【摘要】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，跟水泵可以將水從低處提升到高處一樣，采用熱泵技術(shù)同樣可以將熱量從低溫提升到高溫。

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)、生活熱水等的能源需求越來越大，是一般民用建筑物能源消費的主要部分。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%。特別是冬季采暖用的燃煤鍋爐、燃油鍋爐的大量使用，給大氣環(huán)境造成了極大的污染。因此，建筑物污染控制和節(jié)能已是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重大問題。

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，跟水泵可以將水從低處提升到高處一樣，采用熱泵技術(shù)同樣可以將熱量從低溫提升到高溫。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，實現(xiàn)一機(jī)多用。實踐證明，以地?zé)?源)能包括地下水、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?，實現(xiàn)采暖、供冷、供生活熱水，替代傳統(tǒng)的制冷機(jī)+鍋爐的建筑物空調(diào)、采暖、供熱模式，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?zé)?源)能利用一個新的發(fā)展方向。

地?zé)?源)能作為一種清潔可再生能源，在利用時，不象化石燃料在獲取能源和產(chǎn)生電力的同時，向環(huán)境排放大量的燃燒產(chǎn)物，如CO2、SO2、NOx、粉塵等，對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，引起溫室效應(yīng)、酸雨、土地沙漠化等災(zāi)害，也嚴(yán)重影響了人們的身心健康。因此，開發(fā)利用清潔無污染的地?zé)?源)能已是社會發(fā)展的必然趨勢。

北京2008年奧運會，將以“科技奧運、綠色奧運、人文奧運”為宗旨，環(huán)境是一個非常重要的指標(biāo)，為此，北京市已決定取消四環(huán)路以內(nèi)的燃煤采暖鍋爐，利用太陽能、地?zé)?源)能為奧運會會館場所提供熱、冷，這無疑給地?zé)?源)的開發(fā)利用提供了一個良好的契機(jī)。

1.3普通地源熱泵設(shè)備難以滿足市場需求

我國幅員遼闊，氣候多樣，因建筑物的地理位置功能等不同，采暖空調(diào)及熱水系統(tǒng)形式亦各不相同。對冷熱源水溫來說，一般舒適性中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷供回水溫度要求7℃/12℃，采暖供回水溫度要求65℃/55℃，散熱器熱水采暖系統(tǒng)的供回水溫度要求95℃/70℃。在衛(wèi)生熱水供應(yīng)系統(tǒng)中，根據(jù)使用功能和系統(tǒng)設(shè)計的不同，一般要求供水溫度在40—65℃之間。

并且隨著人們對環(huán)保和能源問題的重視，大量的散熱器采暖系統(tǒng)的鍋爐設(shè)備需要改造，上世紀(jì)八九十年代上馬的一些中央空調(diào)主機(jī)設(shè)備也需要更新?lián)Q代。

目前，地源熱泵技術(shù)作為供熱空調(diào)行業(yè)的一個熱點，設(shè)備生產(chǎn)廠家眾多，各類產(chǎn)品層出不窮。短短幾年時間，在我國的空調(diào)市場上已經(jīng)有樹十家國內(nèi)外企業(yè)加入地源熱泵產(chǎn)品的生產(chǎn)銷售競爭之中。但是，由于壓縮式制冷技術(shù)在工質(zhì)和冷凝溫度等的局限性，地源熱泵機(jī)組在制熱工況下的出水溫度一般最高只能達(dá)到55℃左右。對于新建的建筑，可以在末端系統(tǒng)設(shè)計中按此溫度考慮。但是在單純更換主機(jī)的中央空調(diào)改造項目、散熱器采暖系統(tǒng)鍋爐改造項目以及熱水供應(yīng)系統(tǒng)中，55℃的供水溫度已經(jīng)不能或不完全能滿足系統(tǒng)的使用要求，從而限制了地源熱泵這一經(jīng)濟(jì)節(jié)能的技術(shù)的推廣應(yīng)用。

高溫地源熱泵技術(shù)正是在這一背景下應(yīng)運而生，最高可達(dá)75℃的供熱出水溫度大大的拓展了地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用范圍。

2高溫地源熱泵技術(shù)

2.1高溫地源熱泵的概念

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，一般指在地(水)源溫度10-15℃時，供熱溫度在60℃以上的產(chǎn)品，正常運行出水溫度范圍在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)來說卻是一個極大的突破，一般的地源熱泵機(jī)組在該工況下，性能會極大衰減甚至無法運行，因此高溫?zé)岜卯a(chǎn)品對設(shè)備零部件的選擇和制冷劑的使用都有很高的要求，產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計方面的成本也很高。目前國內(nèi)市常上擁有高溫?zé)岜眉夹g(shù)和產(chǎn)品的企業(yè)寥寥無幾。

2.2高溫地源熱泵的幾個關(guān)鍵技術(shù)

相對于輸出溫度55℃以下的熱泵技術(shù)，高溫地源熱泵在不提高低溫?zé)嵩?地源)溫度的情況下，熱泵供熱溫度達(dá)到60℃以上，并保持較高的運行效率和穩(wěn)定的運行狀態(tài)，一般需要解決如下幾個關(guān)鍵技術(shù)。

