1、技術(shù)背景

1.1建筑物供熱及空調(diào)的節(jié)能問題亟待解決

隨著國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人民生活水平的提高，采暖、空調(diào)、生活熱水等對能源需求越來越大，是一般民用建筑物能源消費(fèi)的主要部分。在發(fā)達(dá)城市，夏季空調(diào)、冬季采暖與供熱所消耗的能量已占建筑物總能耗的40-50%。特別是冬季采暖一般用的燃煤/燃油，給大氣環(huán)境造成了極大的污染。因此，建筑節(jié)能與環(huán)保已是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重大問題。

1.2環(huán)保節(jié)能的地源熱泵技術(shù)應(yīng)用前景廣闊

地源熱泵是一種熱量提升裝置，正如人們見到的自然現(xiàn)象——水由高處流向低處一樣，熱量也總是從高溫物體向低溫物體傳遞。水泵可以將水從低處提升到高處，采用熱泵技術(shù)可以將熱量從低溫環(huán)境提升到高溫環(huán)境。地源熱泵不僅可以用于冬季采暖，也可以用于夏季制冷空調(diào)和全年提供生活熱水，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。實(shí)踐證明，以地下水、土壤、地表水等作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季采暖供熱的低溫?zé)嵩?，替代傳統(tǒng)的制冷機(jī)+鍋爐的建筑物空調(diào)、采暖模式，是改善城市大氣環(huán)境、節(jié)約能源的一條有效途徑，也是我國地溫能利用一個(gè)新的發(fā)展方向。

2、高溫?zé)岜?/p>

2.1高溫?zé)岜玫母拍?/p>

目前市場上絕大多數(shù)熱泵采用的是R22制冷劑，因該類熱泵的工作范圍：蒸發(fā)器進(jìn)水不超過20度，冷凝器出水不超過55度。這是因?yàn)镽22壓縮機(jī)的能承受的最高蒸發(fā)溫度12度（如果蒸發(fā)器進(jìn)水20度則蒸發(fā)器出水16度，那么按照過熱度4度考慮則蒸發(fā)溫度12度，達(dá)到壓縮機(jī)允許的極限）；壓縮機(jī)最大承受壓力24公斤，（R22在60度冷凝溫度下冷凝壓力即達(dá)到24公斤）因此，我們把采用R22制冷劑的，蒸發(fā)器進(jìn)水極限20度，冷凝器制熱出水溫度極限為55度的熱泵，稱之為普通熱泵或者常溫?zé)岜谩?/p>

高溫地源熱泵的“高溫”是相對于目前占市場主導(dǎo)地位的最高熱水出水溫度在55℃以下的地源熱泵產(chǎn)品而言。一般而言，高溫?zé)岜檬侵钢茻岢鏊疁囟饶軌蜻_(dá)到80度以上的熱泵，而對制熱出水溫度達(dá)到65度的熱泵稱為中溫?zé)岜没蛘咧懈邷責(zé)岜谩Ｔ诘兀ㄋ┰礈囟?0-15℃時(shí)，供熱溫度在60℃以上的產(chǎn)品，其正常運(yùn)行出水溫度范圍在62-72℃，可以滿足所有的中央空調(diào)和生活熱水系統(tǒng)的水溫要求。雖然在供熱出水溫度上只有十幾度的提高，但對于熱泵技術(shù)來說卻是一個(gè)極大的突破，一般的地源熱泵機(jī)組在該工況下，性能會(huì)極大衰減甚至無法正常運(yùn)行。

歐洲的高溫?zé)岜酶倪M(jìn)離心壓縮機(jī)的性能，采用R134a制冷劑，三級離心壓縮模式，制熱出水溫度可以達(dá)到85度。日本在1980年代開展了超級熱泵計(jì)劃，開發(fā)出4類熱泵，其中有利用45度余熱水，出水溫度85的高溫?zé)岜?，以及利?0度余熱水，產(chǎn)出150度蒸汽的超高溫?zé)岜谩?/p>

2.2高溫地源熱泵技術(shù)優(yōu)勢

商用和民用熱泵技術(shù)在國外已相當(dāng)普及，以其高效、節(jié)能、環(huán)保、利用可再生資源等眾多優(yōu)勢在近幾年得到了迅速的發(fā)展。目前市場上的熱泵設(shè)備主要以風(fēng)冷熱泵和常溫地源熱泵為主，熱泵的輸出溫度低于55℃，主要以R22為工質(zhì)，其主要缺點(diǎn)是出水溫度低，受到地區(qū)性和項(xiàng)目特性的限制，使用范圍不廣，高溫?zé)岜眉夹g(shù)在這方面取得了一定的突破，其主要表現(xiàn)在于：

（1）輸出熱水溫度高：最高輸出熱水溫度為75℃。我國目前正在對城市燃煤采暖系統(tǒng)進(jìn)行改造，為了適應(yīng)原采暖系統(tǒng)的室內(nèi)末端設(shè)備，必須有較高的熱水溫度，高溫?zé)岜镁途哂羞@一特性；

