高温热泵技术及其在工程中的应用

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1、技术背景 
    1.1 建筑物供热及空调的节能问题亟待解决 
    随着国民经济迅速发展和人民生活水平的提高，采暖、空调、生活热水等的能源需求越来越大，是一般民用建筑物能源消费的主要部分。在发达城市，夏季空调、冬季采暖与供热所消耗的能量已占建筑物总能耗的40-50%。特别是冬季采暖用的燃煤锅炉、燃油锅炉的大量使用，给大气环境造成了极大的污染。因此，建筑物污染控制和节能已是国民经济发展的一个重大问题。 
    1.2 环保节能的地源热泵技术应用前景广阔 
    地源热泵是一种热量提升装置，正如人们见到的自然现象——水由高处流向低处一样，热量也总是从高温物体向低温物体传递，跟水泵可以将水从低处提升到高处一样，采用热泵技术同样可以将热量从低温提升到高温。地源热泵不仅可以用于冬季采暖，也可以用于夏季制冷空调和全年提供生活热水，实现一机多用。实践证明，以地热（源）能包括地下水、土壤、地表水等作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源，实现采暖、供冷、供生活热水，替代传统的制冷机+锅炉的建筑物空调、采暖、供热模式，是改善城市大气环境、节约能源的一条有效途径，也是我国地热（源）能利用一个新的发展方向。 
    地球浅表层（<400m）是一个巨大的恒温体系，温度几乎不受环境气候变化的影响，如北京地区年平均温度为13-15℃，其能量的来源主要是地面吸收了约40%太阳光的热能，因此，地热（源）能也是一种洁净的可再生能源。它具有热流密度大、容易收集和输送、参数稳定（流量、温度）、使用方便、不受地域限制等优点。 
    地热（源）能作为一种清洁可再生能源，在利用时，不象化石燃料在获取能源和产生电力的同时，向环境排放大量的燃烧产物，如CO2、SO2、NOx、粉尘等，对环境造成严重的污染，引起温室效应、酸雨、土地沙漠化等灾害，也严重影响了人们的身心健康。因此，开发利用清洁无污染的地热（源）能已是社会发展的必然趋势。 
    北京2008年奥运会，将以“科技奥运、绿色奥运、人文奥运”为宗旨，环境是一个非常重要的指标，为此，北京市已决定取消四环路以内的燃煤采暖锅炉，利用太阳能、地热（源）能为奥运会会馆场所提供热、冷，这无疑给地热（源）的开发利用提供了一个良好的契机。 
    1.3 普通地源热泵设备难以满足市场需求 
    我国幅员辽阔，气候多样，因建筑物的地理位置功能等不同，采暖空调及热水系统形式亦各不相同。对冷热源水温来说，一般舒适性中央空调系统的制冷供回水温度要求7℃/12℃，采暖供回水温度要求65℃/55℃，散热器热水采暖系统的供回水温度要求95℃/70℃。在卫生热水供应系统中，根据使用功能和系统设计的不同，一般要求供水温度在40—65℃之间。并且随着人们对环保和能源问题的重视，大量的散热器采暖系统的锅炉设备需要改造，上世纪八九十年代上马的一些中央空调主机设备也需要更新换代。 
    目前，地源热泵技术作为供热空调行业的一个热点，设备生产厂家众多，各类产品层出不穷。短短几年时间，在我国的空调市场上已经有树十家国内外企业加入地源热泵产品的生产销售竞争之中。但是，由于压缩式制冷技术在工质和冷凝温度等的局限性，地源热泵机组在制热工况下的出水温度一般最高只能达到55℃左右。对于新建的建筑，可以在末端系统设计中按此温度考虑。但是在单纯更换主机的中央空调改造项目、散热器采暖系统锅炉改造项目以及热水供应系统中，55℃的供水温度已经不能或不完全能满足系统的使用要求，从而限制了地源热泵这一经济节能的技术的推广应用。 