(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，目前高溫?zé)岜迷O(shè)備一般選用半封閉活塞壓縮機(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)，對環(huán)境無污染，對臭氧層無破壞作用

(3)循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計：采用多路獨立制冷循環(huán)系統(tǒng)，共用一個水循環(huán)系統(tǒng)，降低了設(shè)備的冷凝工作溫度和壓力

(4)在設(shè)備內(nèi)部增設(shè)一特殊換熱裝置(經(jīng)濟(jì)器)，增加設(shè)備運行時的穩(wěn)定性

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

2.3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眾所周知的優(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)，其主要缺點是出水溫度低，受到地區(qū)性和項目使用特性的限制，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)運行費用低。采用高溫?zé)岜貌膳到y(tǒng)，一個冬季供暖費(4個月)13.2元/平方米，接近燃煤采暖費用，比燃油(氣)采暖費用低約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。

2.4高溫?zé)岜眉夹g(shù)現(xiàn)狀和前景

目前，國內(nèi)外的熱泵產(chǎn)品主要以風(fēng)冷熱泵和地源熱泵為主，輸出溫度大于60℃，以地源或低溫地?zé)崴?50℃以下)為熱源的高溫地源熱泵在國內(nèi)只有少數(shù)幾個單位在研制，如中科院廣州能源研究所、天津大學(xué)、清華大學(xué)等，廣州能源研究所以于2001年初率先推出了最高出水溫度可達(dá)75℃的高溫地源熱泵機(jī)組(如圖1、圖2所示)，并在近兩年里由其下屬公司—北京中科能能源高科技有限公司在北京、廣州等地成功實施了十余個工程項目，涉及空調(diào)采暖、散熱器采暖、熱水供應(yīng)、地?zé)嵛菜疅峄厥绽玫榷喾N形式，取得了良好的運行效果。

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)、生活用熱的需求越來越大，是一般民用建筑物用能的主要部分。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%。特別是冬季采暖用的燃煤鍋爐、燃油鍋爐的大量使用，給大氣環(huán)境造成了極大的污染。高溫?zé)岜檬且环N高效節(jié)能環(huán)保設(shè)備，與燃油(氣)鍋爐采暖系統(tǒng)相比節(jié)能達(dá)40%，高溫?zé)岜靡跃G色環(huán)保制冷劑為工質(zhì)，除用少部分電能外，采暖、供熱的熱量主要來自于吸收了約47%的太陽能的地下水或土壤、江河湖水，由于實行封閉循環(huán)，因此，整個系統(tǒng)無有害物質(zhì)排放，高溫?zé)岜眉夹g(shù)解決了普通熱泵出水溫度低的問題，更加適合用于建筑物采暖、空調(diào)、供熱熱水系統(tǒng)，替代供熱鍋爐，有效改善城市的生態(tài)環(huán)境，減少由于使用燃煤、燃油鍋爐引起的有害氣體的排放，提高大氣環(huán)境質(zhì)量，減少因有害物質(zhì)引起人們疾病的發(fā)生，充分利用可再生資源和節(jié)約常規(guī)優(yōu)質(zhì)能源有利于社會的可持續(xù)發(fā)展?？梢姼邷?zé)岜眉夹g(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，其市場前景廣闊。

3高溫地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用

3.1高溫地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用形式

高溫地源熱泵技術(shù)作為一種高效、環(huán)保、節(jié)能的供熱制冷技術(shù)可以應(yīng)用于所有的采暖空調(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際應(yīng)用主要有如下幾種形式。

(1)燃煤或燃油(氣)鍋爐改造。直接替代供熱鍋爐，具有占地少，工程量小，環(huán)保，安全，運行費用低等優(yōu)勢，可以直接接駁散熱其采暖系統(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，但因其運行費用僅相當(dāng)于燃煤鍋爐，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)生熱水溫度60℃以上，特別是夏季衛(wèi)生熱水可在制冷同時回收空調(diào)余熱免費提供，經(jīng)濟(jì)效益顯著

(3)低溫地?zé)岷偷責(zé)嵛菜?。對于許多溫度在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，使一眼井產(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，但是因為太陽能資源的不穩(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。

隨著新能源利用和節(jié)能建筑技術(shù)的進(jìn)一步推廣，建筑能耗逐漸降低，高溫地源熱泵的應(yīng)用空間將越來越大，將會出現(xiàn)更多的應(yīng)用形式。

3.2高溫?zé)岜眉夹g(shù)應(yīng)用實例

(1)高溫地源熱泵空調(diào)、采暖、熱水三聯(lián)供系統(tǒng)

