高溫水源熱泵研究與發展趨勢?簡介：本文介紹了高溫水源熱泵的概念和工作原理，并詳細介紹了高溫水源熱泵的工質研究和近年來高溫水源熱泵在國內外的研究現狀與發展趨勢，包括高溫制冷劑的研究以及高溫熱泵系統性能的研究并討論了高溫水源熱泵的應用情況以及在我國發展的趨勢。?關鍵字：高溫水源熱泵工質節能環保1前言隨著能源和環境問題的日益突出，如何高效地使用能源、回收各種余熱和減小對環境的污染成為人們關注的焦點。水源熱泵就是一種用來解決能源和環境方面問題的極為有效的技術。熱泵是以消耗一部分高質能（機械能、電能等）或高溫位能為代價，通過熱力循環，把熱能由低溫物體轉移到高溫物體的能量利用系統。高溫水源熱泵是高溫熱泵的一類，它利用各類工業和生活廢水中的余熱來制取 70c?90c高溫熱水，可以直接用于供暖和普通工業加熱。從美國 ASHRAE寸北美地區的調查來看高溫熱泵應用于工業的前景是非常樂觀的［1］（見下表1）。圖1是工業用的高溫熱泵在主要發達國家中的應用比例。表1各工業部門所須的溫度范圍［2］行業需求溫度℃<100100-150150—183>183食品煙草2.562.516.618.4纖維工業O.450.349.30.O木材工業83.0紙漿力口工0.085.94.1O.0化學工業4.826.950.O18.3橡膠制品0.026.353.420.4皮革制品0.0100.00.00.0陶瓷工業0.O85.614.40.0由于高溫熱泵有良好應用前景，使其成為近年國際熱泵研究的一個基本方向。在日本的超級熱泵項目，美國 IEA熱泵中心和IIR熱泵發展計劃及歐洲的大型熱泵研究計劃中，高溫熱泵均是其中的重點研究內容之一 [3]o2高溫水源熱泵工質的研究目前高溫熱泵的研究主要針對的是高溫水源熱泵，大量研究工作集中在適宜工質的選擇和進一步提高系統制熱效率方面。相對于常溫熱泵，高溫熱泵很難找到一種很適用的工質。對于高溫工質的選擇有兩種趨勢，一種是使用自然工質 (C02、NH3及碳氫化合物等)，另一種是使用HCFCHFCHFE及它們的混合物。自然工質一般壓力較高或者循環進入超臨界區，有些還具有較高的爆炸性危險，因此相應的系統一般都有特殊的要求，因此目前大多數研究傾向于人造工質的選擇。高溫熱泵對工質的要求主要有以下幾個方面[4]:(1)冷凝壓力在2.4MPa以下，以使目前大多數系統部件可以承受；(2)蒸發壓力在0.1MPa以上，以免在系統中形成負壓；(3)容積制冷量一般應大于2.5J/cm3,以免系統體積過于龐大：(4)油溶性好、化學性質穩定：(5)對環境危害小，無毒、不可燃；(6)具有高的C0P

2.1南非等國對高溫熱泵工質的研究國內外的研究者已經對現有的各種工質進行了大量的理論計算和部分實驗驗證。南非JosuaP.Meyer教授和他的學生對以混合工質 R22/R142b作為制冷劑的高溫熱泵型熱水器進行理論研究[5]o研究結果表明，隨著R142b在混合物中組分的增加，熱泵供水溫度升高， COP直有所增加；在冷凝器面積不變的條件下，熱水器供熱容量隨R142b組分增加而增大。他指出R142b的熱力性能良好，但環境指標較高，屬于受限工質，且易燃易爆，通常與其他工質混合使用，適用于木材干燥等小型熱泵裝置中。Gianfranco在他的文章中比較了幾種工質， 發現R-236fa的臨界溫度較高，適用于在高溫熱泵中使用，但目前正處于不斷的實驗階段 [6]o圖1是R-236fa的熱力循環圖，表2為幾種高溫工質的熱力參數比較。圖1R-236fa熱力循環表2幾種高溫工質的熱力參數比較工質代號分子式標準沸點℃臨界溫度C臨界壓力 barHFC-23CHF3-82.124.348.7HFC-143aCH3CF3-47.473.638.3HFC-227caCF3CHFCFA18.3103,529.5HFC—236faCF3CH2CF3-1.1130.731.8HFC——245faCF3CH2CHF215.3157.636.4日本近年來對高溫水源熱泵的研究