（2）運(yùn)行費(fèi)用低。采用高溫?zé)岜貌膳到y(tǒng)，一個(gè)冬季供暖費(fèi)（4個(gè)月）13.2元/平方米，接近燃煤采暖費(fèi)用，比燃油（氣）采暖費(fèi)用低約40%。

（3）采用專用制冷劑，對環(huán)境沒有污染，綠色環(huán)保。

（4）一機(jī)多用，可滿足不同用戶的空調(diào)、采暖、制備生活熱水的要求。

3、高溫?zé)峄厥招偷卦礋岜每照{(diào)機(jī)組

3.1高溫?zé)峄厥招偷卦礋岜每照{(diào)機(jī)組

筆者開發(fā)的高溫?zé)峄厥招偷卦礋岜脵C(jī)組屬于空調(diào)設(shè)備領(lǐng)域，綜合利用了地源熱泵技術(shù)和高效熱回收技術(shù)。附圖1，該熱泵空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)包括用銅管依次連接的壓縮機(jī)、油分、電磁閥、四通閥、冷凝器、單向閥、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器和氣液分離器，還包括高效熱回收換熱器，其與電子膨脹閥相連，連接于高壓恒壓裝置與四通閥在之間，用于回收空調(diào)冷凝廢熱，從而減少了制熱成本，提高了能效比，具有節(jié)能、環(huán)保、安全等優(yōu)點(diǎn)。

說明附圖1

（1）壓縮機(jī)所產(chǎn)生的高壓冷媒，經(jīng)油分離器一方面將含油量較高的高溫高壓氣態(tài)冷媒進(jìn)行油氣分離，另一方面由于使用油分離氣容積比常用制冷機(jī)組要大，將高溫高壓且含油量較低的氣態(tài)冷媒維持在比常用制冷機(jī)組高的壓力，使得超熱態(tài)的冷媒蒸汽能在高壓下，在熱回收器處進(jìn)行散熱。由于壓力蓄積且保持一個(gè)恒定的壓力，使得裝有本裝置的空調(diào)機(jī)組比沒有本裝置的空調(diào)機(jī)組冷媒保持在更接近壓縮機(jī)出口處的高溫高壓狀態(tài)，因此熱回收器中的冷媒與外界冷源的溫差變大，使得在相同冷源條件下可以散去更多的熱量。

（2）超熱態(tài)冷媒蒸汽，經(jīng)過熱回收器后可以在比常用技術(shù)更高溫高壓的狀態(tài)下進(jìn)入飽和狀態(tài)，故不僅蒸汽壓力可以保持，且液態(tài)冷媒壓力亦較常用的空調(diào)機(jī)組高，飽和狀態(tài)亦在低壓降的情況，可以使冷媒的液氣比逐步提高。

（3）冷媒經(jīng)電子膨脹閥后對高溫高壓的超熱態(tài)冷媒進(jìn)行預(yù)冷使之進(jìn)入飽和狀態(tài)。整個(gè)空調(diào)制冷機(jī)組的冷媒密閉系統(tǒng)中，高壓側(cè)的壓力得以保證，低壓側(cè)亦因而比常用技術(shù)的壓力更高，液態(tài)冷媒更容易被汽化，制冷效率因此提升，不僅制冷效果佳，且EER值亦可明顯提高，達(dá)到節(jié)能的目的。

3.3技術(shù)特點(diǎn)

（1）壓縮機(jī)的選擇：目前熱泵設(shè)備常用壓縮機(jī)類型主要有螺桿壓縮機(jī)、全封閉渦旋壓縮機(jī)與半封閉活塞壓縮機(jī)等，經(jīng)過對不同類型壓縮機(jī)工作特性進(jìn)行比較研究，目前者一般選用全封閉渦旋壓縮機(jī)；

（2）工質(zhì)的選擇：根據(jù)高溫?zé)岜迷O(shè)備最大工作壓力≤25bar，采用對環(huán)境友好的R134a作為制冷劑為工質(zhì)，對臭氧層無破壞作用；

（3）在設(shè)備內(nèi)部增設(shè)一電子膨脹閥與油分互相配合，增加設(shè)備運(yùn)行時(shí)壓力的穩(wěn)定性；由于油分離器容積比常用制冷機(jī)組大，相同時(shí)間下容納的高溫高壓冷媒蒸汽比常用制冷機(jī)組大，壓縮機(jī)啟動(dòng)是阻力小，啟動(dòng)電流低，螺桿機(jī)組啟動(dòng)電流是額定運(yùn)行電流的1.1倍以下，渦旋機(jī)是額定運(yùn)轉(zhuǎn)電流的2.0倍以下，不僅省電，而且有效地保護(hù)壓縮機(jī)安全，用戶不需要因電流大而增容；

