高温水源热泵研究与发展趋势

1前言

随着能源和环境问题的日益突出，如何高效地使用能源、回收各种余热和减小对环境的污染成为人们关注的焦点。水源热泵就是一种用来解决能源和环境方面问题的极为有效的技术。

热泵是以消耗一部分高质能(机械能、电能等)或高温位能为代价，通过热力循环，把热能由低温物体转移到高温物体的能量利用系统。高温水源热泵是高温热泵的 一类，它利用各类工业和生活废水中的余热来制取70℃～90℃高温热水，可以直接用于供暖和普通工业加热。从美国ASHRAE对北美地区的调查来看高温热 泵应用于工业的前景是非常乐观的[1](见下表1)。图1是工业用的高温热泵在主要发达国家中的应用比例。

表1各工业部门所须的温度范围[2]

由于高温热泵有良好应用前景，使其成为近年国际热泵研究的一个基本方向。在日本的超级热泵项目，美国IEA热泵中心和IIR热泵发展计划及欧洲的大型热泵研究计划中，高温热泵均是其中的重点研究内容之一[3]。

2 高温水源热泵工质的研究

目前高温热泵的研究主要针对的是高温水源热泵，大量研究工作集中在适宜工质的选择和进一步提高系统制热效率方面。相对于常温热泵，高温热泵很难找到一种很 适用的工质。对于高温工质的选择有两种趋势，一种是使用自然工质(C02、NH3及碳氢化合物等)，另一种是使用HCFC、HFC、HFE及它们的混合 物。自然工质一般压力较高或者循环进入超临界区，有些还具有较高的爆炸性危险，因此相应的系统一般都有特殊的要求，因此目前大多数研究倾向于人造工质的选 择。高温热泵对工质的要求主要有以下几个方面[4]：

(1)冷凝压力在2.4MPa以下，以使目前大多数系统部件可以承受；

(2)蒸发压力在0.1MPa以上，以免在系统中形成负压；

(3)容积制冷量一般应大于2.5J／cm3，以免系统体积过于庞大：

(4)油溶性好、化学性质稳定：

(5)对环境危害小，无毒、不可燃；

(6)具有高的COP。

2.1 南非等国对高温热泵工质的研究

国内外的研究者已经对现有的各种工质进行了大量的理论计算和部分实验验证。南非Josua P．Meyer教授和他的学生对以混合工质R22／R142b作为制冷剂的高温热泵型热水器进行理论研究[5]。研究结果表明，随着R142b在混合物中 组分的增加，热泵供水温度升高，COP值有所增加；在冷凝器面积不变的条件下，热水器供热容量随R142b组分增加而增大。他指出R142b的热力性能良 好，但环境指标较高，属于受限工质，且易燃易爆，通常与其他工质混合使用，适用于木材干燥等小型热泵装置中。

Gianfranco在他的文章中比较了几种工质，发现R-236fa的临界温度较高，适用于在高温热泵中使用，但目前正处于不断的实验阶段[6]。图1是R-236fa的热力循环图，表2为几种高温工质的热力参数比较。

图1 R-236fa热力循环

表2 几种高温工质的热力参数比较

2.2 日本近年来对高温水源热泵的研究

日本神户制钢在所承担开发高效冷热兼用型热泵中，以河水、空气作为热源，采用两级螺杆式压缩机，工质为R22／R142b组成的非共沸混合物，制热效率COP值达到6，供水温度可以达到85℃以上[7]。

由日本茬原制作所开发的高效升温型热泵，采用三级离心式压缩机，采用工质R123，供水温度达到85℃以上[8]。R1231临界温度较高，性能系数较 好，虽然属于受限工质，但其ODP值和GWP值较低，且在大气中的寿命仅为1．4年。因此，R123作为过渡期的替代工质是适合中高温热泵供热的工质。

日本超级热泵计划中的高效升温热泵采用R123和R124b的混合工质可以达到出水温度为85℃，作为过渡期的替代工质是适合中高温热泵供热的使用，这种热泵已经在国外得到应用[9]。