日本神戶制鋼在所承擔開發高效冷熱兼用型熱泵中，以河水、空氣作為熱源，采用兩級螺桿式壓縮機，工質為 R22/R142b組成的非共沸混合物，制熱效率 COP值達到6,供水溫度可以達到85c以上［7］。由日本茬原制作所開發的高效升溫型熱泵，采用三級離心式壓縮機，采用工質 R123,供水溫度達到85c以上［8］0R1231臨界溫度較高，性能系數較好，雖然屬于受限工質，但其ODP?和GWPS較低，且在大氣中的壽命僅為 1.4年。因此，R123作為過渡期的替代工質是適合中高溫熱泵供熱的工質。日本超級熱泵計劃中的高效升溫熱泵采用 R123和R124b的混合工質可以達到出水溫度為85C,作為過渡期的替代工質是適合中高溫熱泵供熱的使用， 這種熱泵已經在國外得到應用［9］。日本從1994年到2001年，進一步實施了名為“新制冷劑和其他物質研究開發”（DevelopmentfortheNewRefrigerantandOtherSubstancesResearch） 的國家項目，此項研究歷經8年，于2002年3月完成。日本國內的8家著名化工企業,一些高校（如慶應大學，神戶大學等）以及國立研究院所和實驗室也都參與了此項研究工作。根據此項研究的最終報告（2002年），有望成為新制冷劑的候補化合物主要有兩種氫氟醴（HFE）物質［10］,其中替代高溫熱泵工質CFC-114的物質為HFE-245mc（CF3CF2OCH3）表3給出了物性。表3HFE-245mc的基本物性

物性HFE-245mcCFC-114廟界溫度C133.75145.59臨界壓力MPa2.8873.248臨界密度Kg/m3499576偏心因子0.3530.25225°C飽和氣壓力MPa0.2060.21325C飽和液密度g/cm31.2661.45625C汽化潛熱kJ/kg166.0128.4日本慶應大學對這種高溫熱泵制冷劑進行了研究， 并在30c低溫熱源和85c?90c出水條件下的熱泵機組試驗已連續運轉了約 7000小時，迄今未發現異常。試驗用壓縮機采用HFC-134a的渦旋式壓縮機，潤滑油采用酯類油[11]。壓縮機在使用12400小時后解體檢查，也未發現異常。止匕外，熱泵型熱水機組的試驗也表明，經過單級壓縮，可以得到85c?90c熱水，COPt匕CO2機組白^低0.5?0.7,工作壓力在lMPa以下，比CO2(10MPa低很多，可直接使用現有的低廉的配管材料，因而他們認為HFE-245m昭望成為替代CFC-114的新一代制冷劑，可用于低品位余熱回收的熱泵系統。目前，HFC-134a/HFC-245fa或HC-600a/HFC-245fa組成的混合物性能的研究也是一個重點內容，表5為HFC-245fa的性能參數。表5HFC-245fa(CF3CH2CHF2的性能參數[12]標準沸點℃臨界溫度C臨界壓力 MPaB爾質量g/mol凝固點C15.3157.63.64134.05-160高溫熱泵自然工質的研究在歐洲熱泵協會中，現今討論的熱點問題是如何用自然工質來取代 HFC舞傳統工質在熱泵中的應用。在挪威等國二氧化碳已經作為高溫工質在高溫熱泵實驗中開始使用，與傳統熱泵系統相比， C02跨臨界循環的運行壓力相對較高，系統的遺