（4）運(yùn)行穩(wěn)定，壓縮機(jī)使用壽命長，特別是制冷供回水溫度低于7℃、產(chǎn)生80℃以上的高溫?zé)崴畷r(shí)，其運(yùn)行電流仍在額定電流的88%以內(nèi),不會(huì)跳機(jī)或燒機(jī)，突破了以往熱泵主機(jī)熱水達(dá)到65℃會(huì)燒機(jī)的瓶頸；

（5）熱回收效率高，通過較大的油分離器與電子流量控制閥的流量控制，可獲得較常規(guī)雙效熱泵機(jī)組更高的熱回收率；

（6）整個(gè)機(jī)組的冷媒密閉系統(tǒng)中，高壓側(cè)的壓力得以保持，低壓側(cè)亦因而較常用技術(shù)的壓力更高，在低壓側(cè)的飽和態(tài)冷媒，完全被汽化，無液體冷媒存在，避免了不可壓縮性的液態(tài)冷媒進(jìn)入壓縮機(jī)，造成負(fù)荷過重而損壞壓縮機(jī)，也就是通常所說的液擊現(xiàn)象。

（7）系統(tǒng)控制的優(yōu)化：采用平均壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的優(yōu)化控制模式，保證整體機(jī)組的長時(shí)間高溫穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命，并根據(jù)地源溫度和冬季熱源溫度，調(diào)節(jié)高溫?zé)岜眠\(yùn)行工作狀態(tài)和條件。

3.4高溫?zé)峄厥招偷卦礋岜每照{(diào)機(jī)組的應(yīng)用形式

高溫?zé)峄厥招偷卦礋岜每照{(diào)機(jī)組作為一種高效、環(huán)保、節(jié)能的供熱制冷設(shè)備，可以應(yīng)用于多種采暖空調(diào)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)，并可以和其它新能源技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提高綜合利用效率。目前，高溫地源熱泵在工程中的實(shí)際應(yīng)用主要有如下幾種途徑：

（1）燃煤或燃油（氣）鍋爐改造工程。直接替代供熱鍋爐，具有占地少，工程量小，環(huán)保，安全，運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢，可以直接連接散熱器采暖系統(tǒng)而不需要改造末端系統(tǒng)，雖然一次投資高于普通供熱鍋爐，但因其運(yùn)行費(fèi)用僅相當(dāng)于燃煤鍋爐1/3，其增加的投資可以在3-5年內(nèi)收回；

（2）建筑采暖、空調(diào)和衛(wèi)生熱水三聯(lián)供。衛(wèi)生熱水供水溫度60℃以上，特別是在夏季，制冷的同時(shí)回收空調(diào)余熱免費(fèi)提供衛(wèi)生熱水，經(jīng)濟(jì)效益顯著；

（3）低溫地?zé)岷偷責(zé)嵛菜谩τ谠S多溫度在50℃以下的地?zé)豳Y源，直接利用效益不佳，可以采用高溫地源熱泵，以其作為熱源，向采暖系統(tǒng)供熱或提供生活熱水。對于50℃以上的地?zé)豳Y源，一般地?zé)崴诮?jīng)過采暖系統(tǒng)或生活熱水系統(tǒng)后直接排放或回灌，地?zé)嵛菜臏囟仍?0℃左右，可以利用高溫地源熱泵回收地?zé)嵛菜械臒崃肯蛳到y(tǒng)供熱，使地?zé)嵛菜欧艤囟冉档椎?0℃左右，大大提高地?zé)豳Y源的利用率，使一眼地?zé)峋a(chǎn)生兩眼井的效益。

（4）與太陽能供熱系統(tǒng)的結(jié)合。目前太陽能越來越多的應(yīng)用到建筑熱水供應(yīng)和空調(diào)采暖系統(tǒng)之中，但是因?yàn)樘柲苜Y源的不穩(wěn)定性，基本上需要常規(guī)能源作為輔助，如采用電鍋爐、染油（氣）鍋爐輔助加熱。將高溫地源熱泵與太陽能結(jié)合用于建筑熱水供應(yīng)和采暖系統(tǒng)，一方面可以節(jié)省大量的能源費(fèi)用，減少對環(huán)境的污染，另一方面，對太陽能熱水的溫度要求降低，在滿足用戶供熱溫度的同時(shí)極大的提高了太陽能集熱器的吸熱效率，減少集熱器的投資。

4、高溫地源熱泵技術(shù)的發(fā)展

隨著各科研單位對地源熱泵研究力度的深入和大量新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，高溫地源熱泵技術(shù)將不斷發(fā)展，其運(yùn)行效率、出水溫度、應(yīng)用范圍將會(huì)不斷的改進(jìn)，滿足各種方面的空調(diào)供熱需求。相信在不久的將來，在地源熱泵市場上將會(huì)有越來越多的產(chǎn)品供供熱空調(diào)設(shè)計(jì)師和用戶選擇。