中高溫?zé)岜脵C(jī)組研究與應(yīng)用綜述

1、中高溫?zé)岜脵C(jī)組研究與應(yīng)用綜 述中高溫?zé)岜脵C(jī)組研究與應(yīng)用綜述作者：任曉東簡(jiǎn)介：能源與環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)今世界各國(guó)面臨的重大社會(huì)問(wèn)題，熱泵作為一種既節(jié)能又環(huán)保的技術(shù)越來(lái)越 受到人們的重視，以工業(yè)廢水為低位熱源的中高溫?zé)岜眉夹g(shù)的開發(fā)，對(duì)于我國(guó)北方城市區(qū)域供熱及其他用 熱領(lǐng)域具有十分重要的意義.本文介紹了中高溫?zé)岜脟?guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出研究與開發(fā)中高溫?zé)?泵要從熱泵的系統(tǒng)形式、熱泵的工質(zhì)及熱泵的工作部件等幾個(gè)方面進(jìn)行.關(guān)鍵字：中高溫?zé)岜霉?jié)能區(qū)域供熱相關(guān)站中站：空調(diào)節(jié)能資料大全土壤源/地源熱泵技術(shù)選型水源熱泵/水環(huán)熱泵技術(shù)選型1前言能源與環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)今世界各國(guó)面臨的重大社會(huì)問(wèn)題。我國(guó)地大物博，資源儲(chǔ)量豐

2、富。但 是由于人口眾多，煤的人均儲(chǔ)量?jī)H為世界平均的1/5,石油的人均儲(chǔ)量?jī)H為世界平均的1/8,天然氣則僅為世界平均的1/25o不僅如此，我國(guó)能源 利用率非常之低，單位產(chǎn)值的能耗是美國(guó)和韓國(guó) 的6倍，是日本的12倍卬。我國(guó)的環(huán)境問(wèn)題也 非常嚴(yán)重。由于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，大氣 污染的主要特征是煤煙型污染，全國(guó)每年由于燃 煤所排放的粉塵量約為2.3 X 107t, SO2約為1.46X107t,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了全球陸地平均污染負(fù)荷量 2o在全球大氣污染最嚴(yán)重的前十座城市中，我 國(guó)占了其中的5座（北京、沈陽(yáng)、西安、上海和廣州）3o近年來(lái)，熱泵作為一種既節(jié)能又環(huán)保的技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，并且逐步向大型

3、熱泵裝 置的方向發(fā)展。熱泵是這樣一種裝置，它按照逆 向熱力循環(huán)，利用少量的高位能去提取周圍環(huán)境 中的無(wú)直接用途的熱量，使其能位提升，從而獲 得更多的可利用熱能。熱泵可利用的低位熱源的 范圍很廣，如自然環(huán)境資源（如空氣、水、地?zé)崮?、太?yáng)能等）、生活中所排出的廢熱（如排水 和排氣中的廢熱）、生產(chǎn)的排除物（廢水、廢氣、 于目前占市場(chǎng)主導(dǎo)地位的最高熱水出水溫度在廢渣等）等等O中高溫?zé)岜玫摹爸懈邷亍笔窍鄬?duì)55。以下的熱泵而言，一般供熱溫度在60C以上，正常運(yùn)行出水溫度范圍為62c70°C,可 以滿足所有中央空調(diào)和生活熱水系統(tǒng)對(duì)水溫的 要求。雖然在供熱溫度上只有十幾度的提高，但 對(duì)于熱泵技術(shù)來(lái)說(shuō)

