工作原理

3.3.5. 热泵

从理论上来讲，热泵的结构和工作原理与制冷机或者冷冻机是类似的。第四部分（制冷技术）介绍了压缩机和吸收制冷机/热泵的原理。

3.3.5.1. 常规供暖系统

单效热泵供暖系统只从从热泵输出热量，因此热泵必须能够在名义大气温度下单独满足建筑物的供暖要求。在热能来自于地下、废水以及地表水的情况下，最容易实现单效运行。

双效热泵供暖系统具有两个热发生器：热泵和燃油、燃气或者燃烧木材的锅炉。在室外温度较低时采用锅炉供热，或者两个热发生器单独工作（交替工作）、或者与热泵一起工作（并联运行）。另一种可能性是同样的装置部分并联运行。

水/水热泵

盐水/水热泵

燃气和柴油机热泵

3.3.5.2. 使用环境能源的方法

这些装置从从空气（通常为室外空气）获取热量，在可能的场合中，这些装置也可吸取空气获得热量，因为都是利用废热获取热量。按照其结构，市场上的空气/水热泵可以是一体式的或者分体式的装置。室内安装的一体式装置中，空气通过一根管道进入热泵。分体式装置包含两部分：一部分是配有风机的蒸发器（安装在建筑物外部，例如：安装在屋顶空间，也可提供不配备风机的无噪声蒸发器，这样的装置自然不消耗电能。为了补偿不装风机的缺点，蒸发器需要相当大的传热表面，分体式装置的另一部分是压缩机和冷凝器（例如：可位于地下室或者a供暖装置室内）。通过制冷剂管道将以上两部分连接起来，系统只现场充注制冷剂等。

在蒸发温度低于0摄氏度的情况下，蒸发器上能够形成白霜或者冰，这就必须频繁化霜。另外，在大气温度较低的情况下，热泵的性能系数大大降低。由于这样的原因，空气/水热泵不适合于单效工作。在双效装置中，通常使用替换模式，即在室外温度大致低于0摄氏度上，将装置切换到补偿供暖装置。

这些装置从废水、地表水、江河或者湖水中获得热量，排除与回水的方法、以及回水的最低温度必须得到正式授权。由于不像空气温度，水温常年远高于0摄氏度，并且还也还保持相对稳定，水/水热泵适合于单效或者双效并联工作。

这些装置本质上不同于水/水热泵，其冷侧的回路包含传热介质（防止发生冻结（盐水））。例如：盐水从土壤中吸收热量、或者从如无玻璃太阳能板、'太阳能屋顶'或者'太阳能围栏'等元件吸收热量，这样使得其可能甚至在低于凝固点的情况下利用环境中的热量。由于盐水（比热容和粘性）的物理性质不是很有利，换热器和循环泵很大。

更大的装置（热功率大约为300千瓦及以上）还使用配备燃烧热机的热泵。这些状的好处能够将不仅在于来自于冷凝器的热输出量而且燃烧热机的绝大部分废热返回到加热回路中。这样确保最佳利用一次能量。相比油或者燃气系统，能够得到多达两倍的热能。另外，通过热机冷却和冷凝器下游排气热回收能够达到更高的流体温度（最大大约为80摄氏度）。由于需要进行防噪声和排放气体控制，电热泵的初投资更高。

3.3.6. 热电联产（CHP）

热电联产（CHP）描述了同时产热和电的过程。该术语起源于那个时代，工厂中蒸汽机提供驱动机器的动力，而排出的蒸气用于供暖。目前热电联产（CHP）更适合于参见“综合产电和热”的解释。然而目前仍然使用术语“热电联产”或者CHP，并且并不限于建筑服务领域。

