高溫熱回收型地源熱泵空調機組解析

地源熱泵是一種熱量提升裝置，正如人們見到的自然現象——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，採用熱泵技術可以將熱量從低溫環境提升到高溫環境。地源熱泵不僅可以用於冬季採暖，也可以用於夏季製冷空調和全年提供生活熱水，實現一機多用。實踐證明，以地下水、土壤、地表水等作為熱泵夏季製冷的冷卻源、冬季採暖供熱的低溫熱源，替代傳統的制冷機+鍋爐的建築物空調、採暖模式，是改善城市大氣環境、節約能源的一條有效途徑，也是我國地溫能利用一個新的發展方向。

地球淺表層（10m~400m）是一個巨大的恆溫體系，溫度幾乎不受環境氣候變化的影響，如北京地區年平均溫度為13-15℃，其能量的來源主要是太陽光及其轉化的熱能，因此，地溫能也是一種潔凈的可再生能源，在利用時，不象化石燃料向環境排放大量的燃燒產物，如CO2、SO2、NOx、粉塵等，對環境造成嚴重的污染，引起溫室效應、酸雨、土地沙漠化等災害，也嚴重影響了人們的身心健康。因此，開發利用清潔無污染的地溫能已是社會發展的必然趨勢。

2、高溫熱泵

2.1高溫熱泵的概念

目前市場上絕大多數熱泵採用的是R22製冷劑，因該類熱泵的工作範圍：蒸發器進水不超過20度，冷凝器出水不超過55度。這是因為R22壓縮機的能承受的最高蒸發溫度12度（如果蒸發器進水20度則蒸發器出水16度，那麼按照過熱度4度考慮則蒸發溫度12度，達到壓縮機允許的極限）；壓縮機最大承受壓力24公斤，（R22在60度冷凝溫度下冷凝壓力即達到24公斤）因此，我們把採用R22製冷劑的，蒸發器進水極限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熱泵。

高溫地源熱泵的「高溫」是相對於目前佔市場主導地位的最高熱水出水溫度在55℃以下的地源熱泵產品而言。一般而言，高溫熱泵是指制熱出水溫度能夠達到80度以上的熱泵，而對制熱出水溫度達到65度的熱泵稱為中溫熱泵或者中高溫熱泵。在地（水）源溫度10-15℃時，供熱溫度在60℃以上的產品，其正常運行出水溫度範圍在62-72℃，可以滿足所有的中央空調和生活的水溫要求。雖然在供熱出水溫度上只有十幾度的提高，但對於熱泵技術來說卻是一個極大的突破，一般的地源熱泵機組在該工況下，性能會極大衰減甚至無法正常運行。

歐洲的高溫熱泵改進離心壓縮機的性能，採用R134a製冷劑，三級離心壓縮模式，制熱出水溫度可以達到85度。日本在1980年代開展了超級熱泵計劃，開發出4類熱泵，其中有利用45度餘熱水，出水溫度85的高溫熱泵，以及利用80度餘熱水，產出150度蒸汽的超高溫熱泵。

2.2高溫地源熱泵技術優勢

商用和民用熱泵技術在國外已相當普及，以其高效、節能、環保、利用可再生資源等眾多優勢在近幾年得到了迅速的發展。目前市場上的熱泵設備主要以風冷熱泵和常溫地源熱泵為主，熱泵的輸出溫度低於55℃，主要以R22為工質，其主要缺點是出水溫度低，受到地區性和項目特性的限制，使用範圍不廣，高溫熱泵技術在這方面取得了一定的突破，其主要表現在於：

（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採暖系統進行改造，為了適應原採暖系統的室內末端設備，必須有較高的熱水溫度，高溫熱泵就具有這一特性；

（2）運行費用低。採用高溫熱泵採暖系統，一個冬季供暖費（4個月）13.2元/平方米，接近燃煤採暖費用，比燃油（氣）採暖費用低約40%。

（3）採用專用製冷劑，對環境沒有污染，綠色環保。

（4）一機多用，可滿足不同用戶的空調、採暖、製備生活熱水的要求。

3、高溫熱回收型地源熱泵空調機組

3.1高溫熱回收型地源熱泵空調機組

筆者開發的高溫熱回收型地源熱泵機組屬於空調設備領域，綜合利用了地源熱泵技術和高效熱回收技術。附圖1，該熱泵空調循環系統系統包括用銅管依次連接的壓縮機、油分、電磁閥、四通閥、冷凝器、單向閥、熱力膨脹閥、蒸發器和氣液分離器，還包括高效熱回收換熱器，其與電子膨脹閥相連，連接於高壓恆壓裝置與四通閥在之間，用於回收空調冷凝廢熱，從而減少了制熱成本，提高了能效比，具有節能、環保、安全等優點。