4、需要極大的突破。在我國(guó)的采暖地區(qū)，隨著對(duì)節(jié)能和環(huán)境空氣 質(zhì)量要求的不斷提高，各大中城市紛紛對(duì)燃煤鍋 爐進(jìn)行取締，這就意味著每年有大量的供熱熱源需要進(jìn)行改造。這些改造項(xiàng)目大都是采用高溫?zé)?水的區(qū)域供熱系統(tǒng)，用戶末端裝置為散熱器。在 保持原有供熱系統(tǒng)形式不變的前提下，將舊有的 供熱熱源改造為熱泵進(jìn)行供熱是一種既節(jié)能又 環(huán)保的方法。但是，由于目前熱泵機(jī)組的供水溫 度較低，難以滿足區(qū)域供熱系統(tǒng)對(duì)熱水溫度的要 求（要求80以上）。因此，需要進(jìn)一步提高現(xiàn) 有熱泵機(jī)組的供水溫度。另外，在原油的生產(chǎn)過(guò) 程中，需要將原油加熱到55C以上進(jìn)行輸送（否 則原油會(huì)因結(jié)蠟而無(wú)法輸送目前，這部分能 量主要靠燃燒天然氣來(lái)進(jìn)

5、行提供，僅大慶油田每 年消耗于此的天然氣就高達(dá)1億立方米。同時(shí)， 燃燒天然氣的燃燒爐也非常易于損壞，5年左右 就需要更換燃燒爐內(nèi)的換熱管壁，維修費(fèi)用很 高，因此迫切地要求使用新型的加熱設(shè)備來(lái)取代 現(xiàn)有的燃?xì)忮仩t，而在中高溫?zé)岜猛瑯訛橐环N有 效的替代設(shè)備。我國(guó)的工業(yè)廢水中蘊(yùn)涵著大量的低位熱能。 在原油生產(chǎn)過(guò)程中將分離出大量的含油污水，大 慶油田的污水排放量為4.014萬(wàn)噸/小時(shí)，水溫 38c左右；遼河油田的污水排放量為4.89萬(wàn)噸/小時(shí)，水溫43；勝利油田的污水排放量為5.38 萬(wàn)噸/小時(shí)，水溫40。為了保證原油產(chǎn)量，這 些污水必須回注到地下，如果不加以利用的話， 其中的能量就會(huì)被浪費(fèi)掉。在鋼鐵

6、工業(yè)、電力工 業(yè)和石化工業(yè)中也存在大量的低溫廢水，溫度在3070之間。如果將這部分低溫廢水排入河流 和大海中，不僅會(huì)造成能源的極度浪費(fèi)，而且會(huì) 導(dǎo)致環(huán)境的嚴(yán)重污染。利用中高溫?zé)岜眉夹g(shù)將廢 水中的低位熱能提取出來(lái)，使其成為高位熱能， 就可以應(yīng)用到城市集中供熱和原油拌熱輸送等 民用和工業(yè)用熱領(lǐng)域中，從而實(shí)現(xiàn)了能源的合理 利用。因此，以工業(yè)廢水為低位熱源的中高溫?zé)?泵技術(shù)的開發(fā)，對(duì)于我國(guó)北方城市區(qū)域供熱及其 他用熱領(lǐng)域具有十分重要的意義。2中高溫?zé)岜脟?guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀2. 1中高溫?zé)岜脟?guó)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀瑞士被稱為傳統(tǒng)的熱泵國(guó)家，由Sulzer公司生產(chǎn)的大型高溫?zé)岜脵C(jī)組不僅歷史久遠(yuǎn)而且 廣泛地應(yīng)用于

7、世界各地。該公司于1938年生產(chǎn) 的高溫?zé)岜脵C(jī)組至今仍然服務(wù)于瑞士的蘇黎世 市政廳，其供水溫度為60,這也是歐洲第一 臺(tái)高溫?zé)岜脵C(jī)組。1982年，Sulzer公司以地下 水作為低位熱源在瑞典西北城市Bjuv的一個(gè)小 區(qū)內(nèi)建立了熱泵站進(jìn)行區(qū)域供熱，供熱能力 8.7MW,供熱溫度70o隨后，該公司又研制 出以地下水、河水、海水和污水為低位熱源的多 級(jí)壓縮中高溫?zé)岜脵C(jī)組，最高供水溫度可達(dá)80C,制熱系數(shù)在3以上,并已廣泛應(yīng)用于瑞典、挪威、瑞士等國(guó)家的城市區(qū)域供熱中。英國(guó)某牛 奶工廠以冷卻牛奶后的水為低位熱源（溫度在1854之間）建立廢水回收系統(tǒng)，其供水溫度在60104之間。美國(guó)Trane公司生產(chǎn)的大

