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高温水源热泵研究与发展趋势
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内容提示：本文介绍了高温水源热泵的概念和工作原理，并详细介绍了高温水源热泵的工质研究和近年来高温水源热泵在国内外的研究现状与发展趋势，包括高温制冷剂的研究以及高温热泵系统性能的研究并讨论了高温水源热泵的应用情况以及在我国发展的趋势。
王凯 李建风 曹锋 邢子文
摘要：本文介绍了高温水源热泵的概念和工作原理，并详细介绍了高温水源热泵的工质研究和近年来高温水源热泵在国内外的研究现状与发展趋势，包括高温制冷剂的研究以及高温热泵系统性能的研究并讨论了高温水源热泵的应用情况以及在我国发展的趋势。（参考《建筑中文网》）
关键词：高温水源热泵 工质 节能 环保
1前言
随着能源和环境问题的日益突出，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。水源热泵就是一种用来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，它利用各类工业和生活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。从美国ASHRAE对北美地区的调查来看高温热泵应用于工业的前景是非常乐观的[1](见下表1)。图1是工业用的高温热泵在主要发达国家中的应用比例。
表1各工业部门所须的温度范围[2]
| 行 业 | 需求温度 ℃ | |||
| | <100 | 100-150 | 150—183 | >183 |
| 食品烟草 | 2.5 | 62.5 | 16.6 | 18.4 |
| 纤维工业 | O.4 | 50.3 | 49.3 | 0.O |
| 木材工业 | 1.1 | 9.3 | 6.6 | 83.0 |
| 纸浆加工 | 0.0 | 85.9 | 4.1 | O.0 |
| 化学工业 | 4.8 | 26.9 | 50.O | 18.3 |
| 橡胶制品 | 0.0 | 26.3 | 53.4 | 20.4 |
| 皮革制品 | O.O | 100.0 | 0.0 | O.O |
| 陶瓷工业 | 0.O | 85.6 | 14.4 | O.0 |
由于高温热泵有良好应用前景，使其成为近年国际热泵研究的一个基本方向。在日本的超级热泵项目，美国IEA热泵中心和IIR热泵发展计划及欧洲的大型热泵研究计划中，高温热泵均是其中的重点研究内容之一[3]。
2 高温水源热泵工质的研究
目前高温热泵的研究主要针对的是高温水源热泵，大量研究工作集中在适宜工质的选择和进一步提高系统制热效率方面。相对于常温热泵，高温热泵很难找到一种很适用的工质。对于高温工质的选择有两种趋势，一种是使用自然工质(C02、NH3及碳氢化合物等)，另一种是使用HCFC、HFC、HFE及它们的混合物。自然工质一般压力较高或者循环进入超临界区，有些还具有较高的爆炸性危险，因此相应的系统一般都有特殊的要求，因此目前大多数研究倾向于人造工质的选择。高温热泵对工质的要求主要有以下几个方面[4]：
(1)冷凝压力在2.4MPa以下，以使目前大多数系统部件可以承受；
(2)蒸发压力在0.1MPa以上，以免在系统中形成负压；
(3)容积制冷量一般应大于2.5J／cm3，以免系统体积过于庞大：
(4)油溶性好、化学性质稳定：
(5)对环境危害小，无毒、不可燃；
(6)具有高的COP。
2.1 南非等国对高温热泵工质的研究
国内外的研究者已经对现有的各种工质进行了大量的理论计算和部分实验验证。南非Josua P.Meyer教授和他的学生对以混合工质R22／R142b作为制冷剂的高温热泵型热水器进行理论研究[5]。研究结果表明，随着R142b在混合物中组分的增加，热泵供水温度升高，COP值有所增加；在冷凝器面积不变的条件下，热水器供热容量随R142b组分增加而增大。他指出R142b的热力性能良好，但环境指标较高，属于受限工质，且易燃易爆，通常与其他工质混合使用，适用于木材干燥等小型热泵装置中。
Gianfranco在他的文章中比较了几种工质，发现R-236fa的临界温度较高，适用于在高温热泵中使用，但目前正处于不断的实验阶段[6]。图1是R-236fa的热力循环图，表2为几种高温工质的热力参数比较。
图1 R-236fa热力循环
表2 几种高温工质的热力参数比较
| 工质代号 | 分子式 | 标准沸点 ℃ | 临界温度 ℃ | 临界压力 bar |
| HFC-23 | CHF3 | -82.1 | 24.3 | 48.7 |
| HFC-143a | CH3CF3 | -47.4 | 73.6 | 38.3 |
| HFC-227ca | CF3CHFCF3 | 一18.3 | 103,5 | 29.5 |
| HFC一236fa | CF3CH2CF3 | —1.1 | 130.7 | 31.8 |
| HFC—-245fa | CF3CH2CHF2 | 15.3 | 157.6 | 36.4 |
2.2 日本近年来对高温水源热泵的研究
日本神户制钢在所承担开发高效冷热兼用型热泵中，以河水、空气作为热源，采用两级螺杆式压缩机，工质为R22／R142b组成的非共沸混合物，制热效率COP值达到6，供水温度可以达到85℃以上[7]。
由日本茬原制作所开发的高效升温型热泵，采用三级离心式压缩机，采用工质R123，供水温度达到85℃以上[8]。R1231临界温度较高，性能系数较好，虽然属于受限工质，但其ODP值和GWP值较低，且在大气中的寿命仅为1.4年。因此，R123作为过渡期的替代工质是适合中高温热泵供热的工质。
日本超级热泵计划中的高效升温热泵采用R123和R124b的混合工质可以达到出水温度为85℃，作为过渡期的替代工质是适合中高温热泵供热的使用，这种热泵已经在国外得到应用[9]。
日本从1994年到2001年，进一步实施了名为“新制冷剂和其他物质研究开发”
(Development for the New Refrigerant and Other Substances Research)的国家项目，此项研究历经8年，于2002年3月完成。日本国内的8家著名化工企业，一些高校(如庆应大学，神户大学等)以及国立研究院所和实验室也都参与了此项研究工作。根据此项研究的最终报告(2002年)，有望成为新制冷剂的候补化合物主要有两种氢氟醚(HFE)物质[10]，其中替代高温热泵工质CFC-114的物质为HFE-245mc(CF3CF2OCH3)，表3给出了物性。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200607/8612.htm
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