一、技术背景
1.建筑物供热及空调的节能问题亟待解决
随着国民经济迅速发展和人民生活水平的提高，采暖、空调、生活热水等对能源需求越来越大，是一般民用建筑物能源消费的主要部分。在发达城市，夏季空调、冬季采暖与供热所消耗的能量已占建筑物总能耗的40-50%。特别是冬季采暖一般用的燃煤/燃油，给大气环境造成了极大的污染。因此，建筑节能与环保已是国民经济发展的一个重大问题。
2.环保节能的地源热泵技术应用前景广阔
地源热泵是一种热量提升装置，正如人们见到的自然现象——水由高处流向低处一样，热量也总是从高温物体向低温物体传递。水泵可以将水从低处提升到高处，采用热泵技术可以将热量从低温环境提升到高温环境。地源热泵不仅可以用于冬季采暖，也可以用于夏季制冷空调和全年提供生活热水，实现一机多用。实践证明，以地下水、土壤、地表水等作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源，替代传统的制冷机+锅炉的建筑物空调、采暖模式，是改善城市大气环境、节约能源的一条有效途径，也是我国地温能利用一个新的发展方向。
地球浅表层（10m~400m）是一个巨大的恒温体系，温度几乎不受环境气候变化的影响，如北京地区年平均温度为13-15℃，其能量的来源主要是太阳光及其转化的热能，因此，地温能也是一种洁净的可再生能源，在利用时，不象化石燃料向环境排放大量的燃烧产物，如CO2、SO2、NOx、粉尘等，对环境造成严重的污染，引起温室效应、酸雨、土地沙漠化等灾害，也严重影响了人们的身心健康。因此，开发利用 清洁无污染 的地温能已是社会发展的必然趋势。
二、高温热泵
1.高温热泵的概念
目前市场上绝大多数热泵采用的是R22制冷剂，因该类热泵的工作范围：蒸发器进水不超过20度，冷凝器出水不超过55度。这是因为R22压缩机的能承受的最高蒸发温度12度（如果蒸发器进水20度则蒸发器出水16度，那么按照过热度4度考虑则蒸发温度12度，达到压缩机允许的极限）；压缩机最大承受压力24公斤，（R22在60度冷凝温度下冷凝压力即达到24公斤）因此，我们把采用R22制冷剂的，蒸发器进水极限20度，冷凝器制热出水温度极限为55度的热泵，称之为普通热泵或者常温热泵。
高温地源热泵的“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℃以下的地源热泵产品而言。一般而言，高温热泵是指制热出水温度能够达到80度以上的热泵，而对制热出水温度达到65度的热泵称为中温热泵或者中高温热泵。在地（水）源温度10-15℃时，供热温度在60℃以上的产品，其正常运行出水温度范围在62-72℃，可以满足所有的中央空调和生活热水系统的水温要求。虽然在供热出水温度上只有十几度的提高，但对于热泵技术来说却是一个极大的突破，一般的地源热泵机组在该工况下，性能会极大衰减甚至无法正常运行。
欧洲的高温热泵改进离心压缩机的性能，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度。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度余热水，出水温度85的高温热泵，以及利用80度余热水，产出150度蒸汽的超高温热泵。
2.高温地源热泵技术优势
商用和民用热泵技术在国外已相当普及，以其高效、节能、环保、利用可再生资源等众多优势在近几年得到了迅速的发展。目前市场上的热泵设备主要以风冷热泵和常温地源热泵为主，热泵的输出温度低于55℃，主要以R22为工质，其主要缺点是出水温度低，受到地区性和项目特性的限制，使用范围不广，高温热泵技术在这方面取得了一定的突破，其主要表现在于：
（1）输出热水温度高：最高输出热水温度为75℃。我国目前正在对城市燃煤采暖系统进行改造，为了适应原采暖系统的室内末端设备，必须有较高的热水温度，高温热泵就具有这一特性；
（2）运行费用低。采用 高温热泵采暖系统 ，一个冬季供暖费（4个月）13.2元/平方米，接近燃煤采暖费用，比燃油（气）采暖费用低约40%。
（3）采用专用制冷剂，对环境没有污染，绿色环保。
（4）一机多用，可满足不同用户的空调、采暖、制备生活热水的要求。
三、高温热回收型地源热泵空调机组
1.高温热回收型地源热泵空调机组
笔者开发的高温热回收型地源热泵机组属于空调设备领域，综合利用了地源热泵技术和高效热回收技术。附图1，该热泵空调循环系统系统包括用铜管依次连接的压缩机、油分、电磁阀、四通阀、冷凝器、单向阀、热力膨胀阀、蒸发器和气液分离器，还包括高效热回收换热器，其与电子膨胀阀相连，连接于高压恒压装置与四通阀在之间，用于回收空调冷凝废热，从而减少了制热成本，提高了能效比，具有节能、环保、安全等优点。
2.技术说明