8、 型離心式熱泵機(jī)組的最高供水溫度為49,主 要用于熱水供應(yīng)。其型式主要有兩種：一是在原 有冷水機(jī)組上增設(shè)輔助冷凝器；二是直接生產(chǎn)的 熱回收型的冷水機(jī)組。美國(guó)McQuay公司生產(chǎn)Templifier （天威）系列離心式熱泵機(jī)組的最高 供水溫度為60,其低位熱源為1049C的余 熱。日本在上世紀(jì)90年代初開發(fā)出一系列高效 的熱泵系統(tǒng)，其中高溫型在溫升為100C時(shí)制熱 系數(shù)可達(dá)到3以上4。熱泵的供熱溫度較低一直是阻礙熱泵發(fā)展的一個(gè)重要因素。為了增強(qiáng)的熱泵的競(jìng)爭(zhēng)力，近 年來(lái)中高溫?zé)岜玫难芯恳殉蔀閲?guó)際熱泵研究的 一個(gè)重要方向。日本的Japanese Super HeatPump Energy Accum

9、ulation System 項(xiàng)目，美國(guó)HR熱泵發(fā)展計(jì)劃5及歐洲大型熱泵研究計(jì)劃中，中高溫?zé)岜镁瞧渲攸c(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。2001年，瑞士的Matin教授提出了在舊有 建筑熱源改造項(xiàng)目中推廣熱泵區(qū)域供熱的思想 6o他指出在舊有熱源改造項(xiàng)目中，輸送管網(wǎng)通常為高溫?zé)崴芫W(wǎng)，對(duì)水溫的要求很高，這就促 使熱泵必須向高溫方向發(fā)展。大量的工業(yè)廢水為 熱泵提供了低位熱源，為其應(yīng)用提供了良好的條 件。這樣，熱泵就既可以充分利用其他方法難以 利用的工業(yè)余熱，又以效率高于其他供熱方式提 供所需的熱能。此外,工業(yè)廢水經(jīng)過(guò)熱泵利用后, 將以較低的溫度排放，減少了對(duì)環(huán)境的熱污染。22中高溫?zé)岜脟?guó)內(nèi)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀我國(guó)對(duì)于中高

10、溫?zé)岜孟到y(tǒng)的研究較少，并主要局限于化學(xué)工藝過(guò)程中的小型熱泵機(jī)組。1989 年,天津大學(xué)李新國(guó)等人進(jìn)行了中高溫?zé)岜玫?研究。對(duì)適用于中高溫?zé)岜玫闹评鋭?、壓縮機(jī)和 潤(rùn)滑油進(jìn)行了分析，并建立了水水電動(dòng)熱泵實(shí) 驗(yàn)臺(tái)。1997年，陳東等人8對(duì)于中高溫?zé)岜玫?環(huán)害工質(zhì)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。2001年，天 津大學(xué)馬一太等人9對(duì)CO2超臨界循環(huán)水源熱 泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究。他們指出CO2超臨界循環(huán) 水源熱泵系統(tǒng)的供水溫度能夠達(dá)到90, CO2可以作為中高溫?zé)岜玫难h(huán)工質(zhì)。2001年，富爾達(dá)公司在大慶安裝了一套的 水-水熱泵系統(tǒng)，其低位熱源為含油污水。該系 統(tǒng)采用螺桿式壓縮機(jī)，最高供水溫度為65C, 用于污水聯(lián)合站

