中高溫熱泵機組研究應用

李德賢 任曉東

摘要：本文介紹了中高溫熱泵國內外研究與應用現狀，并提出研究開發中高溫熱泵，以工業廢水為低位熱源的中高溫熱泵技術的開發，對于我國北方城市區域供熱及其他用熱領域具有十分重要的意義。

關鍵詞：中高溫熱泵節能區域供熱

Abstract: this paper introduces the high temperature heat pump in the domestic and foreign research and application status, and put forward the research and development of high temperature heat pump, industrial waste water as low heat source temperature of the heat pump technology development, for our country the northern city of district heating and other hot field has the very vital significance.

Key words: high temperature heat pump in energy conservation district heating

中圖分類號：TS737+.2 文獻標識碼：A 文章編號：

1 前言

我國地大物博，資源儲量豐富。但是由于人口眾多，煤的人均儲量僅為世界平均的1/5，石油的人均儲量僅為世界平均的1/8，天然氣則僅為世界平均的1/25。我國的能源短缺也將面臨重大問題。近年來，熱泵作為一種既節能又環保的技術越來越受到人們的重視，并且逐步向大型熱泵裝置的方向發展。熱泵是這樣一種裝置，它按照逆向熱力循環，利用少量的高位能去提取周圍環境中的無直接用途的熱量，使其能位提升，從而獲得更多的可利用熱能。

我國的工業廢水中蘊涵著大量的低位熱能。在原油生產過程中將分離出大量的含油污水，大慶油田的污水排放量為4.014萬噸/小時，水溫38℃左右；遼河油田的污水排放量為4.89萬噸/小時，水溫43℃；勝利油田的污水排放量為5.38萬噸/小時，水溫40℃。為了保證原油產量，這些污水必須回注到地下，如果不加以利用的話，其中的能量就會被浪費掉。在鋼鐵工業、電力工業和石化工業中也存在大量的低溫廢水，溫度在30～70℃之間。如果將這部分低溫廢水排入河流和大海中，不僅會造成能源的極度浪費，而且會導致環境的嚴重污染。利用中高溫熱泵技術將廢水中的低位熱能提取出來，使其成為高位熱能，就可以應用到城市集中供熱和原油拌熱輸送等民用和工業用熱領域中，從而實現了能源的合理利用。

2 中高溫熱泵國內外研究與應用現狀

2.1 中高溫熱泵國外研究與應用現狀

瑞士被稱為傳統的熱泵國家，由Sulzer公司生產的大型高溫熱泵機組不僅歷史久遠而且廣泛地應用于世界各地。該公司于1938年生產的高溫熱泵機組至今仍然服務于瑞士的蘇黎世市政廳，其供水溫度為60℃，這也是歐洲第一臺高溫熱泵機組。美國Trane公司生產的大型離心式熱泵機組的最高供水溫度為49℃，主要用于熱水供應。其型式主要有兩種：一是在原有冷水機組上增設輔助冷凝器；二是直接生產的熱回收型的冷水機組。美國McQuay公司生產Templifier（天威）系列離心式熱泵機組的最高供水溫度為60℃，其低位熱源為10～49℃的余熱。2001年，瑞士的Matin教授提出了在舊有建筑熱源改造項目中推廣熱泵區域供熱的思想。他指出在舊有熱源改造項目中，輸送管網通常為高溫熱水管網，對水溫的要求很高，這就促使熱泵必須向高溫方向發展。大量的工業廢水為熱泵提供了低位熱源，為其應用提供了良好的條件。這樣，熱泵就既可以充分利用其他方法難以利用的工業余熱，又以效率高于其他供熱方式提供所需的熱能。此外，工業廢水經過熱泵利用后，將以較低的溫度排放，減少了對環境的熱污染。