說明附圖1

3.2技術說明

（1）壓縮機所產生的高壓冷媒，經油分離器一方面將含油量較高的高溫高壓氣態冷媒進行油氣分離，另一方面由於使用油分離氣容積比常用制冷機組要大，將高溫高壓且含油量較低的氣態冷媒維持在比常用制冷機組高的壓力，使得超熱態的冷媒蒸汽能在高壓下，在熱回收器處進行散熱。由於壓力蓄積且保持一個恆定的壓力，使得裝有本裝置的空調機組比沒有本裝置的空調機組冷媒保持在更接近壓縮機出口處的高溫高壓狀態，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）超熱態冷媒蒸汽，經過熱回收器后可以在比常用技術更高溫高壓的狀態下進入飽和狀態，故不僅蒸汽壓力可以保持，且液態冷媒壓力亦較常用的空調機組高，飽和狀態亦在低壓降的情況，可以使冷媒的液氣比逐步提高。

（3）冷媒經電子膨脹閥后對高溫高壓的超熱態冷媒進行預冷使之進入飽和狀態。整個空調製冷機組的冷媒密閉系統中，高壓側的壓力得以保證，低壓側亦因而比常用技術的壓力更高，液態冷媒更容易被汽化，製冷效率因此提升，不僅製冷效果佳，且EER值亦可明顯提高，達到節能的目的。

3.3技術特點

（1）壓縮機的選擇：目前熱泵設備常用壓縮機類型主要有螺桿壓縮機、全封閉渦旋壓縮機與半封閉活塞壓縮機等，經過對不同類型壓縮機工作特性進行比較研究，目前者一般選用全封閉渦旋壓縮機；

（2）工質的選擇：根據高溫熱泵設備最大工作壓力≤25bar，採用對環境友好的R134a作為製冷劑為工質，對臭氧層無破壞作用；

（3）在設備內部增設一電子膨脹閥與油分互相配合，增加設備運行時壓力的穩定性；由於油分離器容積比常用制冷機組大，相同時間下容納的高溫高壓冷媒蒸汽比常用制冷機組大，壓縮機啟動是阻力小，啟動電流低，螺桿機組啟動電流是額定運行電流的1.1倍以下，渦旋機是額定運轉電流的2.0倍以下，不僅省電，而且有效地保護壓縮機安全，用戶不需要因電流大而增容；

（4）運行穩定，壓縮機使用壽命長，特別是製冷供回水溫度低於7℃、產生80℃以上的高溫熱水時，其運行電流仍在額定電流的88%以內,不會跳機或燒機，突破了以往熱泵主機熱水達到65℃會燒機的瓶頸；

（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，可獲得較常規雙效熱泵機組更高的熱回收率；

（6）整個機組的冷媒密閉系統中，高壓側的壓力得以保持，低壓側亦因而較常用技術的壓力更高，在低壓側的飽和態冷媒，完全被汽化，無液體冷媒存在，避免了不可壓縮性的液態冷媒進入壓縮機，造成負荷過重而損壞壓縮機，也就是通常所說的液擊現象。

（7）系統控制的優化：採用平均壓縮機運行時間的優化控制模式，保證整體機組的長時間高溫穩定運行和使用壽命，並根據地源溫度和冬季熱源溫度，調節高溫熱泵運行工作狀態和條件。

3.4高溫熱回收型地源熱泵空調機組的應用形式

高溫熱回收型地源熱泵空調機組作為一種高效、環保、節能的供熱製冷設備，可以應用於多種採暖空調和熱水供應系統，並可以和其它新能源技術有機結合，提高綜合利用效率。目前，高溫地源熱泵在中的實際應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，具有佔地少，工程量小，環保，安全，運行費用低等優勢，可以直接連接散熱器採暖系統而不需要改造末端系統，雖然一次投資高於普通供熱鍋爐，但因其運行費用僅相當於燃煤鍋爐1/3，其增加的投資可以在3-5年內收回；

（2）建築採暖、空調和衛生熱水三聯供。衛生熱水供水溫度60℃以上，特別是在夏季，製冷的同時回收空調餘熱免費提供衛生熱水，經濟效益顯著；

（3）低溫地熱和地熱尾水利用。對於許多溫度在50℃以下的地熱資源，直接利用效益不佳，可以採用高溫地源熱泵，以其作為熱源，向採暖系統供熱或提供生活熱水。對於50℃以上的地熱資源，一般地熱水在經過採暖系統或生活熱水系統后直接排放或回灌，地熱尾水的溫度在40℃左右，可以利用高溫地源熱泵回收地熱尾水中的熱量向系統供熱，使地熱尾水排放溫度降底到10℃左右，大大提高地熱資源的利用率，使一眼地熱井產生兩眼井的效益。

（4）與供熱系統的結合。目前太陽能越來越多的應用到建築熱水供應和空調採暖系統之中，但是因為太陽能資源的不穩定性，基本上需要常規能源作為輔助，如採用電鍋爐、染油（氣）鍋爐輔助加熱。將高溫地源熱泵與太陽能結合用於建築熱水供應和採暖系統，一方面可以節省大量的能源費用，減少對環境的污染，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、高溫地源熱泵技術的發展

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的不斷湧現，高溫地源熱泵技術將不斷發展，其運行效率、出水溫度、應用範圍將會不斷的改進，滿足各種方面的空調供熱需求。相信在不久的將來，在地源熱泵市場上將會有越來越多的產品供供熱空調設計師和用戶選擇。