摘要：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。基于此，文章就高温热泵系统在建筑工业领域中的应用展开论述。
关键词：建筑工业领域；高温热泵系统；应用
1高温热泵定义
高温热泵是将工业企业排放、浪费的中低温度的废水、废气中的热量通过高温热能热泵进行收集，转换成≤150℃的水或高温蒸汽，用于工业工艺或供暖使用，可直接替代传统燃煤锅炉，是实现工业节能、降耗提效的最佳选择。由于高温热泵较宽的温度提升范围，使其在节能减排的大环境下，逐渐受到各行业的关注。
2高温热泵研究现状
由于高温热泵在工业领域的良好应用前景，使其成为近年国际热泵研究的一个重要方向。日本在 1980 年代开展了超级热泵计划，开发出 4 类热泵，其中有利用 45 ℃余热水，制热出水温度 85 ℃的中高温热泵，以及利用 80 ℃余热水，产出 150 ℃蒸汽的高温热泵。欧洲采用改进离心压缩机性能技术路线的高温热泵，采用 R134a 制冷剂，三级离心压缩模式，制热出水温度可以达到 85 ℃。我国于上世纪 80 年代开始中、高温热泵的一系列研究工作，北京清源世纪科技有限公司与清华大学热能工程系合作研发出具有自主知识产权的高温热泵在蒸发器进水 45 ℃下，冷凝器制热出水温度可以达到 90 ℃。上海交通大学利用R22/R141b 的混合制冷剂实现最高制热温度为 80 ℃。天津大学在中、高温热泵领域进行了一系列的研究，以 R21/R152a/R22 和 R123/R290/R600a 为混合工质，完成科技部的“九五”重点攻关课题，最高制热温度达到 88 ℃，自主研制的高温工质 BY-3，采用单级系统的条件下，实现低温热的大温差提升且热泵能效高，热源水温度 48 ℃的条件下，出水温度达到 80 ℃以上，机组的 COP 大于 3.5；利用 M1A、M1B、M1C 的非共沸混合制冷剂（R152a/R245fa 不同比例的混合物）进行中高温热泵实验研究，当蒸发温度为 45 ℃，冷凝温度为70-90 ℃，通过进一步研究，以二元混合工质 MB85 为制冷剂的高温热泵的冷凝温度升高到 100 ℃，最高制热温度可达到 97.2 ℃，在循环温升为 45 ℃时，机组的 COP 达到 3.83。
由于受高温工质研究、压缩机的性能及高温润滑油等限制，诸多研究者对产热温度在100 ℃以上的单级压缩高温热泵的研究大部分只停留在理论分析阶段。Devotta 等]于 1994 年对当时已提出的 30 多种 HFCs 和 HFEs 纯工质进行理论循环分析，假定的循环条件为冷凝温度范围为 80-120 ℃、无过冷、无过热、无压降、绝热压缩，温升40 ℃，结果表明，R143和R134a的COP相对较高；Goktun通过理论计算提出 HCFC123、HFC152、HCFC235ca、HCFC244ca、HFC245ca、HFE245、HFE245cb、HFE245fa 等高温工质适用于蒸发温度 90℃、冷凝温度150 ℃的高温热泵工况；王怀信等分析了工质 R114、R245fa、M3、M4、M5、M6、M7 在冷凝温度 80-110 ℃工况区间的理论循环性能，最终结果显示 M5 的综合性能最优，此外还分析工质 R11、R114、E143、R245fa、R245ca、E245fa、M8、M9 在冷凝温度 110-140 ℃工况区间的理论循环性能，得出E143在所研究工质中循环性能最佳；马利敏等以 HFC245fa 为工质的高温热泵实验研究，实现了最高制热温度 102 ℃，但机组的 COP 不到 3，对新型环保非共沸混合工质 M1 进行研究，冷凝温度突破了 100 ℃，载热流体的出口温度达到了 103 ℃，机组的 COP 仅为 2.6 左右。上述研究在高温工质领域内做出了积极的贡献，值得研究和学习。
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3高温热泵在建筑工业领域的应用
3.1海水淡化
