【关键词】中高温热泵,节能,区域供热
【摘要】能源与环境问题是当今世界各国面临的重大社会问题，热泵作为一种既节能又环保的技术越来越受到人们的重视，以工业废水为低位热源的中高温热泵技术的开发，对于我国北方城市区域供热及其他用热领域具有十分重要的意义。本文介绍了中高温热泵国内外研究与应用现状，并提出研究与开发中高温热泵要从热泵的系统形式、热泵的工质及热泵的工作部件等几个方面进行。
1 前言
能源与环境问题是当今世界各国面临的重大社会问题。我国地大物博，资源储量丰富。但是由于人口众多，煤的人均储量仅为世界平均的1/5，石油的人均储量仅为世界平均的1/8，天然气则仅为世界平均的1/25。不仅如此，我国能源利用率非常之低，单位产值的能耗是美国和韩国的6倍，是日本的12倍[1]。我国的环境问题也非常严重。由于我国能源结构以煤炭为主，大气污染的主要特征是煤烟型污染，全国每年由于燃煤所排放的粉尘量约为2.3×107t，SO2约为1.46×107t，远远超过了全球陆地平均污染负荷量[2]。在全球大气污染最严重的前十座城市中，我国占了其中的5座（北京、沈阳、西安、上海和广州）[3]。
近年来，热泵作为一种既节能又环保的技术越来越受到人们的重视，并且逐步向大型热泵装置的方向发展。热泵是这样一种装置，它按照逆向热力循环，利用少量的高位能去提取周围环境中的无直接用途的热量，使其能位提升，从而获得更多的可利用热能。热泵可利用的低位热源的范围很广，如自然环境资源（如空气、水、地热能、太阳能等）、生活中所排出的废热（如排水和排气中的废热）、生产的排除物（废水、废气、废渣等）等等。中高温热泵的“中高温”是相对于目前占市场主导地位的最高热水出水温度在55℃以下的热泵而言，一般供热温度在60℃以上，正常运行出水温度范围为62℃～70℃，可以满足所有中央空调和生活热水系统对水温的要求。虽然在供热温度上只有十几度的提高，但对于热泵技术来说需要极大的突破。
在我国的采暖地区，随着对节能和环境空气质量要求的不断提高，各大中城市纷纷对燃煤锅炉进行取缔，这就意味着每年有大量的供热热源需要进行改造。这些改造项目大都是采用高温热水的区域供热系统，用户末端装置为散热器。在保持原有供热系统形式不变的前提下，将旧有的供热热源改造为热泵进行供热是一种既节能又环保的方法。但是，由于目前热泵机组的供水温度较低，难以满足区域供热系统对热水温度的要求（要求80℃以上）。因此，需要进一步提高现有热泵机组的供水温度。另外，在原油的生产过程中，需要将原油加热到55℃以上进行输送（否则原油会因结蜡而无法输送）。目前，这部分能量主要靠燃烧天然气来进行提供，仅大庆油田每年消耗于此的天然气就高达1亿立方米。同时，燃烧天然气的燃烧炉也非常易于损坏，5年左右就需要更换燃烧炉内的换热管壁，维修费用很高，因此迫切地要求使用新型的加热设备来取代现有的燃气锅炉，而在中高温热泵同样为一种有效的替代设备。
我国的工业废水中蕴涵着大量的低位热能。在原油生产过程中将分离出大量的含油污水，大庆油田的污水排放量为4.014万吨/小时，水温38℃左右；辽河油田的污水排放量为4.89万吨/小时，水温43℃；胜利油田的污水排放量为5.38万吨/小时，水温40℃。为了保证原油产量，这些污水必须回注到地下，如果不加以利用的话，其中的能量就会被浪费掉。在钢铁工业、电力工业和石化工业中也存在大量的低温废水，温度在30～70℃之间。如果将这部分低温废水排入河流和大海中，不仅会造成能源的极度浪费，而且会导致环境的严重污染。利用中高温热泵技术将废水中的低位热能提取出来，使其成为高位热能，就可以应用到城市集中供热和原油拌热输送等民用和工业用热领域中，从而实现了能源的合理利用。因此，以工业废水为低位热源的中高温热泵技术的开发，对于我国北方城市区域供热及其他用热领域具有十分重要的意义。
2 中高温热泵国内外研究与应用现状