    高温地源热泵技术正是在这一背景下应运而生，最高可达75℃的供热出水温度大大的拓展了地源热泵技术的应用范围。 
    2、高温地源热泵技术 
    2.1 高温地源热泵的概念 
    高温地源热泵的“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℃以下的地源热泵产品而言，一般指在地（水）源温度10-15℃时，供热温度在60℃以上的产品，正常运行出水温度范围在62—72℃，可以满足所有的中央空调和生活热水系统的水温要求。虽然在供热出水温度上只有十几度的提高，但对于热泵技术来说却是一个极大的突破，一般的地源热泵机组在该工况下，性能会极大衰减甚至无法运行，因此高温热泵产品对设备零部件的选择和制冷剂的使用都有很高的要求，产品的研发和设计方面的成本也很高。目前国内市常上拥有高温热泵技术和产品的企业寥寥无几。 
    2.2 高温地源热泵的几个关键技术 
    相对于输出温度55℃以下的热泵技术，高温地源热泵在不提高低温热源（地源）温度的情况下，热泵供热温度达到60℃以上，并保持较高的运行效率和稳定的运行状态，一般需要解决如下几个关键技术。 
    （1）压缩机的选择：目前热泵设备常用压缩机类型主要有螺杆压缩机、全封闭涡旋压缩机与半封闭活塞压缩机等，经过对不同类型压缩机工作特性进行比较研究，目前高温热泵设备一般选用半封闭活塞压缩机； 
    （2）工质的选择：根据高温热泵设备最大工作压力≤25bar，采用对环境友好的R134a作为制冷剂为工质，对环境无污染，对臭氧层无破坏作用； 
    （3）循环系统的设计：采用多路独立制冷循环系统，共用一个水循环系统，降低了设备的冷凝工作温度和压力； 
    （4）在设备内部增设一特殊换热装置（经济器），增加设备运行时的稳定性； 
    （5）系统控制的优化：采用平均压缩机运行时间的优化控制模式，保证整体机组的长时间高温稳定运行和使用寿命，并根据地源温度和冬季热源温度，调节高温热泵运行工作状态和条件。 
    2.3 高温地源热泵技术优势 
    商用和民用热泵技术在国外已相当普及，以其高效、节能、环保、利用可再生资源等众多众所周知的优势在近几年得到了迅速的发展。目前市场上的热泵设备主要以风冷热泵和常温地源热泵为主，热泵的输出温度低于55℃，主要以R22为工质，其主要缺点是出水温度低，受到地区性和项目使用特性的限制，使用范围不广，高温热泵技术在这方面取得了一定的突破，其主要表现在于： 
    （1）输出热水温度高：最高输出热水温度为75℃。我国目前正在对城市燃煤采暖系统进行改造，为了适应原采暖系统的室内末端设备，必须有较高的热水温度，高温热泵就具有这一特性； 
    （2）运行费用低。采用高温热泵采暖系统，一个冬季供暖费（4个月）13.2元/平方米，接近燃煤采暖费用，比燃油（气）采暖费用低约40%。 
    （3）采用专用制冷剂，对环境没有污染，绿色环保。 
    （4）一机多用，可满足不同用户的空调、采暖、制备生活热水的要求。 
    2.4 高温热泵技术现状和前景 
    目前，国内外的热泵产品主要以风冷热泵和地源热泵为主，输出温度大于60℃，以地源或低温地热水（50℃以下）为热源的高温地源热泵在国内只有少数几个单位在研制，如中科院广州能源研究所、天津大学、清华大学等，广州能源研究所以于2001年初率先推出了最高出水温度可达75℃的高温地源热泵机组（如图1、图2所示），并在近两年里由其下属公司—北京中科能能源高科技有限公司在北京、广州等地成功实施了十余个工程项目，涉及空调采暖、散热器采暖、热水供应、地热尾水热回收利用等多种形式，取得了良好的运行效果。 
