中高温热泵机组研究与应用综述

作者：任晓东 发布于：2017-09-20

   能源与环境问题是当今世界各国面临的重大社会问题。我国地大物博，资源储量丰富。但是由于人口众多，煤的人均储量仅为世界平均的1/5，石油的人均储量仅为世界平均的1/8，天然气则仅为世界平均的1/25。不仅如此，我国能源利用率非常之低，单位产值的能耗是美国和韩国的6倍，是日本的12倍[1]。我国的环境问题也非常严重。由于我国能源结构以煤炭为主，大气污染的主要特征是煤烟型污染，全国每年由于燃煤所排放的粉尘量约为2.3×107t，SO2约为1.46×107t，远远超过了全球陆地平均污染负荷量[2]。在全球大气污染最严重的前十座城市中，我国占了其中的5座（北京、沈阳、西安、上海和广州）[3]。

     近年来，热泵作为一种既节能又环保的技术越来越受到人们的重视，并且逐步向大型热泵装置的方向发展。热泵是这样一种装置，它按照逆向热力循环，利用少量的高位能去提取周围环境中的无直接用途的热量，使其能位提升，从而获得更多的可利用热能。热泵可利用的低位热源的范围很广，如自然环境资源（如空气、水、地热能、太阳能等）、生活中所排出的废热（如排水和排气中的废热）、生产的排除物（废水、废气、废渣等）等等。中高温热泵的“中高温”是相对于目前占市场主导地位的最高热水出水温度在55℃以下的热泵而言，一般供热温度在60℃以上，正常运行出水温度范围为62℃～70℃，可以满足所有中央空调和生活热水系统对水温的要求。虽然在供热温度上只有十几度的提高，但对于热泵技术来说需要极大的突破。

     在我国的采暖地区，随着对节能和环境空气质量要求的不断提高，各大中城市纷纷对燃煤锅炉进行取缔，这就意味着每年有大量的供热热源需要进行改造。这些改造项目大都是采用高温热水的区域供热系统，用户末端装置为散热器。在保持原有供热系统形式不变的前提下，将旧有的供热热源改造为热泵进行供热是一种既节能又环保的方法。但是，由于目前热泵机组的供水温度较低，难以满足区域供热系统对热水温度的要求（要求80℃以上）。因此，需要进一步提高现有热泵机组的供水温度。另外，在原油的生产过程中，需要将原油加热到55℃以上进行输送（否则原油会因结蜡而无法输送）。目前，这部分能量主要靠燃烧天然气来进行提供，仅大庆油田每年消耗于此的天然气就高达1亿立方米。同时，燃烧天然气的燃烧炉也非常易于损坏，5年左右就需要更换燃烧炉内的换热管壁，维修费用很高，因此迫切地要求使用新型的加热设备来取代现有的燃气锅炉，而在中高温热泵同样为一种有效的替代设备。

     我国的工业废水中蕴涵着大量的低位热能。在原油生产过程中将分离出大量的含油污水，大庆油田的污水排放量为4.014万吨/小时，水温38℃左右；辽河油田的污水排放量为4.89万吨/小时，水温43℃；胜利油田的污水排放量为5.38万吨/小时，水温40℃。为了保证原油产量，这些污水必须回注到地下，如果不加以利用的话，其中的能量就会被浪费掉。在钢铁工业、电力工业和石化工业中也存在大量的低温废水，温度在30～70℃之间。如果将这部分低温废水排入河流和大海中，不仅会造成能源的极度浪费，而且会导致环境的严重污染。利用中高温热泵技术将废水中的低位热能提取出来，使其成为高位热能，就可以应用到城市集中供热和原油拌热输送等民用和工业用热领域中，从而实现了能源的合理利用。因此，以工业废水为低位热源的中高温热泵技术的开发，对于我国北方城市区域供热及其他用热领域具有十分重要的意义。