2．1 中高温热泵国外研究与应用现状
瑞士被称为传统的热泵国家，由Sulzer公司生产的大型高温热泵机组不仅历史久远而且广泛地应用于世界各地。该公司于1938年生产的高温热泵机组至今仍然服务于瑞士的苏黎世市政厅，其供水温度为60℃，这也是欧洲第一台高温热泵机组。1982年，Sulzer公司以地下水作为低位热源在瑞典西北城市Bjuv的一个小区内建立了热泵站进行区域供热，供热能力8.7MW，供热温度70℃。随后，该公司又研制出以地下水、河水、海水和污水为低位热源的多级压缩中高温热泵机组，最高供水温度可达80℃，制热系数在3以上，并已广泛应用于瑞典、挪威、瑞士等国家的城市区域供热中。英国某牛奶工厂以冷却牛奶后的水为低位热源（温度在18～54℃之间）建立废水回收系统，其供水温度在60℃～104℃之间。美国Trane公司生产的大型离心式热泵机组的最高供水温度为49℃，主要用于热水供应。其型式主要有两种：一是在原有冷水机组上增设辅助冷凝器；二是直接生产的热回收型的冷水机组。美国McQuay公司生产Templifier（天威）系列离心式热泵机组的最高供水温度为60℃，其低位热源为10～49℃的余热。日本在上世纪90年代初开发出一系列高效的热泵系统，其中高温型在温升为100℃时制热系数可达到3以上[4]。
热泵的供热温度较低一直是阻碍热泵发展的一个重要因素。为了增强的热泵的竞争力，近年来中高温热泵的研究已成为国际热泵研究的一个重要方向。日本的Japanese Super Heat Pump Energy Accumulation System项目，美国IIR热泵发展计划[5]及欧洲大型热泵研究计划中，中高温热泵均是其重点研究内容之一。
2001年，瑞士的Matin教授提出了在旧有建筑热源改造项目中推广热泵区域供热的思想[6]。他指出在旧有热源改造项目中，输送管网通常为高温热水管网，对水温的要求很高，这就促使热泵必须向高温方向发展。大量的工业废水为热泵提供了低位热源，为其应用提供了良好的条件。这样，热泵就既可以充分利用其他方法难以利用的工业余热，又以效率高于其他供热方式提供所需的热能。此外，工业废水经过热泵利用后，将以较低的温度排放，减少了对环境的热污染。
2．2 中高温热泵国内研究与应用现状
我国对于中高温热泵系统的研究较少，并主要局限于化学工艺过程中的小型热泵机组。1989年，天津大学李新国等人[7]进行了中高温热泵的研究。对适用于中高温热泵的制冷剂、压缩机和润滑油进行了分析，并建立了水-水电动热泵实验台。1997年，陈东等人[8]对于中高温热泵低环害工质进行了理论和实验研究。2001年，天津大学马一太等人[9]对CO2超临界循环水源热泵系统进行了研究。他们指出CO2超临界循环水源热泵系统的供水温度能够达到90℃，CO2可以作为中高温热泵的循环工质。
2001年，富尔达公司在大庆安装了一套的水-水热泵系统，其低位热源为含油污水。该系统采用螺杆式压缩机，最高供水温度为65℃，用于污水联合站内建筑物的空调和采暖。同年，兰州近代物理研究所以核反应堆废水为低位热源，安装了一台由Sulzer公司生产的高温热泵机组，制冷剂采用R134a。该机组蒸发器的供回水温度为35.8/28℃，冷凝器的供回水温度为52/70℃，供热量为3.58MW。
综上所述，中高温热泵在国外已经得到了一定的发展和应用，但是由于大部分的供水温度较低，不能满足集中供热或其他的用热要求，因此其发展受到了限制。瑞士的Sulzer公司（现已更名为Axima公司）虽然能够生产出供水温度达到80℃的高温热泵机组，但其售价很高，每MW售价约为160万人民币，而其他厂家的常温热泵机组的售价仅为80～100万人民币。我国对中高温热泵系统的研究尚处于起步阶段。可以说，以工业废水为低位热源的大型高温热泵技术的研究与开发目前在国内基本处于空白阶段。
3 中高温热泵研究与开发思路
