中高温热泵机组研究与应用综述

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。
关键词：中高温热泵 节能 区域供热

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。

以上资料来源于以下链接：
http://www.xingzhong.com.cn/te_disp.asp?id=2524

重庆市民发明节能产品 空调烧水可达115℃



　　1块钱电费，可以让一台2匹空调运行1小时。如果再在空调上添加一种新型设备，同样是这1块钱的电量，还可以让你在吹空调之余，获得洗澡水、开水、冰水等超值享受。记者昨日就亲眼见到了这种能让空调“一机四用”的空气热能设备(专利号:ZL02240118.0)。

　　曲线傍上发明专利

　　空调在正常运转中，无论是制冷还是制热，都会向外排出大量的热废气。如何将这些热废气进行利用则是许多人感兴趣的话题。据介绍，早在10多年前，就有不少人开始在琢磨和实验了。

　　重庆市民赵女士、陈先生等三位业余发明爱好者，就为此花了近8年时间，设计制作过10多种方案和设备。不过，由于没能解决热能的充分利用，以及产品造价成本等问题，他们并没有获得任何市场效益。

　　2003年，他们偶然认识了空气热能利用专家——珠海的孙霆博士。在考察了孙博士刚刚获得的三项国家专利——“空气热能设备”项目后，他们既羡慕又佩服。他们认为，这是该领域目前技术最先进、成本最低的项目。

　　虽然在专利发明上落后了，但他们想，如果抢先一步投资，同样会有很好的回报。于是他们很快筹集到200万元资金成立了重庆泓国科技公司，直接参与该项目的市场开发和推广。

　　水温可加热到115℃

　　据介绍，该专利产品外观与普通电热水器差不多，不同的是它不接电源，而是在任意一台空调机的排热管上接上一根管道，将空调热废气全部回收并转换成能源利用。

　　据计算，一台3匹空调配一台该设备，空调运行约40分钟后(冬天时间要稍长些)即可让80升自来水(水可以源源不断地自动加入)变成115℃的热水。要喝开水，只需打开设备上的其中一个龙头，就可以接到100℃左右的开水；打开另一个龙头，又可以流出0℃的冰水；还有一个龙头则可以放出洗澡水(水温可根据凉水混合的比例调节)。

　　用电量不会增加

　　据投资者介绍，虽然同时享受到了吹空调、洗澡、喝开水、喝冰水四种功能，但空调的用电量并没有增加，反而还能节电15%左右。由于实现后几项功能需要吸收热废气作能源，无形中还加快了空调的散热速度，因此该产品还可延长空调机的寿命。如果空调关机了，储存在该产品内的水在较长时间内不会变质。热水水温则每24小时下降5-10℃。

　　稍微麻烦的是，由于其能源完全依靠空调废气，因此在任何时候用该产品烧水，就必须开空调。不过按发明人的计算，如果用电烧等量的水需1元钱，用油、天然气需0.5元，而用空调加该产品烧水，则只需0.25元。也就是说，即便浪费了空调风，但通过它来烧水仍可节约成本。

　　价格预计3000余元

　　据三位投资者介绍，在国美电器等新的投资商加盟下，开发出了多款不同容量和功能的产品，首批产品已于日前在北京下线。其中一款主要用于洗澡的产品(80升)，市场价格预计仅在3000余元。

　　由于该产品不但节能，并且能大大降低城市户外空调产生的“热岛效应”，因此对餐厅、工厂、宾馆等用热水量较大的场所，将更有用武之地。为加快其市场推广，投资者欲寻投资者加盟。


