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 | 7080×2 | 33 | 43 | 164561 | 间接冷却水 |
| 炼钢厂 | 2926 | 33 | 45 | 40828 | 平均温度 |
| 焦化厂 | 9470＋8147 | 33 | 45 | 250144 | 平均温度 |
| 合计 | 35013 | 455623 |
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。