    随着国民经济迅速发展和人民生活水平的提高，采暖、空调、生活用热的需求越来越大，是一般民用建筑物用能的主要部分。在发达城市，夏季空调、冬季采暖与供热所消耗的能量已占建筑物总能耗的40-50%。特别是冬季采暖用的燃煤锅炉、燃油锅炉的大量使用，给大气环境造成了极大的污染。高温热泵是一种高效节能环保设备，与燃油（气）锅炉采暖系统相比节能达40%，高温热泵以绿色环保制冷剂为工质，除用少部分电能外，采暖、供热的热量主要来自于吸收了约47%的太阳能的地下水或土壤、江河湖水，由于实行封闭循环，因此，整个系统无有害物质排放，高温热泵技术解决了普通热泵出水温度低的问题，更加适合用于建筑物采暖、空调、供热热水系统，替代供热锅炉，有效改善城市的生态环境，减少由于使用燃煤、燃油锅炉引起的有害气体的排放，提高大气环境质量，减少因有害物质引起人们疾病的发生，充分利用可再生资源和节约常规优质能源有利于社会的可持续发展。可见高温热泵技术具有良好的经济效益和社会效益，其市场前景广阔。 
    3、高温地源热泵技术的应用 
    3.1 高温地源热泵系统的应用形式 
    高温地源热泵技术作为一种高效、环保、节能的供热制冷技术可以应用于所有的采暖空调和热水供应系统，并可以和其它新能源技术有机结合，提高综合利用效率。目前，高温地源热泵在工程中的实际应用主要有如下几种形式。 
    （1）燃煤或燃油（气）锅炉改造。直接替代供热锅炉，具有占地少，工程量小，环保，安全，运行费用低等优势，可以直接接驳散热其采暖系统而不需要改造末端系统，虽然一次投资高于普通供热锅炉，但因其运行费用仅相当于燃煤锅炉，其增加的投资可以在3-5年内收回； 
    （2）建筑采暖、空调和卫生热水三联供。卫生热水温度60℃以上，特别是夏季卫生热水可在制冷同时回收空调余热免费提供，经济效益显著；  
    （3）低温地热和地热尾水利用。对于许多温度在50℃以下的地热资源，直接利用效益不佳，可以采用高温地源热泵，以其作为热源，向采暖系统供热或提供生活热水。对于50℃以上的地热资源，一般地热水在经过采暖系统或生活热水系统后直接排放或回灌，地热尾水的温度在40℃左右，可以利用高温地源热泵回收地热尾水中的热量向系统供热，使地热尾水排放温度降底到10℃左右，大大提高地热资源的利用率，使一眼井产生两眼井的效益。 
    （4）与太阳能供热系统的结合。目前太阳能越来越多的应用到建筑热水供应和空调采暖系统之中，但是因为太阳能资源的不稳定性，基本上需要常规能源作为辅助，如采用电锅炉、染油（气）锅炉辅助加热。将高温地源热泵与太阳能结合用于 建筑热水供应和采暖系统，一方面可以节省大量的能源费用，减少对环境的污染，另一方面，对太阳能热水的温度要求降低，在满足供热温度的同时极大的提高了太阳能集热器的吸热效率，减少集热器的投资。 
    随着新能源利用和节能建筑技术的进一步推广，建筑能耗逐渐降低，高温地源热泵的应用空间将越来越大，将会出现更多的应用形式。 
    3.2 高温热泵技术应用实例 
    （1）高温地源热泵空调、采暖、热水三联供系统 
    如中国科学院外国专家公寓，宾馆，建筑面积11000m2，中央空调系统，末端设备风机盘管。原空调制冷设备螺杆式冷水机组，采暖热源为城市热力，热水由自备燃油锅炉供应。2001年8月系统进行改造，安装两台广州能源研究所研制，北京中科能公司生产的地源热泵机组替换原制冷采暖和制热水设备，GWHP400型高温热泵机组一台，额定制冷量356kw，额定制热量401kw，WRB470型商用热泵机组一台额定制冷量402kw，额定制热量470kw。设抽回灌井各一口，一抽一灌井深76.5米，井水温度15℃，每口井设一潜水泵。 