日本从1994年到2001年，进一步实施了名为“新制冷剂和其他物质研究开发”

(Development for the New Refrigerant and Other Substances Research)的国家项目，此项研究历经8年，于2002年3月完成。日本国内的8家著名化工企业，一些高校(如庆应大学，神户大学等)以及国立研究 院所和实验室也都参与了此项研究工作。根据此项研究的最终报告(2002年)，有望成为新制冷剂的候补化合物主要有两种氢氟醚(HFE)物质[10]，其 中替代高温热泵工质CFC-114的物质为HFE-245mc(CF3CF2OCH3)，表3给出了物性。

表3 HFE-245mc的基本物性

日本庆应大学对这种高温热泵制冷剂进行了研究，并在30℃低温热源和85℃～90℃出水条件下的热泵机组试验已连续运转了约7000小时，迄今未发现异 常。试验用压缩机采用HFC-134a的涡旋式压缩机，润滑油采用酯类油[11]。压缩机在使用12400小时后解体检查，也未发现异常。此外，热泵型热 水机组的试验也表明，经过单级压缩，可以得到85℃～90℃热水，COP比CO2机组的低0.5～0.7，工作压力在l MPa以下，比CO2(10MPa)低很多，可直接使用现有的低廉的配管材料，因而他们认为HFE-245mc有望成为替代CFC-114的新一代制冷 剂，可用于低品位余热回收的热泵系统。

目前，HFC-134a／HFC-245fa或HC-600a／HFC-245fa组成的混合物性能的研究也是一个重点内容，表5为HFC-245fa的性能参数。

表5 HFC-245fa(CF3CH2CHF2)的性能参数[12]

2.3 高温热泵自然工质的研究

在欧洲热泵协会中，现今讨论的热点问题是如何用自然工质来取代HFCs等传统工质在热泵中的应用。在挪威等国二氧化碳已经作为高温工质在高温热泵实验中开 始使用，与传统热泵系统相比，C02跨临界循环的运行压力相对较高，系统的设备，部件，管路都要重新设计和计算，从理论上来讲，压缩机的出口温度可以达到 110℃，足可以满足工业加热和供暖所需。国外如日本已经开始CO2应用于热泵热水器并大量投入生产，国内的这方面研究也刚刚开始，相信在不久的将来，二 氧化碳作为新型的制冷工质将在高温热泵中间广泛使用。除此之外，R717(氨)在欧洲的一些国家开始被用于热泵系统中，在瑞典的热泵产品中，丙烷已经取代 R22应用于热泵系统中(The Newsletter of the European Heat Pump Concerted Action Issue 3，November 1999 )因此在热泵工质研究中，自然工质的使用是对现在，更是向未来的挑战。

国内方面，随着世界能源形式的日益紧张高温水源热泵越来越受到科研院校及生产厂家的关注。清华大学申报了命名为“HTR01”和“HTR02”的混合工质 专利[13]，上海交通大学利用混合工质R22／R141b将冷凝水从70℃加热到80℃，并针对压缩机频率和COP的关系进行了初步的研究。天津大学利 用R22／R142b／R21和R290／R600a[R123等混合工质，进行了相关研究[14]

总之，高温热泵系统的工质研究方面的相关文献还不多，还处在探索阶段，未找到为大家公认的有效高温工质。就巳公布的资料来看，由于自然工质(R717、 R744及碳氢化合物)压力过高或者易燃易爆，因而工质选择工作集中在对已有系统部件改动要求不大的人造工质的寻找和近共沸混合物的筛选上。

3 高温水源热泵系统的研究

针对使用工质的不同，高温热泵系统的形式也各异。目前已有的使用自然工质的系统，为了达到特殊要求的高温同时具有较高的COP，一般采用多级压缩、逐级升 温的方案。此外还有其它一些特 殊的循环方案的提出，如图2是瑞士一家研究机构提出的改进热泵循环，改进后可以提高热泵的出水温度到70℃以上。

