【关键词】空气源热泵,水源热泵,地源热泵,工业冷却水,制热系数
【摘要】本文简述了空气源热泵、水源热泵、地源热泵技术的发展和应用，并结合工业厂房水源热泵的应用，进行了工业冷却水源热泵的技术经济分析；对含有大量低温热量的冶金工业冷却水进行了供热供冷的可行性分析。
1 前言
热泵是通过消耗一定机械功，能从自然环境中吸取热量的设备，由于它能把不能直接利用的低温热源（如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等）转换为可利用的高品位热能，从而达到利用少量的高位能，节约大量高位能〔如煤、燃气、油、电等〕的目的。由于热泵具有节能作用同时能降低温室效应和减少对大气的污染，所以热泵技术成为当今世界节能环保最有发展前景的技术之一。
2 各种热泵技术
以低温源来分热泵技术，可分为空气源（各种气源）、水源（各种水源）、地源、太阳能等以及它们的组合技术。
2.1空气源热泵
空气源热泵以大气作为热源或冷源，即夏季热泵通过冷凝器向大气排热同时通过蒸发器向室内供冷；冬季热泵通过蒸发器向大气吸热同时通过冷凝器向室内供热。空气源热泵主要有两种机型，供冷热风的机组或提供冷热水的机组，有的机组在供冷的同时还能提供热水。空气源热泵主要适用在长江流域区域，在北方地区由于气温低和结霜除霜损失的原因，使热泵的制热效率下降，但是随着空气源热泵机组本身性能的提高，作为全年空调冷热源的空气源热泵机组，已应用于北京、天津等北方地区，所选择的热泵机组提供的冷量有点偏大，基本不用另加辅助热源，当然设备初投资和运行费用要高一点，越往北越高，应做技术经济分析后确定是否经济合理[1]。
解决寒冷地区采暖可采用双级热泵，一级为空气源热泵热水机组，提供10－20℃温水，二级为水源热泵供热系统，提供40－50℃热水，双级热泵供热期平均制热系数COP将会远大于2 [2]。
2.2水源热泵
水源热泵冷凝器和蒸发器与水源进行热交换，而且水源的水温比较稳定，夏季比空气源低，冬季比空气源高，所以制热系数比空气源热泵高的多。一种水源热泵空调系统称为水环热泵，是把各水源热泵作为终端设备安装在空调房间内或各个区域内，把各水源热泵机组的供回水管连接起来，组成一个循环系统，外部设备有封闭式冷却塔、辅助加热器（如锅炉等）。这种水源热泵系统大多用在地上地下建筑内，特别是在建筑物外区需要供热而内区又需要制冷，在供热制冷同时需要的空调系统，能起到很好的节能作用，与风盘集中空调系统比可以节能80%以上，在没有内外区的建筑使用也能达到15%的节能效果。当然也可以采用空气源热泵代替冷却塔和辅助加热器，对循环水的温度进行调节，满足水环热泵的最佳工作需要。
提供水源热泵的水源种类是十分丰富的，其中地下水源热泵,在国内的应用也已达到一定的规模，当前主要要解决的是地下井的回灌技术问题，防止水源的浪费和受到污染[3]。地下水是一种优质淡水源，随着地下水源的日益枯竭，国家是限制大规模使用地下水源，因为地质环境问题的出现，往往是灾难性，无法恢复和弥补的。因而转向采用地下埋管的“闭式”地源热泵。
2.3地源热泵
地源热泵的聚已烯埋管深40－100m，水平埋管深1.5－2m，单位钻孔长度取热率50W/m左右[4]。地源热泵一次投资要比风源热泵高10－20％，但其制热系数COP可达到3.5-4.4，比传统的空气源热泵要高40％，因此其运行费用为普通中央空调的50-60%，不到4年时间，即可收回增加的初投资，而且维护费用也低于其他空调系统。由于地源热泵具有节能和环保的双重效益，被列入21世纪最有发展前途的新技术[5] [6]。
热泵可利用的水源除了地下水，还有地上的江水、湖水、海水，另外还有大量工业的和民用的废水和污水。工业上有浊循环水和净循环水，这些水在工业过程中带走大量热量；民用的城市污水，城市社区产生废热40％含在水中。北京市已建中水设施250多个，在建的有100多个，已投入运行的有160多个，中水处理能力达到每天4万立方米。2004年，本市市区污水再生利用率将达到20％，2005年计划达到30％，2008年将达到50％，中水水质达到《城市杂用水水质标准》，因为水质好，可以不设过滤器，直接被水源热泵利用，换热过的水温差5℃，可以继续作为中水利用。如果按50%节能的建筑耗热量指标20.6W/m2计，每天4万立方米中水可供47万m2 建筑物采暖。