（1）压缩机所产生的高压冷媒，经油分离器一方面将含油量较高的高温高压气态冷媒进行油气分离，另一方面由于使用油分离气容积比常用制冷机组要大，将高温高压且含油量较低的气态冷媒维持在比常用制冷机组高的压力，使得超热态的冷媒蒸汽能在高压下，在热回收器处进行散热。由于压力蓄积且保持一个恒定的压力，使得装有本装置的空调机组比没有本装置的空调机组冷媒保持在更接近压缩机出口处的高温高压状态，因此热回收器中的冷媒与外界冷源的温差变大，使得在相同冷源条件下可以散去更多的热量。
（2）超热态冷媒蒸汽，经过热回收器后可以在比常用技术更高温高压的状态下进入饱和状态，故不仅蒸汽压力可以保持，且液态冷媒压力亦较常用的空调机组高，饱和状态亦在低压降的情况，可以使冷媒的液气比逐步提高。
（3）冷媒经电子膨胀阀后对高温高压的超热态冷媒进行预冷使之进入饱和状态。整个空调制冷机组的冷媒密闭系统中，高压侧的压力得以保证，低压侧亦因而比常用技术的压力更高，液态冷媒更容易被汽化，制冷效率因此提升，不仅制冷效果佳，且EER值亦可明显提高，达到节能的目的。
3.技术特点
（1）压缩机的选择：目前热泵设备常用压缩机类型主要有螺杆压缩机、全封闭涡旋压缩机与半封闭活塞压缩机等，经过对不同类型压缩机工作特性进行比较研究，目前者一般选用全封闭涡旋压缩机；
（2）工质的选择：根据高温热泵设备最大工作压力≤25bar，采用对环境友好的R134a作为制冷剂为工质，对臭氧层无破坏作用；
（3）在设备内部增设一电子膨胀阀与油分互相配合，增加设备运行时压力的稳定性；由于油分离器容积比常用制冷机组大，相同时间下容纳的高温高压冷媒蒸汽比常用制冷机组大，压缩机启动是阻力小，启动电流低，螺杆机组启动电流是额定运行电流的1.1倍以下，涡旋机是额定运转电流的2.0倍以下，不仅省电，而且有效地保护压缩机安全，用户不需要因电流大而增容；
（4）运行稳定，压缩机使用寿命长，特别是 制冷供回水 温度低于7℃、产生80℃以上的高温热水时，其运行电流仍在额定电流的88%以内,不会跳机或烧机，突破了以往热泵主机热水达到65℃会烧机的瓶颈；
（5）热回收效率高，通过较大的油分离器与电子流量控制阀的流量控制，可获得较常规双效热泵机组更高的热回收率；
（6）整个机组的冷媒密闭系统中，高压侧的压力得以保持，低压侧亦因而较常用技术的压力更高，在低压侧的饱和态冷媒，完全被汽化，无液体冷媒存在，避免了不可压缩性的液态冷媒进入压缩机，造成负荷过重而损坏压缩机，也就是通常所说的液击现象。
（7）系统控制的优化：采用平均压缩机运行时间的优化控制模式，保证整体机组的长时间高温稳定运行和使用寿命，并根据地源温度和冬季热源温度，调节高温热泵运行工作状态和条件。
4.高温热回收型地源热泵空调机组的应用形式
高温热回收型地源热泵空调机组作为一种高效、环保、节能的供热制冷设备，可以应用于多种采暖空调和热水供应系统，并可以和其它新能源技术有机结合，提高综合利用效率。目前，高温地源热泵在工程中的实际应用主要有如下几种途径：
（1）燃煤或燃油（气）锅炉改造工程。直接替代供热锅炉，具有占地少，工程量小，环保，安全，运行费用低等优势，可以直接连接散热器采暖系统而不需要改造末端系统，虽然一次投资高于普通供热锅炉，但因其运行费用仅相当于燃煤锅炉1/3，其增加的投资可以在3-5年内收回；
（2）建筑采暖、空调和卫生热水三联供。卫生热水供水温度60℃以上，特别是在夏季，制冷的同时回收空调余热免费提供卫生热水，经济效益显著；
（3）低温地热和地热尾水利用。对于许多温度在50℃以下的地热资源，直接利用效益不佳，可以采用高温地源热泵，以其作为热源，向采暖系统供热或提供生活热水。对于50℃以上的地热资源，一般地热水在经过采暖系统或生活热水系统后直接排放或回灌，地热尾水的温度在40℃左右，可以利用 高温地源热泵回收 地热尾水中的热量向系统供热，使地热尾水排放温度降底到10℃左右，大大提高地热资源的利用率，使一眼地热井产生两眼井的效益。
（4）与太阳能供热系统的结合。目前太阳能越来越多的应用到建筑热水供应和空调采暖系统之中，但是因为太阳能资源的不稳定性，基本上需要常规能源作为辅助，如采用电锅炉、染油（气）锅炉辅助加热。将高温地源热泵与太阳能结合用于建筑热水供应和采暖系统，一方面可以节省大量的能源费用，减少对环境的污染，另一方面，对太阳能热水的温度要求降低，在满足用户供热温度的同时极大的提高了太阳能集热器的吸热效率，减少集热器的投资。
四、高温地源热泵技术的发展
随着各科研单位对地源热泵研究力度的深入和大量新技术的不断涌现，高温地源热泵技术将不断发展，其运行效率、出水温度、应用范围将会不断的改进，满足各种方面的空调供热需求。相信在不久的将来，在地源热泵市场上将会有越来越多的产品供供热空调设计师和用户选择。
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