    运行工况： 
    夏季机组制冷运行，向空调系统供冷，并由高温热泵机组回收空调余热产生每天60m3卫生热水，热水温度60℃。 
    冬季机组制热运行，向空调系统供热的同时由高温热泵机组供应卫生热水。 
    过渡季节由高温热泵机组制热运行供应生活热水。 
    目前该系统经过了两个采暖期和两个空调期的运行，取得了良好的效益。在运行费用方面地源热泵系统每年可比原系统节约运行费用38万元以上，经济性分析如上图3所示（空调期150天；采暖期（含过渡期）150天；全年热水）。 
    类似的高温热泵采暖、空调、热水三联供项目还有北京财贸干部管理学院。 
    （2）高温地源热泵采暖系统 
    如中国科学出版社，主要为办公用房，建筑面积22000m2，愿采用燃煤锅炉供暖，末端设备为普通铸铁散热器。2002年10月进行锅炉改造，安装广州能源研究所研制的GWHP600高温热泵二台，单台供热能力602kW,热源为浅层地下水，工打三眼水井，井深90米，一抽两灌，井水温度14℃。该系统2002年11月1日竣工投入运行，至2003年3月15日采暖期结束，经过一个冬季采暖运行，其运行费用（包括井水潜水泵）为29万元，一个采暖期每平方米的采暖费用为13.2元，接近燃煤采暖的费用。采暖期间，室外最低气温-16℃时，室内温度仍能保持在20℃以上，热泵设备运行平稳，出水温度保持在65℃以上。 
    本地源热泵系统机房仍利用原燃煤锅炉房，该锅炉房现改造为两层，二层和一层的三分之二用于其它用途，地源热泵机房只利用了一层约100 m2的面积。 
    类似的高温热泵采暖项目还有北京广渠门住宅小区，建筑面积26000m2，安装GWHP600高温热泵二台，供暖效果良好。 
    （3）高温地源热泵地热能、太阳能等新能源的结合 
    高温地源热泵与地热能结合如北京中科能公司正在实施的某度假村的地源热泵采暖空调项目，建筑面积约20000m2，采用GWHP400型高温热泵机组二台，夏季空调采用冷却塔冷却。卫生热水由地热水经过换热器换热提供，冬季部分采暖热源由地热水直接提供，采暖和热水系统换热后的地热尾水作为高温热泵的低温热源，由高温热泵向另一部分建筑供暖，地热尾水回灌温度12℃。 
    高温热泵技术与太阳能的结合如广州能源研究所和北京中科能公司实施的国家科技攻关计划项目—奥运新能源综合利用建筑示范项目，该项目建筑面积8000m2，采用太阳能和高温地源热泵空调和采暖。太阳能集热器面积1200m2，太阳能制冷机额定制冷量200kW，选配高温地源热泵机组型号为GWHP400，额定制冷量391 kW，额定制冷量448 kW。夏季空调由吸收式太阳能制冷系统和高温地源热泵联合供应。冬季部分采暖由太阳能提供，当太阳能不足时由高温地源热泵加热太阳能热水向建筑供暖，通过系统的优化设计，使建筑采暖空调能耗的80%来自于太阳能和地下热能。 
    4、高温地源热泵技术的发展 
    随着各科研单位对地源热泵研究力度的深入和大量新技术的不断涌现，高温地源热泵技术将不断发展，其运行效率、出水温度、应用范围将会不断的改进，满足各种方面的空调供热需求。比如中科院广州能源研究所目前正在研究出水温度在80℃以上的高效高温地源热泵机组，相信在不久的将来，在地源热泵市场上将会有越来越多的产品供供热空调设计师和用户选择。