解决淡水资源短缺的重要手段之一就是海水淡化，常用的方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法，但都以消耗大量的热能和电能为前提（例如通过蒸馏还原水的技术成本较高、设备系统比较复杂和需要燃烧能源加热海水实现蒸馏等），会引起一系列的问题，例如： 能耗高、地球温室效应、环境污染等问题，因此，新的海水淡化技术必需能提高能源利用效率、降低海水淡化系统运行成本和污染小，而采用热泵海水淡化技术不但可以提高海水淡化系统能源利用效率，而且可以降低海水淡化系统运行成本 （按目前蒸馏法海水淡化的成本计算，每吨海水提取需要耗约 8 ～10 元人民币，采用热泵技术约为 4 ～ 5 元）。近年来我国的热泵海水淡化技术已经得到了技术突破，采用机械压缩式热泵海水淡化，可直接将海水加热到80℃以上，与现有膜法海水淡化技术相比，可一次节约能源约 40%，成本降低约 50%，而且不会造成环境污染，采用环保制冷剂更不会引起的地球温室效应。
3.2 污水源热泵
污水源热泵系统的热源温度全年较为稳定，COP 比传统空气源热泵高 40% ，运行费用仅为中央空调的 50%～60% ，且无需考虑打井、回灌及蒸发器结霜等问题，具有显著的经济性、节能性和环保性。系统根据原生污水是否进入换热器分为直接式与间接式。其中间接式系统技术较为成熟，应用广泛。在《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》中明确提出全面提升污水处理能力，积极推动再生水利用的要求，这为污水源热泵的广泛应用奠定了基础。但目前国内再生水实际利用率很低，再生水源热泵关键技术的研究尚未深入。目前污水源热泵系统存在的最主要的问题是堵塞、结垢和腐蚀，污水水质是影响系统性能的最关键的因素之一。工程中常用的两类系统为带前置过滤装置热泵系统和基于疏导式换热的热泵系统，这两种系统均存在相应的技术难点。采用流化床工艺去除污水源热泵系统中的软垢可能是一种有效途径。
目前解决管道阻塞问题通常采用过滤格栅、滤面水力连续再生装置、自动筛滤器、转筒式及转轮式防阻器等设备进行除污。目前国内应用最广、技术最成熟的是污水连续再生过滤装置 。国内污水换热器的以采用非金属沉浸式居多，材质主要为塑料管及各类复合材料。李成龙等研究了塑料换热器的污垢生长特性，发现污垢的生产存在明显的诱导期，但时间很短，很快达到稳定波动阶段。周晶晶研究了塑料换热器性能与污水温度、流量及浓度等参数之间的耦合关系。但塑料污水换热器的研究还停留在理论分析和试验研究阶段，目前国内还没有实际工程应用。再生水源热泵将污水经过处理，满足一定水质要求之后，以二级出水作为冷热源用于建筑物供暖，与污水源热泵相比，更具资源循环的现实意义。马东的模拟研究结果发现：再生水侧流速为 1.4m/s附近时，宽流道板式换热器换热性能最佳。常思远等的研究结果表明：Ca2+浓度上升会促进游离水含量及污垢总质量的上升，而苯扎氯铵对微生物污垢具有抑制作用。
3.3冰源热泵
中国建筑科学研究院的袁东立提出了冰源热泵技术。该系统利用过冷水制冰释热技术，把制冰过程的热传递和冰水相变两个环节从空间上分离，使低温水源在制冰装置中实现可控按比例结冰，解决了常规水源热泵机组在热水出水温度低于4 ℃无法运行和严寒地区浅层土壤源热泵无法应用的问题;通过冰源热泵系统与常规地源热泵系统有机搭配，混合运行，解决了地源热泵土壤换热器无法取热问题;利用冰源热泵系统冰水混合物分离技术，有效降低了低温水源的用量，实现了冬季利用室外近冰点低温水源进行冬季供暖和生活热水供应，节约了能源，在低温环境洁净供暖领域优势明显。
结语
高温热泵技术可以满足各种工业用热水的需求，同是提高了一次能源利用效率，与传统的燃油、燃煤、燃气等锅炉设备系统相比,具有良好的经济性。希望通过上文的论述，能够为高温热泵在建筑工业领域的应用提供一些帮助。
参考文献
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论文作者:文兰
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/7