图2改进的热泵循环

对于自然工质系统的研究目前工作集中在系统各组成部件的开发和性能提高上。其它工质的系统研究工作主要是在系统循环的优化、换热器内换热的强化及系统智 能控制几个方面。系统循环的优劣主要归结到三个方面：(1)工质热物性对循环系统的影响；(2)系统自身匹配性能；(3)系统的控制策略

高温热泵系统所使用的压缩机目前大多数为半封闭双螺杆式和半封闭活塞式压缩机，另外也有离心式。高温水源热泵系统中采用多路独立制冷循环系统，共用一个水 循环系统，可以降低设备的冷凝工作压力，增加系统的可靠性，延长系统和压缩机的寿命。在系统中一般需要设置经济器，以增加运行时的稳定性。系统性能匹配方 面主要进行了如下工作：

(1) 压缩机转速、频率与系统COP的关系

目前研究的热点主要是不同压缩机转速下，冷凝器进口温度不同时，系统的COP性能系数与压缩机转速的关系。研究表明，冷凝温度的提高造成冷凝压力的升高，此时若压缩机在低频运行，会造成工质的回流，掩盖COP值的改善。

(2) 非共沸工质最佳流量和油溶性的研究

非共沸工质系统中COP的值存在一个最佳流量，当流量超过这个最佳值时，系统的COP将下降，这是由于非共沸工质在相变时发生温度滑移的结果。此外工质的充灌量和油溶性会对热泵的循环参数造成很大的影响，也成为了目前国内外的研究热点。

(3)热泵两器的匹配研究

高温热泵蒸发器和冷凝器在使用非共沸混合工质时，如何使其换热面积最佳，与系统很好的匹配从而达到最大的能效比，一直是一个重要课题。由于目前已公布的高 温热泵系统中使用的工质多为非共沸混合物，因此系统中的冷凝器和蒸发器的换热机理、与系统的匹配参数采集和控制就成为了人们关注的焦点。另外，非共沸混合 工质在高温热泵系统蒸发器和冷凝器中处于非完全相变时换热机理以及非完全相变和高温热泵系统各循环参数之间的关系也很复杂。目前这方面的研究工作还很少。

此外，国内外已经有很多学者对热泵系统的智能控制进行了大量的研究，这些研究的目标就是通过合理的采集和控制方法使得系统更可靠、效率更高。但是，研究的前提是必须要有针对性的工质。

4 高温热泵的应用及发展趋势

4.1原油加热

高温水源热泵的应用首先就是在油田的原油加热中，油田的生产过程中会产生大量的高温含油污水。含油污水的温度一般在36~42℃。利用高温水源热泵技术回 收这部分的余热一部分用来供暖，另外一部分则用来加热稠油而进行外输。这种应用不仅可以提高能源的利用率，也可以保护环境，避免造成环境污染。热泵机组的 两器(蒸发器和冷凝器)采用特殊设计，蒸发器能耐腐蚀，含油污水可直接进入蒸发器，而原油可以直接进入冷凝器，取消了原来的油一水换热器和污水一水换热 器，同时取消了相应的水泵及补水系统，使原油加热热泵系统大大简化。但该种系统需要特殊设计，同时需要国内外专业生产换热器的厂家配合。

4.2地热+高温水源供暖系统

这种系统是要求在一些有地下热水井的地区，地热水排放温度高，以及作为辅助热源的燃油锅炉运行费用高昂的现状，利用高温水源热泵机组回收排放出的高温地热 水中的热量供暖从而达到“节能、环保”，节约运行费用的目的。因为要想提高供热系统经济性，只能尽可能多的利用地热水热量，降低地热尾水的排放温度；通过 减少原供热系统循环水的流量，增大供水、回水温差以及对管网阻力进行调整，就可以使系统运行在一个比较理想的工况上，从而达到降低地热水排放温度、减少燃 油锅炉的调峰量、提高供热系统经济性的目的。

4.3污水的回收利用

利用高温水源热泵可以回收工业废水和城市污水排放中污水中所含的热量。 对于城市污水水源热泵的优点是结构简单；渠道中的二级出水与管道中的热泵工质直接换热，效率较高。然而它的缺点是，主机的机房必须设置在二级出水渠道旁。 如果空调服务区离渠道较远，就需要埋设较长的冷——热循环水(内循环)管道，这样会造成在输送过程中的能量损失。

