【關鍵詞】中高溫熱泵,節能,區域供熱
【摘要】能源與環境問題是當今世界各國面臨的重大社會問題，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，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。本文介紹了中高溫熱泵國內外研究與應用現狀，并提出研究與開發中高溫熱泵要從熱泵的系統形式、熱泵的工質及熱泵的工作部件等幾個方面進行。
1 前言
    能源與環境問題是當今世界各國面臨的重大社會問題。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。不僅如此，我國能源利用率非常之低，單位產值的能耗是美國和韓國的6倍，是日本的12倍[1]。我國的環境問題也非常嚴重。由于我國能源結構以煤炭為主，大氣污染的主要特征是煤煙型污染，全國每年由于燃煤所排放的粉塵量約為2.3×107t，SO2約為1.46×107t，遠遠超過了全球陸地平均污染負荷量[2]。在全球大氣污染最嚴重的前十座城市中，我國占了其中的5座（北京、沈陽、西安、上海和廣州）[3]。
    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。熱泵可利用的低位熱源的范圍很廣，如自然環境資源（如空氣、水、地熱能、太陽能等）、生活中所排出的廢熱（如排水和排氣中的廢熱）、生產的排除物（廢水、廢氣、廢渣等）等等。中高溫熱泵的“中高溫”是相對于目前占市場主導地位的最高熱水出水溫度在55℃以下的熱泵而言，一般供熱溫度在60℃以上，正常運行出水溫度范圍為62℃～70℃，可以滿足所有中央空調和生活熱水系統對水溫的要求。雖然在供熱溫度上只有十幾度的提高，但對于熱泵技術來說需要極大的突破。
    在我國的采暖地區，隨著對節能和環境空氣質量要求的不斷提高，各大中城市紛紛對燃煤鍋爐進行取締，這就意味著每年有大量的供熱熱源需要進行改造。這些改造項目大都是采用高溫熱水的區域供熱系統，用戶末端裝置為散熱器。在保持原有供熱系統形式不變的前提下，將舊有的供熱熱源改造為熱泵進行供熱是一種既節能又環保的方法。但是，由于目前熱泵機組的供水溫度較低，難以滿足區域供熱系統對熱水溫度的要求（要求80℃以上）。因此，需要進一步提高現有熱泵機組的供水溫度。另外，在原油的生產過程中，需要將原油加熱到55℃以上進行輸送（否則原油會因結蠟而無法輸送）。目前，這部分能量主要靠燃燒天然氣來進行提供，僅大慶油田每年消耗于此的天然氣就高達1億立方米。同時，燃燒天然氣的燃燒爐也非常易于損壞，5年左右就需要更換燃燒爐內的換熱管壁，維修費用很高，因此迫切地要求使用新型的加熱設備來取代現有的燃氣鍋爐，而在中高溫熱泵同樣為一種有效的替代設備。
    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。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。
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。1982年，Sulzer公司以地下水作為低位熱源在瑞典西北城市Bjuv的一個小區內建立了熱泵站進行區域供熱，供熱能力8.7MW，供熱溫度70℃。隨后，該公司又研制出以地下水、河水、海水和污水為低位熱源的多級壓縮中高溫熱泵機組，最高供水溫度可達80℃，制熱系數在3以上，并已廣泛應用于瑞典、挪威、瑞士等國家的城市區域供熱中。英國某牛奶工廠以冷卻牛奶后的水為低位熱源（溫度在18～54℃之間）建立廢水回收系統，其供水溫度在60℃～104℃之間。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。日本在上世紀90年代初開發出一系列高效的熱泵系統，其中高溫型在溫升為100℃時制熱系數可達到3以上[4]。
    熱泵的供熱溫度較低一直是阻礙熱泵發展的一個重要因素。為了增強的熱泵的競爭力，近年來中高溫熱泵的研究已成為國際熱泵研究的一個重要方向。日本的Japanese Super Heat Pump Energy Accumulation System項目，美國IIR熱泵發展計劃[5]及歐洲大型熱泵研究計劃中，中高溫熱泵均是其重點研究內容之一。
    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[6]。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。1989年，天津大學李新國等人[7]進行了中高溫熱泵的研究。對適用于中高溫熱泵的制冷劑、壓縮機和潤滑油進行了分析，并建立了水-水電動熱泵實驗臺。1997年，陳東等人[8]對于中高溫熱泵低環害工質進行了理論和實驗研究。2001年，天津大學馬一太等人[9]對CO2超臨界循環水源熱泵系統進行了研究。他們指出CO2超臨界循環水源熱泵系統的供水溫度能夠達到90℃，CO2可以作為中高溫熱泵的循環工質。
    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。
    綜上所述，中高溫熱泵在國外已經得到了一定的發展和應用，但是由于大部分的供水溫度較低，不能滿足集中供熱或其他的用熱要求，因此其發展受到了限制。瑞士的Sulzer公司（現已更名為Axima公司）雖然能夠生產出供水溫度達到80℃的高溫熱泵機組，但其售價很高，每MW售價約為160萬人民幣，而其他廠家的常溫熱泵機組的售價僅為80～100萬人民幣。我國對中高溫熱泵系統的研究尚處于起步階段。可以說，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思路
    要提高中高溫熱泵的供熱溫度和效率，需要從以下幾個方面進行研究。
    首先是熱泵的系統形式，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。盡管如此，國內、外對這一領域也進行了一系列的研究[4]：
    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。化學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。
    其次是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。哈爾濱工業大學的張吉禮，張淑彥等人[10]對R245fa、R245ca、R236ea、R600、R123、R134a六種工質進行了研究，得出三種新工質R245fa、R245ca、R236ea在中高溫熱泵工況下（te=10℃,tc=80℃）制熱系數均能達到3.5以上。
    再者是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。哈爾濱工業大學的張吉禮，李忠建等人[11]對采用高效傳熱管高溫熱泵的換熱器（包括冷凝器、蒸發器和回熱器）進行了設計。在換熱器及帶有經濟器的雙級離心式壓縮機數學模型的基礎上，建立了高溫熱泵系統穩態模擬模型。通過對高溫熱泵額定工況的模擬，分析了換熱器設計對高溫熱泵性能的影響。壓縮機是壓縮式熱泵的核心部件，其運行的效率，工況范圍和安全性能直接影響著整個機組的性能。壓縮機種類有容積式壓縮機和透平式壓縮機。容積式壓縮機包括活塞式壓縮機和回轉式壓縮機,透平式壓縮機包括軸流式壓縮機和離心式壓縮機｡目前美國生產的大型熱泵機組一般采用離心式壓縮方式。另有資料表明[12]，在全球商用制冷設備中，離心式制冷機組的制冷容量占全部設備的70%。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 結束語
    現代建筑倡導環保、節能的設計理念，突出環保節能的特點符合21世紀人們生活的需要，以此為背景的中高溫熱泵技術必將得到廣泛地研究與應用。中高溫熱泵技術可以減少溫室氣體和其他燃燒產生的污染物的排放，是一種可持續發展的建筑節能新技術。
    最后感謝姚國梁教授級高工對本文的審核，并提出諸多寶貴的修改意見，使本文得以更加完善。