摘要：本文重點介紹了我國地源熱泵技術(shù)的現(xiàn)狀和出水溫度在60℃以上的高溫地源熱泵技術(shù)的特點和研究情況，并通過幾個典型的工程實例介紹了高溫地源熱泵技術(shù)在工程中的實際應用情況。

　　關(guān)鍵字：高溫熱泵；地源熱泵；節(jié)能

　　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)一機多用。實踐證明，以地熱（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熱源，實現(xiàn)采暖、供冷、供生活熱水，替代傳統(tǒng)的制冷機+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，也是我國地熱（源）能利用一個新的發(fā)展方向。

　　地球淺表層（<400m）是一個巨大的恒溫體系，溫度幾乎不受環(huán)境氣候變化的影響，如北京地區(qū)年平均溫度為13-15℃，其能量的來源主要是地面吸收了約40%太陽光的熱能，因此，地熱（源）能也是一種潔凈的可再生能源。它具有熱流密度大、容易收集和輸送、參數(shù)穩(wěn)定（流量、溫度）、使用方便、不受地域限制等優(yōu)點。

　　地熱（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(fā)利用清潔無污染的地熱（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，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、地熱（源）能為奧運會會館場所提供熱、冷，這無疑給地熱（源）的開發(fā)利用提供了一個良好的契機。

　　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，上世紀八九十年代上馬的一些中央空調(diào)主機設(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，地源熱泵機組在制熱工況下的出水溫度一般最高只能達到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)濟節(jié)能的技術(shù)的推廣應用。

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

　　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，一般的地源熱泵機組在該工況下，性能會極大衰減甚至無法運行，因此高溫熱泵產(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)市常上擁有高溫熱泵技術(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熱源（地源）溫度的情況下，熱泵供熱溫度達到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）壓縮機的選擇：目前熱泵設(shè)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(jīng)過對不同類型壓縮機工作特性進行比較研究，目前高溫熱泵設(shè)備一般選用半封閉活塞壓縮機；

　　（2）工質(zhì)的選擇：根據(jù)高溫熱泵設(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：采用平均壓縮機運行時間的優(yōu)化控制模式，保證整體機組的長時間高溫穩(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)高溫熱泵運行工作狀態(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，高溫熱泵技術(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)進行改造，為了適應原采暖系統(tǒng)的室內(nèi)末端設(shè)備，必須有較高的熱水溫度，高溫熱泵就具有這一特性；

　�。�2）運行費用低。采用高溫熱泵采暖系統(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 高溫熱泵技術(shù)現(xiàn)狀和前景目前，國內(nèi)外的熱泵產(chǎn)品主要以風冷熱泵和地源熱泵為主，輸出溫度大于60℃，以地源或低溫地熱水（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、清華大學等，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75℃的高溫地源熱泵機組（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、地熱尾水熱回收利用等多種形式，取得了良好的運行效果。

　　在發(fā)達城市，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。高溫熱泵是一種高效節(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40%，高溫熱泵以綠色環(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，高溫熱泵技術(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�？梢姼邷責岜眉夹g(shù)具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，其市場前景廣闊。

　　3\高溫地源熱泵技術(shù)的應用

　　3.1 高溫地源熱泵系統(tǒng)的應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)可以應用于所有的采暖空調(diào)和熱水供應系統(tǒng)，并可以和其它新能源技術(shù)有機結(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)濟效益顯著；

　�。�3）低溫地熱和地熱尾水利用。對于許多溫度在50℃以下的地熱資源，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℃以上的地熱資源，一般地熱水在經(jīng)過采暖系統(tǒng)或生活熱水系統(tǒng)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(tǒng)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用到建筑熱水供應和空調(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)的進一步推廣，建筑能耗逐漸降低，高溫地源熱泵的應用空間將越來越大，將會出現(xiàn)更多的應用形式。

　　3.2 高溫熱泵技術(shù)應用實例

　�。�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)備風機盤管。原空調(diào)制冷設(shè)備螺桿式冷水機組，采暖熱源為城市熱力，熱水由自備燃油鍋爐供應。2001年8月系統(tǒng)進行改造，安裝兩臺廣州能源研究所研制，北京中科能公司生產(chǎn)的地源熱泵機組替換原制冷采暖和制熱水設(shè)備，GWHP400型高溫熱泵機組一臺，額定制冷量356kw，額定制熱量401kw，WRB470型商用熱泵機組一臺額定制冷量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：夏季機組制冷運行，向空調(diào)系統(tǒng)供冷，并由高溫熱泵機組回收空調(diào)余熱產(chǎn)生每天60m3衛(wèi)生熱水，熱水溫度60℃。

　　冬季機組制熱運行，向空調(diào)系統(tǒng)供熱的同時由高溫熱泵機組供應衛(wèi)生熱水。

　　過渡季節(jié)由高溫熱泵機組制熱運行供應生活熱水。

　　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）。

　　類似的高溫熱泵采暖、空調(diào)、熱水三聯(lián)供項目還有北京財貿(mào)干部管理學院。

　　（2）高溫地源熱泵采暖系統(tǒng)如中國科學出版社，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月進行鍋爐改造，安裝廣州能源研究所研制的GWHP600高溫熱泵二臺，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，地源熱泵機房只利用了一層約100 m2的面積。

　　類似的高溫熱泵采暖項目還有北京廣渠門住宅小區(qū)，建筑面積26000m2，安裝GWHP600高溫熱泵二臺，供暖效果良好。

　�。�3）高溫地源熱泵

　　地熱能、太陽能等新能源的結(jié)合高溫地源熱泵與地熱能結(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型高溫熱泵機組二臺，夏季空調(diào)采用冷卻塔冷卻。衛(wèi)生熱水由地熱水經(jīng)過換熱器換熱提供，冬季部分采暖熱源由地熱水直接提供，采暖和熱水系統(tǒng)換熱后的地熱尾水作為高溫熱泵的低溫熱源，由高溫熱泵向另一部分建筑供暖，地熱尾水回灌溫度12℃。

　　高溫熱泵技術(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，太陽能制冷機額定制冷量200kW，選配高溫地源熱泵機組型號為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。冬季部分采暖由太陽能提供，當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、應用范圍將會不斷的改進，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。