要提高中高温热泵的供热温度和效率，需要从以下几个方面进行研究。
首先是热泵的系统形式，相对于常规的热泵系统，高温热泵系统的发展和应用要滞后许多。尽管如此，国内、外对这一领域也进行了一系列的研究[4]：
1) 纯工质多级压缩热泵系统
此类热泵系统以双级或三级压缩为主，采用离心或螺杆式压缩机，用于区域供热或工业工艺流程供热。其工作流程与双级压缩制冷系统相类似。
2) 非共沸工质多级压缩热泵系统
此类热泵系统的基本流程与纯工质多级压缩热泵系统相同。目前，国内外对此类热泵系统的研究较多，所用的工质主要有R22/R142b、R125/R134a等。在理论和实验研究中，均获得了较好的COP值，但在实际应用上仍然存在一些问题，如混合工质在发生泄漏时将导致成份的变化，影响其热力性能，以及在相变过程中的汽液分离现象使得在换热器中实现逆流换热较为困难，从而无法发挥非共沸工质的优点，无法获得理想的热泵效率。
3) 吸收式热泵系统和化学热泵系统
此类热泵系统均为使用热能驱动的热泵系统。吸收式热泵系统是由吸收式制冷系统发展而来的。化学热泵系统是近年发展起来的一种新型热泵系统。它利用化学反应的吸热和放热效应来实现低温吸热和高温放热，可以在很大的温差及很高的温度条件下实现热泵循环。
4) 吸收-压缩组合热泵系统
此类热泵系统吸收式和压缩式系统组合在一起，采用沸点相差很大的工质作为循环的工质对，利用其溶液对低沸点工质的吸收作用来改善循环某些方面的特性。研究表明，这类循环能较好地改善吸收式或蒸气压缩式热泵系统的性能，极具发展潜力。
其次是中高温热泵工质的研究。对于中高温热泵，不存在公认的代表性工质，所以应用中高温热泵要解决的关键问题之一就是寻找适宜的绿色环保工质。以纯工质多级压缩热泵系统为例，针对采用该系统形式的中高温热泵研究的重点主要放在新型替代工质的研究。这是一项有待从头开始的工作，需要对各种工质进行筛选，使其既符合绿色环保要求又能保证中高温热泵达到良好的运行效果。哈尔滨工业大学的张吉礼，张淑彦等人[10]对R245fa、R245ca、R236ea、R600、R123、R134a六种工质进行了研究，得出三种新工质R245fa、R245ca、R236ea在中高温热泵工况下（te=10℃,tc=80℃）制热系数均能达到3.5以上。
再者是中高温热泵工作部件的研究，针对纯工质多级压缩热泵系统其主要部件包括蒸发器、冷凝器和压缩机等。目前国内外对于换热器包括蒸发器和冷凝器的研究在其结构上并没有太大的变化，其主要的研究方向是致力于高效传热管的开发与应用。哈尔滨工业大学的张吉礼，李忠建等人[11]对采用高效传热管高温热泵的换热器（包括冷凝器、蒸发器和回热器）进行了设计。在换热器及带有经济器的双级离心式压缩机数学模型的基础上，建立了高温热泵系统稳态模拟模型。通过对高温热泵额定工况的模拟，分析了换热器设计对高温热泵性能的影响。压缩机是压缩式热泵的核心部件，其运行的效率，工况范围和安全性能直接影响着整个机组的性能。压缩机种类有容积式压缩机和透平式压缩机。容积式压缩机包括活塞式压缩机和回转式压缩机,透平式压缩机包括轴流式压缩机和离心式压缩机｡目前美国生产的大型热泵机组一般采用离心式压缩方式。另有资料表明[12]，在全球商用制冷设备中，离心式制冷机组的制冷容量占全部设备的70%。因此，中高温热泵机组尤其是大型中高温热泵机组采用离心式的压缩方式是十分适宜的。
4 结束语
现代建筑倡导环保、节能的设计理念，突出环保节能的特点符合21世纪人们生活的需要，以此为背景的中高温热泵技术必将得到广泛地研究与应用。中高温热泵技术可以减少温室气体和其他燃烧产生的污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术。
最后感谢姚国梁教授级高工对本文的审核，并提出诸多宝贵的修改意见，使本文得以更加完善。