3.3.6.1. CHP应用

下列是不同的类型应用简要总结：

bull; 蒸汽轮机 发电机：主要用于在核电站和常规热电厂生产电能，产生热量以提高所建整个集中供热网的整体利用率。

bull; 燃气轮机或者大型内燃机 发电机：用于具有供暖和供电需求的大型装置。

bull; 热电联产装置：用于同时供暖和供电，按照热量需求生产电能，这样可以提高整个利用率，特别是与电驱动热泵一起运行更可提高整个利用率。

bull; 小型四冲程（奥托）内燃机和发电机：主要设计目的是充分利用已经利用过的少量气体（生物气体、污水处理燃气）。

在建筑服务领域中，热电联产装置特别普遍。

3.3.6.2. 热电联产装置

热电联产装置是用于商业建筑、医院或者工业厂房、或者为住宅社区居民供暖的小型CHP装置。一般说来，并联安装几套热电联产装置，每套热电联产装置承担大约25%的最大容量，这样使得其使用输出量柔性变化，一匹配需求。为了确保充分利用这些热电联产装置，通常要求配备另外的峰值负荷锅炉。贮热水箱有助于确保更长经济高效工作的时间。

一套热电联产装置（图3-19）包含：

bull; 燃烧热机（燃气机或者内燃机）

bull; 不同温度下利用电机废热的热回收系统（冷却水、排气以及可能润滑油）

bull; 发电机

图3-19 表示配备热电联产装置的装置示意图（没有热量用户）

1 热电联产装置 4 发电机

2 内燃机 5 蓄水箱

3a 冷却水换热器 6 峰值负荷锅炉

3b 排气换热器

动力可以是天然气、高温油、污水处理气体、生物气体、堆填区沼气或者裂解气。

为什么要热电联产？

在大型热电站燃烧供暖油或者天然气发电时，我们知道发电机的发电效率不超过30～35%，具体取决于发电机的类型，其余就是废热，如果距离电厂不太远有大量消费者的话，就能够利用废热。然而，大型电厂厂址距离居民住宅较远，这样建造一个集中供热网就不经济。这样一来，通过冷却装置将废热释放到环境（外部大气或者地表水）中。另一方面，通过在热量用户附近建造热电联产装置形式的小型发电装置，能够将30～35%的油或者燃气全部热值作为高级电能予以利用，并且另外50～55%的油或者燃气全部热值作为供暖能量。换句话说，能够利用80～95%的油或者燃气全部热值。

通过利用电能驱动电热泵，电热泵可以以有用热量的形式给出大约三倍的这样动力，这就可能产生超过150%的一次能量（油或者燃气）全部有用热量。

如果将热电联产装置置于一个建筑物的供暖控制中心或者一个居民区的中部，必须保持噪声和有害排放满足当地规范的要求范围内。

图3-20 油供暖（上图）和CHP（下图）的热流示意图：

从100%一次能量，具有热泵的CHP产生大约150%有用能量

商业建筑物的一个有趣选项是热电联产吸收式制冷机/热泵的组合，这样能够用于全年发电并且利用废热进行冬季空间供暖以及夏季进行空间供冷。从理论上来讲，能够在高于100摄氏度的燃烧热机应该用于这样的过程。

热电联产装置的应用

串联式装置

1. 热电联产模式

2. 热泵模式（配备燃烧热机）

热电联产装置用于满足热量和电力的内在要求，重要的是，同时按照现有比例要求供应热电两种形式的能量。热电联产装置还能部分或者全部替代应急供电。

这些特殊类型的热电联产装置也称为“3-机”装置，该术语指的是燃烧热机、发电机和热泵压缩机的组合。

对于这样的组合式热电联产装置，有四种不同的工作模式，能够使该装置在一年内大部分时间工作（作为一个例子我们给出了具体的数据）：

1. 热电联产模式燃烧热机驱动发电机有满足峰值电力负荷的需求。燃烧热机产生的废热用于供暖，热泵是单独工作的。

图3-21 燃烧热机驱动发电机

从结构上来讲，发电机转子将燃烧热机的驱动轴连接到热泵（传递损失大约为2%）

图3-22 燃烧热机驱动热泵

3. 由热泵驱动的热电联产装置

4. 使用电机驱动热泵

燃烧热机同时驱动发电机和热泵，由燃烧热机和热泵冷凝器所产生的废热得到有用的热量。只与热电联产（参见上面第一种模式）相比较，只产生大约一半的电能。

图3-23 燃烧热机驱动发电机和热泵

在燃烧热机失效并没有与其它装置连接的情况下，比如：热泵在低电价情况下工作或者（夏季）作为制冷机工作。

图3-24 发电机作为电机驱动热泵/制冷机

要求配备电子设备进行优化控制、监测并精细化调节串联式装置的运行。

3.3.6.3. 小型热电联产装置

微型热电联产装置是设计用于较小的装置（如那些单个家庭住宅和多家庭住宅）的热电联产装置，其提供所要求的供暖能量（最大大约为15千瓦）以及一部分所要求的电能（最大大约为5千瓦）。