资料来源：
中国节能产品网
http://www.espin.com.cn/technology/detail.asp?id=459

我也发表发表
今天这个公司说出水能达到100度，明天那个说能达到100度以上，那现实吗，都是骗人的吧，其实我也不想说了，看见大伙都说我也说上两句吧。首先大家都知道压缩机的排气温度有个极限温度超过了就会停机保护，为什么呢，不用我说大家都应该知道，那是因为压缩机在那时候长时间运行会出现意想不到的意外，比如说烧压缩机啊等等的问题，所以压缩机厂家都给压缩机做了个保护限定了他的温度一般都不超过125度。但是有的厂家都说自己能做出100度或者更高的热水，很明显那是不现实的，要出100度的水温，他的排气温度就得达到115度以上，因为系统里面的水是循环的不是死水，如果是死水（不流动的水）那是可以达到100度，（不要砸我痛啊）有的人说水箱里面的水与外面不相通的是封闭的啊。我又跟你说一下，没错是封闭的，但是你有这个功能人家就会用，也就是说这个水要放掉再补进冷水这个时候温度就会有很大的波动，（靠，叫你不要砸了痛啊，看了下面你就不会说砸了吧！）这时候你就说我这个是保证他的出水温度100度，也就是说回水温度在最小75度与85度之间。想一想那时候的冷凝温度是多少？排气温度是多少？经过研究分析得出的结果是，（普通的空调压缩机系统）要想得出100度的水温除了加大换热面积和提高排气温度以外，最终影响最大的是水的流量，因为没有其他更好的办法所以调小水流量是每个公司的重点专研了，但是无论你怎么做怎么想，最后的结果就是排气温度100度以下，不可能有100度的出水温度。所以每个公司又的走回提高排气温度的路上了！！！！！！！！！！！
经过我们多次的实验证明100度的出水温度，是可以做到的，基本上是每个公司都能做到，但是不能长期的运行，不然就的，嘿嘿 烧了压缩自认倒霉吧！
前两个月到广州电器科学研究院去了解情况，得到的答复是跟我们的结论一样的，曾经也有些公司到他们那里测试（为的是一分报告，好做宣传嘛）结果报告是出来了，出水温度能达到100度，当然其他项是不会写进去的（其中某种原因吧！嘿嘿不用我说了吧，不影响到自己，又有利何乐而不为呢），只是出个能出100度水温的报告，又不是说他这个机器《合格》）怕什么呢。经过和电科院的人员探讨得知出水温度100度，长时间运行是不行的，因为压缩机长时间在高温下运行润滑油的质量就会大大的下降，压缩机的运行负载增大，也就会缩短了压缩机的使用寿命。做的好的话能运行个1年2年，做的不好的话就是6~8个月，而且并不节能。
结论：
1、 100度的出水温度是可以的但是常规的压缩机是不行的。
2、 常规的压缩机要做到100度的出水温度也是可以的，但是设备的使用寿命是要大打折扣的。
3、 热泵人水机（器）的出水温度不超过60度为最佳。
4、 热泵开水器是能做的，出水温度为60度，再用电加热烧到100度，电费还是省很一点的。




大家不要骂哦，看完了买点资料自己再学习学习很快就会明白的了。


最重要是学习嘛！版主你说是吗？

请注意一个基本问题，热泵热水系统用于家用生活热水供应，是近几年国内才开始的。当热泵系统不是采用蒸汽压缩式热泵循环，当热泵系统不是采用空调压缩机，当热泵系统采用的工质不是空调制冷系统常用的R22、R407C或R410A等，那么，热泵系统的技术性能就不再受到空调压缩机的技术性能的制约了。

发起本话题的本意是，希望大家不要以为热泵系统的应用，就局限在空调制热和制取生活热水的范围，也不要用空调热泵系统的框框限制我们的视野。

胡扯

是否可以简单说明一下你作出上述判断的理由？

空气源热泵热水系统最高能不能到70℃,好多厂家都只说不超过65℃.

一般空气源热泵的出水温度能够达到65度,但是如果在此工况下长期工作的话,就会影响整机的使用寿命,所以许多厂家把出水温度设定在55度.现在也有些高温热泵机组,能够把水打到90多度,但是此种机组投资费用较高,而且要求进水温度也比较偏高,在实际中运用不是很现实.如果要产生开水,我建议可以使用空气源热泵机组加电锅炉,这种组合更加经济使用.

　　采用按T1气候类型要求设计的空调压缩机，稳定大量地制取65℃热水实际上是不可行的，55℃也是不合理的。

　　即使利用更换制冷剂、更换压缩机等措施解决了出水温度问题，如果没有较高温度的热源，仅仅是环境空气热源的话，在冬季制取高于65℃的高温热水，机组的性能系数未必令人满意，由于热泵系统的一次费用较高，如果运行费用节省不显著的话，采用锅炉可以更为有利。