3 工业冷却水源热泵技术应用的探讨
钢铁工业生产过程产生大量的余热，如各种高温烟和炉气，工艺设备的冷却介质，高温产品及高温渣，余热回收通常用于生产，仅有发电热水，化工一段初冷却水，高炉水冲渣水用于冬季取暖。首钢设计院在山西宏阳焦化厂设计中采用化工一段初冷70℃余热水为采暖热媒 ,回水温度60℃，供水设计能力120m3/h，作为煤与焦的输送转运,破碎,筛分,贮存系统，皮带通廊等处防冻,和各生产车间,办公室,操作室,休息室等处采暖之用。
本文讨论的水源热泵应用于小于50℃的冷却水，它不算作余热资源设计范围。
3.1工业厂房的水源热泵的应用
钢铁企业的冷却水，有浊环水和净环水（包括软化水）两种。浊环水，主要是烟气和产品的洗涤用水，如转炉烟气，高炉煤气，熄焦，连铸坯的冷却等。净环水主要是各种设备和烟气、产品的间接冷却水，由于净环水水质好，水温可以用冷却塔等来控制，是水源热泵首选的低温水源。在钢铁企业的一些地方如车间办公楼，操作室、主控室等可以用工业循环水的水源热泵。以某210t转炉炉前控制室为例，集中空调面积达3000m2，夏天需制冷量450kW冬天需制热量300kW，采用2台风冷冷风恒温恒湿型空调机组，如改用相同制冷量的水源热泵机组，当冷却水循环水温，进水15℃，出水10℃时，制热量320kW/台，也就是说冬季开一台机，耗电76kW就能满足供热的要求，比采用电供热的方法节电76％，对于多个房间，发热量不同，温度要求不同的情况，采用水环热泵效果更好。
3.2工业冷却水水源热泵应用分析
一座年产600万t钢的钢铁联合企业，总用水量约为400万m3/h,其中冷却水占85％以上[7]。以首钢新建迁钢400万t/a钢规模为例，炼铁厂（2500m3高炉二座）、炼钢厂（210t转炉三座）、焦化厂（50孔6米焦炉四座，140t干熄焦二座）净循环冷却水见下表。
400万t/a钢铁厂炼铁、炼钢、焦化用净环冷却水一览表
净环水量 m3/h进水温度/℃出水温度/℃冷却水带走热量 KW备 注
炼铁厂7080×23343164561间接冷却水
炼钢厂2926334540828平均温度
焦化厂9470＋81473345250144平均温度
合计35013455623
三个厂净环水部分通过冷却水带走热455623 KW。 如果这些热量供冬季取暖，按平均50W/ m2计,可供建筑面积911万平方米；如按北京地区新标准，普通住宅的采暖设计热负荷指标不超过32W/m2，即按最不利工况时达到室内设计温度计算，可供建筑面积1423万平方米。
3.3工业冷却水源热泵技术经济分析
a.地下水源和城市污水源热泵供暖系统，在整个冬季电转换率都可达到350%～450%，即使考虑到发电热效率为33%，其总体转换率也可达到115%～150%，远高于区域锅炉房集中供热系统[11]。工业冷却水的进出水温是随季节变化的，上表的水温是夏季最热月的平均情况，而冬季要低的多。因为循环水的冷却是通过与空气接触，由蒸发散热，接触散热和辐射散热三个过程共同作用的结果。夏季室温较高，表面蒸发起主要作用，最炎热夏季的蒸发散热量可达总散热量的90%以上；在冬季，气温低，接触散热从夏季的10%～20%增加到40%～50%，严寒天气甚至可增加到70%左右[8]。冬季由于接触散热的增加，使得冷却水的进出整体水温下降。防止水温下降可以采取如下措施：循环水上冷却塔，但冷却塔风机不开；减少上冷却塔的水量；全部水不上冷却塔；外露管道适当保温，和吸水池加盖。采取以上措施可以提高水温到20～30℃ 。随着水温的提高，管网的散热量增加，冷却水的部分热量散失，但在冬季大部分热量还是可以利用的。水源热泵的制热系数COP与冷却水的水温有关，按照近似实际制热系数的公式[9]：
COP=55.33△T-0.7633,