11、內(nèi)建筑物的空調(diào)和采暖。同年, 蘭州近代物理研究所以核反應(yīng)堆廢水為低位熱 源，安裝了一臺(tái)由Sulzer公司生產(chǎn)的高溫?zé)岜?機(jī)組，制冷劑采用R134ao該機(jī)組蒸發(fā)器的供回 水溫度為35.8/28 ,冷凝器的供回水溫度為 52/70,供熱量為 3.58MW。綜上所述，中高溫?zé)岜迷趪?guó)外已經(jīng)得到了一 定的發(fā)展和應(yīng)用，但是由于大部分的供水溫度較低，不能滿足集中供熱或其他的用熱要求，因此 其發(fā)展受到了限制。瑞士的Sulzer公司（現(xiàn)已 更名為Axima公司）雖然能夠生產(chǎn)出供水溫度 達(dá)到80C的高溫?zé)岜脵C(jī)組，但其售價(jià)很高，每 MW售價(jià)約為160萬(wàn)人民幣,而其他廠家的常溫 熱泵機(jī)組的售價(jià)僅為80100萬(wàn)人民幣。

12、我國(guó)對(duì) 中高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的研究尚處于起步階段。可以 說(shuō)，以工業(yè)廢水為低位熱源的大型高溫?zé)岜眉夹g(shù) 的研究與開發(fā)目前在國(guó)內(nèi)基本處于空白階段。3中高溫?zé)岜醚芯颗c開發(fā)思路要提高中高溫?zé)岜玫墓釡囟群托?，需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。首先是熱泵的系統(tǒng)形式，相對(duì)于常規(guī)的熱泵系統(tǒng)，高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用要滯后許多。盡管如此，國(guó)內(nèi)、外對(duì)這一領(lǐng)域也進(jìn)行了一系列 的研究4：1）純工質(zhì)多級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)此類熱泵系統(tǒng)以雙級(jí)或三級(jí)壓縮為主，采用 離心或螺桿式壓縮機(jī)，用于區(qū)域供熱或工業(yè)工藝 流程供熱。其工作流程與雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)相類 似。2）非共沸工質(zhì)多級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)此類熱泵系統(tǒng)的基本流程與純工質(zhì)多級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)相同。目前

13、，國(guó)內(nèi)外對(duì)此類熱泵系統(tǒng) 的研究較多，所用的工質(zhì)主要有R22/R142b.R125/R134a等。在理論和實(shí)驗(yàn)研究中，均獲得 了較好的COP值，但在實(shí)際應(yīng)用上仍然存在一 些問(wèn)題，如混合工質(zhì)在發(fā)生泄漏時(shí)將導(dǎo)致成份的 變化，影響其熱力性能，以及在相變過(guò)程中的汽 液分離現(xiàn)象使得在換熱器中實(shí)現(xiàn)逆流換熱較為 困難，從而無(wú)法發(fā)揮非共沸工質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)法獲 得理想的熱泵效率。3）吸收式熱泵系統(tǒng)和化學(xué)熱泵系統(tǒng)此類熱泵系統(tǒng)均為使用熱能驅(qū)動(dòng)的熱泵系 統(tǒng)。吸收式熱泵系統(tǒng)是由吸收式制冷系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的。化學(xué)熱泵系統(tǒng)是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型 熱泵系統(tǒng)。它利用化學(xué)反應(yīng)的吸熱和放熱效應(yīng)來(lái) 實(shí)現(xiàn)低溫吸熱和高溫放熱，可以在很大的溫差

14、及 很高的溫度條件下實(shí)現(xiàn)熱泵循環(huán)。4）吸收.壓縮組合熱泵系統(tǒng)此類熱泵系統(tǒng)吸收式和壓縮式系統(tǒng)組合在 一起，采用沸點(diǎn)相差很大的工質(zhì)作為循環(huán)的工質(zhì) 對(duì)，利用其溶液對(duì)低沸點(diǎn)工質(zhì)的吸收作用來(lái)改善 循環(huán)某些方面的特性。研究表明，這類循環(huán)能較 好地改善吸收式或蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)的性能, 極具發(fā)展?jié)摿ΑＦ浯问侵懈邷責(zé)岜霉べ|(zhì)的研究。對(duì)于中高溫?zé)岜?，不存在公認(rèn)的代表性工質(zhì)，所以應(yīng)用中高 溫?zé)岜靡鉀Q的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是尋找適宜的 綠色環(huán)保工質(zhì)。以純工質(zhì)多級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)為 例，針對(duì)采用該系統(tǒng)形式的中高溫?zé)岜醚芯康闹?點(diǎn)主要放在新型替代工質(zhì)的研究。這是一項(xiàng)有待 從頭開始的工作，需要對(duì)各種工質(zhì)進(jìn)行篩選，使 其既符合綠色環(huán)