2.2 中高溫熱泵國內研究與應用現狀

我國對于中高溫熱泵系統的研究較少，并主要局限于化學工藝過程中的小型熱泵機組。2001年，富爾達公司在大慶安裝了一套的水-水熱泵系統，其低位熱源為含油污水。該系統采用螺桿式壓縮機，最高供水溫度為65℃，用于污水聯合站內建筑物的空調和采暖。同年，蘭州近代物理研究所以核反應堆廢水為低位熱源，安裝了一臺由Sulzer公司生產的高溫熱泵機組，制冷劑采用R134a。該機組蒸發器的供回水溫度為35.8/28℃，冷凝器的供回水溫度為52/70℃，供熱量為3.58MW。但是我國對中高溫熱泵系統的研究尚處于起步階段?？梢哉f，以工業廢水為低位熱源的大型高溫熱泵技術的研究與開發目前在國內基本處于空白階段。

3 中高溫熱泵研究與開發

3.1熱泵的系統形式

熱泵的系統形式，相對于常規的熱泵系統，高溫熱泵系統的發展和應用要滯后許多。

（1）純工質多級壓縮熱泵系統：此類熱泵系統以雙級或三級壓縮為主，采用離心或螺桿式壓縮機，用于區域供熱或工業工藝流程供熱。其工作流程與雙級壓縮制冷系統相類似。

（2）非共沸工質多級壓縮熱泵系統：此類熱泵系統的基本流程與純工質多級壓縮熱泵系統相同。目前，國內外對此類熱泵系統的研究較多，所用的工質主要有R22/R142b、R125/R134a等。在理論和實驗研究中，均獲得了較好的COP值，但在實際應用上仍然存在一些問題，如混合工質在發生泄漏時將導致成份的變化，影響其熱力性能，以及在相變過程中的汽液分離現象使得在換熱器中實現逆流換熱較為困難，從而無法發揮非共沸工質的優點，無法獲得理想的熱泵效率。

（3）吸收式熱泵系統和化學熱泵系統：此類熱泵系統均為使用熱能驅動的熱泵系統。吸收式熱泵系統是由吸收式制冷系統發展而來的?；瘜W熱泵系統是近年發展起來的一種新型熱泵系統。它利用化學反應的吸熱和放熱效應來實現低溫吸熱和高溫放熱，可以在很大的溫差及很高的溫度條件下實現熱泵循環。

（4）吸收-壓縮組合熱泵系統：此類熱泵系統吸收式和壓縮式系統組合在一起，采用沸點相差很大的工質作為循環的工質對，利用其溶液對低沸點工質的吸收作用來改善循環某些方面的特性。研究表明，這類循環能較好地改善吸收式或蒸氣壓縮式熱泵系統的性能，極具發展潛力。

3.2中高溫熱泵工質的研究

對于中高溫熱泵，不存在公認的代表性工質，所以應用中高溫熱泵要解決的關鍵問題之一就是尋找適宜的綠色環保工質。以純工質多級壓縮熱泵系統為例，針對采用該系統形式的中高溫熱泵研究的重點主要放在新型替代工質的研究。這是一項有待從頭開始的工作，需要對各種工質進行篩選，使其既符合綠色環保要求又能保證中高溫熱泵達到良好的運行效果。

3.3中高溫熱泵工作部件的研究

針對純工質多級壓縮熱泵系統其主要部件包括蒸發器、冷凝器和壓縮機等。目前國內外對于換熱器包括蒸發器和冷凝器的研究在其結構上并沒有太大的變化，其主要的研究方向是致力于高效傳熱管的開發與應用。因此，中高溫熱泵機組尤其是大型中高溫熱泵機組采用離心式的壓縮方式是十分適宜的。

4 結語

現代建筑倡導環保、節能理念，突出環保節能的特點符合21世紀人們生活的需要，因此，以工業廢水為低位熱源的中高溫熱泵技術的開發，對于我國北方城市區域供熱及其他用熱領域具有十分重要的意義。

參考文獻

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4 李新國.中高溫熱泵及其壓縮式制冷機的研究. 天津大學碩士學位論文.1989

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6 李忠建. 高溫熱泵換熱器熱工設計及系統模擬分析. 哈爾濱工業大學碩士論文.2005

作者簡介：

李德賢女 山東省平原縣工程師多年來從事供熱通風與空調工程設計工作。