因此，这种热泵只适用于中小型污水处理厂 自身的冷暖空调服务[15]。也可以满足污水处理厂附近的住宅小区的供暖情况。

工业废水的出水温度往往比较高，回收锅炉等能量转化设备产生大量的低温余热，提高其温度用于直接供热，既可解决除尘污水循环利用需要降温的问题，避免余热 直接排放到周围环境造成的热污染；又可以把低温余热提高到可直接供热的温度，提高能源的利用率。这样，在增加供热面积的同时又可以显著地降低能耗，且不会 对环境造成进一步的污染。因此可以利用高温水源热泵回收污水中的热量，回收后的能量用于冬季供暖或生产工艺并逐渐应用于石油、化工、冶金、纺织、食品等各 行业。图3为意大利的一家食品企业的高温热泵系统蒸发温度为56℃，冷凝温度为119℃，COP可以达到3.5。

5 结语

总之，对高温热泵系统的研究滞后于对高温热泵工质的研究，目前对于高温热泵系统的研究的前提是必须针对某一种工质，因此与相对于高温热泵工质的寻找相比， 对一种纯高温热泵工质来进行压缩机和热泵系统的研究是比较容易进行的。如何在排气温度和冷凝温度过高时，热泵系统还有很高的COP性能系数是一项重要的研 究课题以及在很大压比时如何保证压缩机在长时间的可靠运行也是决定高温热泵系统性能的很重要是指标。

图3意大利一食品厂的工业高温热泵系统

参考文献

[1]Cane R， Clems， Forgas D．Heating-recovery heat pump operating experiences[J]．ASHRAE Trans．，1994，100(2)：165-172

[2]李新国．中高温热泵及其用压缩式制冷机的研究[D]．天津：天津大学研究生院．1989.5

[3]http：／／www．heatpumpcentre．org/

[4]Selahattin Goktun．Selection of working fluids for high temperature heat pumps [J]．Energy，1995，vo1．20，pp623-625，

[5]Leon Liebenberg，Josua P Meyer．Potential of the zeotropic mixtures R22／R142b in high temperature heat pump water heaters with capacity modulation[J]．ASHRAE Trans．，1998，104(1)：418-429

[6]Gianfranco Angelino，Costante Invernizzib．Experimental investigation on the thermal stability of some new zero ODP refrigerants[J]．International Journal of Refrigeration，2003，26，51-58

[7]张亚力等．三种中高温工质热力性质分析[J]．暖通空调HV&AC 2005年第35卷第5期

[8]R．M．Lazzrazin．Heat pumps in industry：applications[J]．Heat Recover Systems＆ CHP，1995，V01.15，No．3, PP．305-317

[9]高田秋一．热泵技术的最新发展和进步．陆震译[J]．制冷技术，1997，(3)：18—28

[1O]K．Maruo and A．Sekiya．Research on Fluorine Containing New Refrigerants-Mainly HFEs[R]．Procs．Of the Int．Symposium on HCFCA alternative Refrigerants and Environmental Technology 2002，69-74，Kobe，Japan，2002，Dec．5-6

[11]T．Tsuge，H．Sato and K．Watanabe．Thermodynamic Properties and Cycle Performance of a New Alternative Refrigerant，HF245mc[R]，Procs．of Int．Conf．on Ozone Protection Technologies，17-25，M Y，USA，1997，12-13

[123S．Bobbo．Isothermal VLE measurements for the binary mixtures HFC-134a+HFC-45fa and HFC-600a+HFC-245fa[J]．Fluid Phase Equilibria 2001，(185)，255-264

[13]刘南希，史琳，等．高温工质HTR01水源热泵机组的研究[J]．暖通空调，2004，34(8)

[14]赵力．中高温地热热泵循环工质及系统智能调控的研究[D]，天津：天津大学研究生院，2001年3月

[15]李亚峰，陈平．利用热泵技术回收城市污水中的热能[J]．可再生能源．2002，(6)23-24