備，部件，管路都要重新設計和計算，從理論上來講，壓縮機的出口溫度可以達到110C,足可以滿足工業加熱和供暖所需。國外如日本已經開始 CO啦用于熱泵熱水器并大量投入生產，國內的這方面研究也剛剛開始，相信在不久的將來，二氧化碳作為新型的制冷工質將在高溫熱泵中間廣泛使用。除此之外， R717（氨）在歐洲的一些國家開始被用于熱泵系統中，在瑞典的熱泵產品中，丙烷已經取代R22應用于熱泵系統中（TheNewsletteroftheEuropeanHeatPumpConcertedActionIssue3,November1999）因此在熱泵工質研究中，自然工質的使用是對現在，更是向未來的挑戰。國內方面，隨著世界能源形式的日益緊張高溫水源熱泵越來越受到科研院校及生產廠家的關注。清華大學申報了命名為“HTR01和“HTR02的混合工質專利[13],上海交通大學利用混合工質 R22/R141b將冷凝水從70c加熱到80C,并針對壓縮機頻率和COP勺關系進行了初步的研究。天津大學利用 R22/R142b/R21和R290/R600a[R123等混合工質，進行了相關研究[14]總之，高溫熱泵系統的工質研究方面的相關文獻還不多，還處在探索階段，未找到為大家公認的有效高溫工質。就巳公布的資料來看，由于自然工質（R717、R744及碳氫化合物）壓力過高或者易燃易爆，因而工質選擇工作集中在對已有系統部件改動要求不大的人造工質的尋找和近共沸混合物的篩選上。3高溫水源熱泵系統的研究針對使用工質的不同，高溫熱泵系統的形式也各異。目前已有的使用自然工質的系統，為了達到特殊要求的高溫同時具有較高的 COP一般采用多級壓縮、逐級升溫的方案。此外還有其它一些特殊的循環方案的提出，如圖 2是瑞士一家研究機構提出的改進熱泵循環，改進后可以提高熱泵的出水溫度到 70c以上。

圖2改進的熱泵循環對于自然工質系統的研究目前工作集中在系統各組成部件的開發和性能提高上。其它工質的系統研究工作主要是在系統循環的優化、換熱器內換熱的強化及系統智能控制幾個方面。系統循環的優劣主要歸結到三個方面： （1）工質熱物性對循環系統的影響；（2）系統自身匹配性能；（3）系統的控制策略高溫熱泵系統所使用的壓縮機目前大多數為半封閉雙螺桿式和半封閉活塞式壓縮機，另外也有離心式。高溫水源熱泵系統中采用多路獨立制冷循環系統，共用一個水循環系統，可以降低設備的冷凝工作壓力,增加系統的可靠性，延長系統和壓縮機的壽命。在系統中一般需要設置經濟器，以增加運行時的穩定性。系統性能匹配方面主要進行了如下工作：（1）壓縮機轉速、頻率與系統COPt勺關系目前研究的熱點主要是不同壓縮機轉速下，冷凝器進口溫度不同時，系統的OP性能系數與壓縮機轉速的關系。研究表明，冷凝溫度的提高造成冷凝壓力的升高，此時若壓縮機在低頻運行，會造成工質的回流，掩蓋 COP直的改善。（2）非共沸工質最佳流量和油溶性的研究非共沸工質系統中COP勺值存在一個最佳流量，當流量超過這個最佳值時，系統的COP等下降，這是由于非共沸工質在相變時發生溫度滑移的結果。此外工質的

充灌量和油溶性會對熱泵的循環參數造成很大的影響，也成為了目前國內外的研究熱點。(3)熱泵兩器的匹配研究高溫熱泵蒸發器和冷凝器在使用非共沸混合工質時，如何使其換熱面積最佳，與系統很好的匹配從而達到最大的能效比，一直是一個重要課題。由于目前已公布的高溫熱泵系統中使用的工質多為非共沸混合物，因此系統中的冷凝器和蒸發器的換熱機理、與系統的匹配參數采集和控制就成為了人們關注的焦點。另外，非共沸混合工質在高溫熱泵系統蒸發器和冷凝器中處于非完全相變時換熱機理以及非完全相變和高溫熱泵系統各循環參數之間的關系也很復雜。目前這方面的研究工作還很少。止匕外，國內外已經有很多學者對熱泵系統的智能控制進行了大量的研究，這些研究的目標就是通過合理的采集和控制方法使得系統更可靠、效率更高。但是，研究的前提是必須要有針對性的工質。4高溫熱泵的應用及發展趨勢原油加熱高溫水源熱泵的應用首先就是在油田的原油加熱中，油田的生產過程中會產生大量的高溫含油污五。含油污水的溫度一般在36~42℃。利用高溫水源熱泵技術回收這部分的余熱一部分用來供暖，另外一部分則用來加熱稠油而進行外輸。這種應用不僅可以提高能源的利用率，也可以保護環境，避免造成環境污染。熱泵機組的兩器(蒸發器和冷凝器)采用特殊設止，蒸發器能耐腐蝕，含油污水可直接進入蒸發