图3-25 小型热电联产装置的工作原理（在本例中与太阳能DHW供暖相结合）

目前，小型热电联产装置配备了变速电机，并且包含必要的电力电子设备，将所产电能以相同的频率送到主电网。速度控制意味着无需其它装置来满足峰值负荷的需要。这些小型热电联产装置还能作为单效装置工作，这样相应地降低设备投资。

图3-26 小型热电联产装置 – 内置燃气机，燃气机的排量是270 立方厘米（来源：Ecopower）

3.3.6.4. 燃料电池

燃料电池技术已经延续了160 多年，1829年到1868年巴塞尔大学Christian Friedrich Schonbein教授发现了燃料电池效应。1839年，Schonbein的一个英国朋友William Robert Grove描述了电解过程逆过程的结果，并且认识到该效应有潜力成为发电的手段。从1842年到1844年，Grove集中精力研究燃料电池（那时他仍然称为“气体电池”，他将元件串联起来以增大电输出量。尽管在得到任何实际好处之前经历了很长时间，直到20世纪后半叶该技术从用于特殊应用场合（包含载人航天）中。这样延迟的主要原因是需要开发合适的材料。国家科研计划中已经启动了开发民用应用的燃料电池。目前一般认为燃料电池技术处于重要技术和商业突破的关键节点上，通过技术和商业突破使得21世纪运动和静止供应能源将会发生彻底变革。

工作原理

燃料电池将（通常燃气）燃料形式储存的化学能直接转换为电能和热能。

燃料电池与蓄电池的工作原理非常相似。燃料电池包含电极（阴极和阳极），阴极和阳极通过电解液彼此隔离。燃料在阳极氧化，在这一过程中所释放的电子通过外部电路流向阴极。在这一过程中，电子能够做电功。阴极处氧化剂吸收电子，电子数量减小。除了产生电能外，化学反应还产热热量。

燃料电池与蓄电池之间的不同之处是：只要供应燃料的话，燃料电池持续产生电能和热量。

图3-27 燃料电池的工作原理

好处

同时产生电能和热能的其它已有技术不像燃料电池一样总体具有如此多优异的性能：

bull; 良好的电能转换效率：

中试装置的电能转换效率为35%；实验室条件下电能转换效率为60%。

bull; 宽广的输出范围：

从几瓦到兆瓦级输出

bull; 有害污染物的低水平排放：

主要是水蒸气和二氧化碳（使用碳基燃料）。另外，由于燃料电池技术具有较高的转换效率，相比常规热机来讲，二氧化碳平衡非常好。

bull; 运行成本较低：

没有运动装置零部件，因此维护和运行成本较低。

bull; 合适的燃料选择范围广

bull; 因为没有运动装置零部件，可实现静音运行。

燃料电池的类型

按照所使用电解液的类型可将燃料电池分为不同的类型，燃料电池可以是液体或者固体的，并且具有下列特性：

bull; 与燃料和氧化剂类型和纯度有关的要求；

bull; 工作温度；

bull; 构造。

目前基本上有五种常用类型的燃料电池。另外，在燃料电池早期开发阶段还有其它衍变类型的燃料电池。要基于最适合给定应用场合的类型选择燃料电池。

对于国内应用场合，下列类型似乎正在定型：

bull; 高分子电解质膜燃料电池（PE(M)FC）

目前高分子电解质膜燃料电池是在汽车工业中的优先选择。

bull; 固体氧化物燃料电池（SOFC）

固体氧化物燃料电池目前用于住宅建筑无的试验项目中。