高温热泵的国内外研究

  随着国际能源问题的日益突出，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。高温水源热泵就是一种用来在石油化工等行业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。热泵系统在许多工业领域得到应用，尤其在工艺中既需要冷量又需要热量时，高温热泵可提供高效的解决方案。

 

  1.1 高温热泵工质的研究

 

  目前针对高温热泵的研究，大量工作都集中在适宜工质的选择和制热效率进一步提高这两方面。

 

  相对于常温热泵，高温热泵很难找到一种适用性好且性能优越的制冷工质。对于高温工质的选择有两种趋势，一种是使用自然工质（CO2、NH3及碳氢化合物等），另一种是使用人造工质（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，有些还具有较危险的爆炸性，因此相应的系统一般都有特殊的要求，所以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[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；蒸发压力在0.1MPa以上，以免在系统中形成负压；容积制冷量一般应大于2.5J/cm3，以免系统体积过于庞大；油溶性好、化学性质稳定；对环境危害小，无毒、不可燃；具有较高的COP。

 

  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实验验证。1994年，SukumarDevotta等人对当时已提出的HFCs和HFEs纯质进行了理论循环分析。计算的冷凝温度范围为80℃～120℃，对所有物质均指定循环条件为无过冷、无过热、无压降、绝热压缩、温升40℃。结果表明，R143和R134的COP相对较高，上述成果是经过对单一工质的热力学循环性能研究得到的[2]。

 

  南非的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[3]。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。

 

  日本神户制钢在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，以R22/R142b组成的非共沸混合物为工质，制热效率COP值达到6，供水温度可以达到85℃以上[4]。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[5]。R123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。国外最新研究表明，R1234ze可以作为R134a的替代制冷工质作为高温热泵工质使用[6]。

 

  天然工质氨的使用，使得高温热泵系统的效率更高、单机热负荷更大、可持续应用性更强，同时减少能耗，尤其在热负荷大和出水温度高的应用场合，节能效果更为突出。使用高温热泵系统，既可通过减少直接排放量来改善环境（其ODP和GWP值均为0），还可通过降低电耗间接减少CO2排放量，同时也为用户节省运行费用。既有益于用户，也有益于环境的可持续发展。

 

  国内对高温热泵工质方面的研究主要由高校进行，清华大学申报了命名为“HTR01”和“HTR02”的混合工质专利[7]，同时与北京市科委和北京清源世纪公司合作进行了产品化，最大供水温度可达95℃，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，得到了热泵出口水温90℃的实验结果，并且申请西安交通大学压缩机研究所近年来也集中于高温热泵系统的研究，开发了余热回收高温热泵系统测试台，采用高温工况下压缩机喷油冷却技术，有效的控制了螺杆压缩机在高温工况下的排气温度，使得冷凝温度达到90℃，出水温度达到85℃，并研究了油冷却技术对机组性能的影响[11]。在此实验的基础上，又与国内压缩机厂家合作研发高温热泵用螺杆压缩机，开发了制热量700kW的油田余热回收高温热泵机组。机组采用两级冷凝器串联加热，有效的提升了供水温度。

 

  挪威IFE（Institute for energy technology ）正在开发一种高温压缩吸收式热泵，该热泵可以利用50℃的工业废热，产生出90℃～100℃的高温热水，同时可以生产5℃～10℃的低温冷冻水，COP在3.4以上，该系统采用NH3/H2O作为工质[13]。

 

  关于CO2高温热泵跨临界循环的研究，国内开展的相对较晚，主要研究单位以高校为主，如天津大学，西安交通大学，上海交通大学等。天津大学马一太教授的课题小组对跨临界CO2热泵系统展开了广泛的研究，在最优高压侧压力方面进行了理论研究[14]，通过循环分析，阐述了不同高压侧运行压力下，制冷量和制冷效率的变化情况，以及最优压力随气体冷却器出口温度和蒸发温度的变化情况，并提出了一种简单的利用单片机来调节高压侧压力的控制思路。西安交通大学在2003年初与美国UTRC（美国联合技术开发中心）合作，建立了跨临界CO2系统试验台，对CO2压缩机以及膨胀机进行了合作研究，并在近几年对商用CO2热泵热水器进行了较为深入的理论和实验研究，形成了较完备的理论和实验知识，系统出水温度能达90℃以上，为CO2热泵系统使用范围的扩大奠定了基础。

 

  德国基伊埃公司开发出大型工业用热泵系统，出水最高温度达90℃，COP在3.5～4.0之间。单台制热量高达10MW。采用环保工质氨为制冷剂，使用高压螺杆压缩机，确保高温热泵系统稳定可靠。

 

  1.3 离心式高温热泵机组

 

  离心式高温热泵的研究主要是由企业来进行。

 

  瑞士Friotherm公司开发了冷凝温度在80℃，工质为R134a，制冷量范围在2000kW～20000kW的离心式高温热泵机组。美国McQuay公司生产Templifier（天威）系列离心式热泵机组的最高供水温度为60℃，其低位热源为10℃～49℃的余热。

 

  国内大连冷冻机股份有限公司联合北欧合作伙伴率先在国内推出大型离心热泵区域供热/供冷系统工程。选择大型离心压缩机（组）制造商瑞士Friotherm公司，瑞典OLZI能源咨询及集团公司组成联合体。系统采用Friotherm公司大型离心热泵机组为核心设备，吸取OLZI能源咨询及集团公司丰富的设计和施工经验来实施们国内的区域热泵供热/供冷系统工程。这是国内唯一能够生产、制造大型离心热泵机组的生产厂家。