如中國科學(xué)院外國專家公寓，賓館，建筑面積11000m2，中央空調(diào)系統(tǒng)，末端設(shè)備風(fēng)機(jī)盤管。原空調(diào)制冷設(shè)備螺桿式冷水機(jī)組，采暖熱源為城市熱力，熱水由自備燃油鍋爐供應(yīng)。2001年8月系統(tǒng)進(jìn)行改造，安裝兩臺廣州能源研究所研制，北京中科能公司生產(chǎn)的地源熱泵機(jī)組替換原制冷采暖和制熱水設(shè)備，GWHP400型高溫?zé)岜脵C(jī)組一臺，額定制冷量356kw，額定制熱量401kw，WRB470型商用熱泵機(jī)組一臺額定制冷量402kw，額定制熱量470kw。設(shè)抽回灌井各一口，一抽一灌井深76.5米，井水溫度15℃，每口井設(shè)一潛水泵。

運行工況：

夏季機(jī)組制冷運行，向空調(diào)系統(tǒng)供冷，并由高溫?zé)岜脵C(jī)組回收空調(diào)余熱產(chǎn)生每天60m3衛(wèi)生熱水，熱水溫度60℃。冬季機(jī)組制熱運行，向空調(diào)系統(tǒng)供熱的同時由高溫?zé)岜脵C(jī)組供應(yīng)衛(wèi)生熱水。過渡季節(jié)由高溫?zé)岜脵C(jī)組制熱運行供應(yīng)生活熱水。

目前該系統(tǒng)經(jīng)過了兩個采暖期和兩個空調(diào)期的運行，取得了良好的效益。在運行費用方面地源熱泵系統(tǒng)每年可比原系統(tǒng)節(jié)約運行費用38萬元以上，經(jīng)濟(jì)性分析如上圖3所示(空調(diào)期150天采暖期(含過渡期)150天全年熱水)。

類似的高溫?zé)岜貌膳?、空調(diào)、熱水三聯(lián)供項目還有北京財貿(mào)干部管理學(xué)院。

(2)高溫地源熱泵采暖系統(tǒng)

如中國科學(xué)出版社，主要為辦公用房，建筑面積22000m2，愿采用燃煤鍋爐供暖，末端設(shè)備為普通鑄鐵散熱器。

2002年10月進(jìn)行鍋爐改造，安裝廣州能源研究所研制的GWHP600高溫?zé)岜枚_，單臺供熱能力602kW,熱源為淺層地下水，工打三眼水井，井深90米，一抽兩灌，井水溫度14℃。該系統(tǒng)2002年11月1日竣工投入運行，至2003年3月15日采暖期結(jié)束，經(jīng)過一個冬季采暖運行，其運行費用(包括井水潛水泵)為29萬元，一個采暖期每平方米的采暖費用為13.2元，接近燃煤采暖的費用。采暖期間，室外最低氣溫-16℃時，室內(nèi)溫度仍能保持在20℃以上，熱泵設(shè)備運行平穩(wěn)，出水溫度保持在65℃以上。

本地源熱泵系統(tǒng)機(jī)房仍利用原燃煤鍋爐房，該鍋爐房現(xiàn)改造為兩層，二層和一層的三分之二用于其它用途，地源熱泵機(jī)房只利用了一層約100m2的面積。類似的高溫?zé)岜貌膳椖窟€有北京廣渠門住宅小區(qū)，建筑面積26000m2，安裝GWHP600高溫?zé)岜枚_，供暖效果良好。

高溫地源熱泵與地?zé)崮芙Y(jié)合如北京中科能公司正在實施的某度假村的地源熱泵采暖空調(diào)項目，建筑面積約20000m2，采用GWHP400型高溫?zé)岜脵C(jī)組二臺，夏季空調(diào)采用冷卻塔冷卻。衛(wèi)生熱水由地?zé)崴?jīng)過換熱器換熱提供，冬季部分采暖熱源由地?zé)崴苯犹峁?，采暖和熱水系統(tǒng)換熱后的地?zé)嵛菜鳛楦邷責(zé)岜玫牡蜏責(zé)嵩?，由高溫?zé)岜孟蛄硪徊糠纸ㄖ┡責(zé)嵛菜毓鄿囟?2℃。

高溫?zé)岜眉夹g(shù)與太陽能的結(jié)合如廣州能源研究所和北京中科能公司實施的國家科技攻關(guān)計劃項目—奧運新能源綜合利用建筑示范項目，該項目建筑面積8000m2，采用太陽能和高溫地源熱泵空調(diào)和采暖。太陽能集熱器面積1200m2，太陽能制冷機(jī)額定制冷量200kW，選配高溫地源熱泵機(jī)組型號為GWHP400，額定制冷量391kW，額定制冷量448kW。夏季空調(diào)由吸收式太陽能制冷系統(tǒng)和高溫地源熱泵聯(lián)合供應(yīng)。冬季部分采暖由太陽能提供，當(dāng)太陽能不足時由高溫地源熱泵加熱太陽能熱水向建筑供暖，通過系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，使建筑采暖空調(diào)能耗的80%來自于太陽能和地下熱能。

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，其運行效率、出水溫度、應(yīng)用范圍將會不斷的改進(jìn)，滿足各種方面的空調(diào)供熱需求。比如中科院廣州能源研究所目前正在研究出水溫度在80℃以上的高效高溫地源熱泵機(jī)組，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(chǎn)品供供熱空調(diào)設(shè)計師和用戶選擇。