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摘要：伴随着我国科技的不断发展以及节能减排工作的深化，高温水源热泵技术的应用范围越来越广，在原油加热、地热供暖系统、污水回收利用等多个方面都被广泛应用。本文主要介绍了高温水源热泵技术的工作原理和概念，对高温水源热泵的工质进行研究，并阐述了高温水源热泵技术现今在国内外的研究现状和发展趋势。希望能够由此推进我国高温水源热泵技术的进一步发展，为相关部门和人员以供一定的参考。
关键词：高温水源热泵技术；工质研究；应用；发展趋势
引言：现今能源和环境保护问题形势愈加严峻，受到了国际上的高度重视，减少化石能源的使用、降低污染排放量、回收工业余热已经是各国战略发展中的关键项目。由此，高温水源热泵技术走进了人们的视野。其能够消耗低品质电能或少量高品质电能，利用热力循环的方式，将低温物体存有的热能转移至高温物体，更具环保性和节能性。高温水源热泵技术因自身的优势特点，被广泛应用在供暖和普通工业加工等多个方面。同时这项技术在其应用领域中认可度极高，具有良好的发展前景。
1.高温水源热泵技术概述和发展
高温水源热泵技术是指通过对少量高品质电能或低品质电能的消耗，经过热力循环系统，将热能从低温物体转移至高温物体的一种能量使用系统，其具有消耗功较低的优势特点，消耗的能效仅为提供热量的三分之一甚至更少。高温水源热泵技术能够用于普通工业加热和生活供暖，主要的结构组成有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀这四个部分，其运行原理为：通过工质的蒸发，吸收周围环境中的热量，之后进行压缩和冷凝，将热量放出，再通过蒸发器蒸发，由此形成了一个热能循环，以供相应需求。高温水源热泵技术较比其他热泵技术，具有高效、环保、节能、可利用再生资源、运行过程稳定可靠以及成本较低等多方面的优势。该技术自出现之后，受到了世界各国的高度关注，各个国家都相继开展了高温水源热泵技术的相关项目，并广泛应用于多个领域，获得了大众的青睐[1]。
2.高温水源热泵技术的工质种类研究
针对高温水源热泵技术的研究而言，主要是针对工质的选择和系统制热效率这两个方向进行研究。高温水源热泵的工质选择性较比常温水源热泵较少。在现今的应用中，工质的类型主要有两种：一是自然工质，如氨气、二氧化碳等；二是人造工质，主要有HCFC、HFC、HFE以及他们的混合物。在高温水源热泵的发展进程中，自然工质因在使用时存在较高的不稳定性和危险性，并且对系统要求较为特殊，已被逐渐淘汰。而人造工质因自身稳定性高，安全性能好，是现今理想的工质选择[2]。高温水源热泵在工质的选择上主要有以下几点要求：
第一，压力适中，尤其是在高冷凝温度下（100℃左右）工质的冷凝压力要小
于2.7MPa，避免出现热泵系统零件压力超过承受上限的情况；
第二，尽可能高的单位容积制热量，避免系统体积过大；
第三，工质蒸发压力要大于0.1MPa，以防在系统中产生负压；
第四，工质自身不会对环境造成危害或危害极小，性质稳定，没有毒害性，无易燃易爆现象。
我们可以通过REFPROP软件，筛选出临界温度大于90℃的含碳工质，它们的重要热力参数及环境性能见表1
表1 冷凝温度90℃时工质的环境性能及重要物性参数
其中符合环境要求的工质共7种：R134a、R152a、R227ea、R236ea、R236fa、R245ca、R365mfc。现阶段高温热泵机组使用较多还是R134a、R245ca单工质或者自配、自制的混合工质。
3.高温水源热泵系统的研究
第一，中高温水源热泵系统的研究工作主要在系统循环的优化，换热器内换热的强化及系统控制方面。首先压缩机的整个系统的心脏部件，压缩机的可靠性直接影响机组的性能。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及适用场所进行比较研究，目前中高温水源热泵一般选用螺杆压缩机。因中高温水源热泵冷冻水从15～60℃的低品位热水中回收热量，制取60～85℃的热水，压缩机处于压缩比变化工况下运行，需尽可能选取内容积比与实际工况相匹配的回转式压缩机，压缩机配置电机功率考虑最恶劣工况时的耗电量。不仅有效降低机组输入功率，且提高机组能效比及安全性。
第二，蒸发器和冷凝器的换热机理、与系统的匹配及控制采集点对机组都尤其重要。设计中考虑合适的换热面积使蒸发温度和冷凝温度与冷冻水和冷却水温相匹配。在热泵系统中，换热面积越大，换热效果越好，在使用非共沸混合工质的情况下，热泵系统中蒸发器和冷凝器的换热面积若能达到最大，在理论上就能实现换热的最大能效比。但是，非共沸混合物的性质较为复杂，相应的热力学过程计算难度较大，同时在热泵系统的正常运行过程中，工质出现相变的几率较高，换热机理更加难以研究。
4.高温水源热泵技术的应用和发展趋势
4.1 地热供暖系统
我国地域广袤，地热能源分布较广，存储量较大，其中主要以中低温的地热能源为主。根据相关资料显示，我国浅层地热能源存储量相当于95亿吨标准煤，年利用量可以达到3.5亿吨标准煤；增强型地热能源的存储量约860万亿吨标准煤。如果在我国中高温地热能源丰富的地区普及高温水源热泵装置，完全能够利用高温热泵将地热水中的热能进行回收，供居民取暖使用，不但能保护环境，还能降低大量不可再生资源的使用[5]。
4.2 原油加热
石油是一种应用广泛的不可再生资源，在对其的开采过程中，往往会带出大量含有热能的污水，温度能达到40摄氏度。因此，可以使用高温水源热泵装置对这些热能进行回收，系统原理图见图1。所回收的热能不但能用于生活采暖还能用于重油后续的加热管道运输[6]。高温水源热泵在这一方面的应用，既合理利用了石油能源，又合理利用了热能源，可谓一举两得，具有较高的实用性。但是需要注意，石油开采出的含油污水含盐量较高，会产生腐蚀装置器壁或在冷凝器上形成结垢的情况，针对这一现象，应用的高温热泵一般选用不锈钢材质，从而避免上述问题的发生。
5.结语
现今，国际中的各个国家和地区针对高温水源热泵技术系统的研究正处于发展阶段，研究存在明显不足。而对高温水源热泵工质的研究程度较高，从而促使高温水源热泵技术的发展存在不均衡的情况。因此，有必要加强对高温水源热泵系统方面的研究和开发，促进高温水源热泵技术的全面发展。同时，政府和相关机构要加强对此项技术的宣传能力，给与相应的政策和技术支持，鼓励该技术在相关领域的应用，进一步推进我国节能技术的发展。
参考文献
[1]郭川.新工质中高温水源热泵热力性能研究[D].青岛理工大学，2016.
[2]王莹.高温热泵热扩容技术及其在集中供热系统中的应用[D].天津大学，2012.
[3]穆锴.集中供热项目高温水源热泵应用研究[J].中国新技术新产品，2010（02）：6.
论文作者:肖鹏飞
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/16
标签：工质论文; 水源论文; 热泵论文; 高温论文; 技术论文; 地热论文; 压缩机论文; 《建筑学研究前沿》2018年第35期论文;