上与空气热泵相比，土壤热泵可以节省电费10％～12％（注：年度电费比较是土壤热泵、空气热泵夏天用于空调、冬天用于供暖时全年用电费用比较）。

3、太阳能-水源热泵空调系统

太阳能水源热泵系统由三部分组成，即太阳能集热系统、水源热泵系统和热水供应系统。其系统是将建筑物的消防水池作为蓄水供应

系统。以解决太阳能的间歇性和不稳定性。当环路水温高于35℃时，水源热泵空调系统同消防水池断开，冷却塔投入运行，当环路水温在15~35℃之间时，太阳能作为冷却塔停止运行，生活热水供应的热源收集的太阳能用来加热生活用水；当环路水温低于15℃时，环路与消防水池连通，太阳能水源热泵空调系统吸收太阳能。若仍有多余的太阳能时，可继续加热生活用水。

作者对哈尔滨、上海、乌鲁木齐等六城市应用该系统进行了详尽的模拟计算和预测分析，得出了如下结论：

（1）太阳能水源热泵空调系统是一种节能系统，应用前景广阔。其系统拓宽了水源热泵空调系统的应用范围，使目前内部余热小或无余热的建筑物也可采用水源热泵空调系统节能。

（2）初步得到太阳能水源热泵空调系统在我国各地的应用运行情况，并分别指出，对于不同的热源设备形式及能源形式，该系统在各地区的运行能耗情况和节能特性。

（3）在我国大部分地区运用太阳能水源热泵空调系统，都会收到良好的节能效果，尤其是对于年太阳辐射总量较高，冬季日照率高的地区，该系统是一种理想选择。