15、保要求又能保證中高溫?zé)岜眠_(dá)到良好的運(yùn)行效果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張吉禮, 張淑彥等人10對(duì) R245fa> R245ca、R236ea>R600、R123、R134a六種工質(zhì)進(jìn)行了研究，得出三種新工質(zhì)R245fa、R245ca. R236ea在中高溫?zé)岜霉r下(te=10,tc=80)制熱系數(shù)均能 達(dá)到3.5以上。再者是中高溫?zé)岜霉ぷ鞑考难芯?，針?duì)純 工質(zhì)多級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)其主要部件包括蒸發(fā)器、 冷凝器和壓縮機(jī)等。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于換熱器包括 蒸發(fā)器和冷凝器的研究在其結(jié)構(gòu)上并沒有太大 的變化，其主要的研究方向是致力于高效傳熱管 的開發(fā)與應(yīng)用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張吉禮，李忠 建等人11對(duì)采用高

16、效傳熱管高溫?zé)岜玫膿Q熱器(包括冷凝器、蒸發(fā)器和回?zé)崞?進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在換熱器及帶有經(jīng)濟(jì)器的雙級(jí)離心式壓縮機(jī)數(shù) 學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了高溫?zé)岜孟到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬 模型。通過(guò)對(duì)高溫?zé)岜妙~定工況的模擬，分析了 換熱器設(shè)計(jì)對(duì)高溫?zé)岜眯阅艿挠绊?。壓縮機(jī)是壓 縮式熱泵的核心部件，其運(yùn)行的效率，工況范圍 和安全性能直接影響著整個(gè)機(jī)組的性能。壓縮機(jī) 種類有容積式壓縮機(jī)和透平式壓縮機(jī)。容積式壓 縮機(jī)包括活塞式壓縮機(jī)和回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),透平式 壓縮機(jī)包括軸流式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)。目前 美國(guó)生產(chǎn)的大型熱泵機(jī)組一般采用離心式壓縮 方式。另有資料表明口2,在全球商用制冷設(shè)備 中，離心式制冷機(jī)組的制冷容量占全部設(shè)備的70%o因此，

17、中高溫?zé)岜脵C(jī)組尤其是大型中高溫?zé)岜脵C(jī)組采用離心式的壓縮方式是十分適宜的。4結(jié)束語(yǔ)現(xiàn)代建筑倡導(dǎo)環(huán)保、節(jié)能的設(shè)計(jì)理念，突出環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)符合21世紀(jì)人們生活的需要, 以此為背景的中高溫?zé)岜眉夹g(shù)必將得到廣泛地 研究與應(yīng)用。中高溫?zé)岜眉夹g(shù)可以減少溫室氣體 和其他燃燒產(chǎn)生的污染物的排放，是一種可持續(xù) 發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)。最后感謝姚國(guó)梁教授級(jí)高工對(duì)本文的審核,并提出諸多寶貴的修改意見，使本文得以更加完 善。參考文獻(xiàn)1尹錫勛.節(jié)能技術(shù)及其發(fā)展方向.節(jié)能.1997,(6):3-6.2梁麗明.城市大氣有機(jī)物污染.北京:煤 炭工業(yè)出版社,2000:2646.3龍惟定.試論中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與空調(diào)冷熱源的選擇取向暖通

18、空調(diào).2000,30:2732.5 R. Mottal. Heat Pump Technology and Working Fluids. XIX International Congress of Refrigeration. 1995:13341341.6 M. Zogg. The Swiss Retrofit Heat Pump Programme. The 7th International Energy Agency Conference on Heat Pump Technologies in Beijing.2002:209218.7李新國(guó).中高溫?zé)岜眉捌鋲嚎s式制冷機(jī)的研究.天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.19898陳東.壓縮機(jī)中高溫低環(huán)害工質(zhì)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.天津大學(xué)博士學(xué)位論文.1997