其中：△T为冷凝温度与蒸发温度的差值。
如果冷凝温度55℃，蒸发温度为25℃，差值△T为30℃， COP为4.125。也就是说用一度电，可以提供4.125度电的热量。显然上式的使用是有范围的，但公式表明，热泵供水温度提高，COP不变，循环水温就得提高，如不能提高，COP将要减少。工业冷却水源的温度高于地下水源和城市污水源，其整个冬季电转换率应更高。北京地区普通建筑采暖天数为129天，11月和3月的平均气温约4.5℃, 平均供水温度50℃，平均差值△T为20℃，COP达到5.62。1月平均气温-4.4℃,供热量需增加1～1.5倍，如不能提高供水温度，就需要增加散热面积来满足要求。通过高温热泵技术可以把30～45℃的水温提高到65～80℃，甚至更高温度的热水用于散热器集中供热。热泵研究数据显示冷凝器进口水温77.6℃，出水温度85℃，蒸发器进口水温56.1℃，出口水温51.3℃，制热性能系数COP为3.68[10]。
对于工业冷却水源热泵提供45℃左右的热水，它的制热系数十分好。是低温热水地板辐射采暖、天棚低温辐射采暖制冷系统以及满足风机盘管用户的理想热媒，到2005年城镇采暖住宅建筑要在1981年住宅能耗水平的基础上达到降低能耗50%的要求；到2010年在2005年的基础上再降低能耗30%。如果房屋“保温”大幅度提高，那么在散热器面积基本不变的情况下，采用50～60℃的热水也能满足采暖的需要，而且舒适性更好。
污水源热泵系统比燃煤锅炉和空气源热泵的运行费用要低25%以上。更远低于其他供热方式的运行费用。由于工业冷却水源的水温高于污水源，所以冬季供热其运行费用要更低一些。对用散热器采暖用户，应考虑冬季温度高的冷却水，采用高温热泵，或者采用2级热泵系统，以满足寒冷月份的供热。用2级热泵的总制热系数要比1级低，是否比燃煤锅炉运行费用低，需要根据电价、供热环境温度、建筑耗热指标、供热的面积等情况进行核算。但是热泵系统占地面积仅有燃煤锅炉房的1/3～1/2，不需煤场和堆渣场地，不产生任何污染[11]，调控灵活。在供热方式环境评价方法研究中的二氧化碳、一氧化碳、烟尘、二氧化硫、氮氧化物五项指标中热泵式供热最好，为全优，而集中燃煤锅炉房为最差[12]。因此热泵式供热是供暖方案中的较佳方案。
从资料介绍热泵系统运行费用比传统的锅炉系统大约低25%，总投资也约低25%，这里的投资费用是水源热泵系统与传统的制冷加锅炉系统的比较。如果只考虑热泵供热与单建锅炉系统比，那么热泵系统投资要高一些，所以只有热泵系统实现供热、制冷以及同时供应生活热水，这样综合投资少运行费用低，并节能、环保。
随着社会经济的快速发展和人民生活水平的提高，需发展具备高舒适度、高功能配置的高品质住宅。供热、供冷、供生活热水设施也成为高品质住宅的主要指标。而水源热泵系统具有很好的三供的性能指标。
上面谈的采用工业冷却水水源热泵，要实现夏季供冷，一般工业冷却水的冷却能力不能满足新增水源热泵的需要，要另设冷却塔，这点与传统的制冷设施一致，除非工业冷却塔有能力富裕或原设计已经考虑了热泵的需要。
3.4 工业冷却水源热泵系统流程示意图
a.把水源热泵站建在冷却塔附近，可利用循环水的回水压力（约0.1MPa左右），经热泵蒸发器，后回吸水池见下图。
b.如果热泵机房离冷却塔远，就要增加加压泵加压，见下图。
4 结论
热泵是一种可以利用低温热源，以少量的电能转换出多于电能本身数倍热量的装置，是很好的节能、环保设施，其应用广泛。
钢铁企业的冷却水量大，并含有大量的热量，是可以通过水源热泵方法进行供热，是建筑供热很好的方案。特别是采用45℃左右的供热用户。其运行费用比其他系统要低。但是投资要比单建锅炉房高，但如燃煤锅炉房要上脱硫装置，费用将增加。如果需要实现冷热联供，水源热泵方法相对投资少。
钢铁企业利用冷却水水源热泵供热是可行的，但要根据当地情况进行分析，包括环保、能源政策、发展规模、供热远近、供热用户情况、煤、电供应情况，以及投资的利益等，在钢铁企业有余热可利用的情况下，首先要考虑余热利用。