器，而原油可以直接進入冷凝器，取消了原來的油一水換熱器和污水一水換熱器，同時取消了相應的水泵及補水系統，使原油加熱熱泵系統大大簡化。但該種系統需要特殊設計，同時需要國內外專業生產換熱器的廠家配合。地熱+高溫水源供暖系統這種系統是要求在一些有地下熱水井的地區，地熱水排放溫度高，以及作為輔助熱源的燃油鍋爐運行費用高昂的現狀，利用高溫水源熱泵機組回收排放出的高溫地熱水中的熱量供暖從而達到“S、史艮”，節約運行費用的目的。因為要想提高供熱系統經濟性，只能盡可能多的利用地熱水熱量，降低地熱尾水的排放溫度；通過減少原供熱系統循環水的流量，增大供水、回水溫差以及對管網阻力進行調整，就可以使系統運行在一個比較理想的工況上，從而達到降低地熱水排放溫度、減少燃油鍋爐的調峰量、提高供熱系統經濟性的目的。污水的回收利用利用高溫水源熱泵可以回收工業廢水和城市污水排放中污水中所含的熱量。對于城市污水水源熱泵的優點是結構簡單:渠道中的二級出水與管道中的熱泵工質直接換熱，效率較高。然而它的缺點是，主機的機房必須設置在二級出水渠道旁。如果空調服務區離渠道較遠，就需要埋設較長的冷一一熱循環水 （內循環）管道，這樣會造成在輸送過程中的能量損失。因此，這種熱泵只適用于中小型注水處理廠自身的冷暖空調服務[15]o也可以滿足污水處理廠附近的住宅小區的供暖情況。

工業廢水的出水溫度往往比較高，回收鍋爐等能量轉化 設備產生大量的低溫余熱，提高其溫度用于直接供熱，既可解決除塵污水循環利用需要降溫的問題，避免余熱直接排放到周圍環境造成的熱污染；又可以把低溫余熱提高到可直接供熱的溫度，提高能源的利用率。這樣，在增加供熱面積的同時又可以顯著地降低能耗，且不會對環境造成進一步的污染。因此可以利用高溫水源熱泵回收污水中的熱量，回收后的能量用于冬季供暖或生產工藝并逐漸應用于石油、 化工、冶金、紡織、食品等各行業。圖3為意大利的一家食品企業的高溫熱泵系統蒸發溫度為 56C,冷凝溫度為119C,CO網以達到3.5。5結語總之，對高溫熱泵系統的研究滯后于對高溫熱泵工質的研究，目前對于高溫熱泵系統的研究的前提是必須針對某一種工質，因此與相對于高溫熱泵工質的尋找相比，對一種純高溫熱泵工質來進行壓縮機和熱泵系統的研究是比較容易進行的。如何在排氣溫度和冷凝溫度過高時，熱泵系統還有很高的 COP生能系數是一項重要的研究課題以及在很大壓比時如何保證壓縮機在長時間的可靠運行也是決定高溫熱泵系統性能的很重要是指標。圖3意大利一食品廠的工業高溫熱泵系統參考文獻[1]CaneR,Clems,ForgasD.Heating-recoveryheatpumpoperatingexperiences[J].ASHRAETrans,1994,100(2):165-172

[2]李新國.中高溫熱泵及其用壓縮式制冷機的研究