核心提示：本文重點介紹了我國地源熱泵技術的現狀和出水溫度在60℃以上的高溫地源熱泵技術的特點和研究情況，并通過幾個典型的工程實例介紹了高溫地源熱泵技術在工程中的實際應用情況。
1技術背景
1.1建筑物供熱及空調的節能問題亟待解決
隨著國民經濟迅速發展和人民生活水平的提高，采暖、空調、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。在發達城市，夏季空調、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，給大氣環境造成了極大的污染。因此，建筑物污染控制和節能已是國民經濟發展的一個重大問題。
1.2環保節能的地源熱泵技術應用前景廣闊
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和全年提供生活熱水，實現一機多用。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，實現采暖、供冷、供生活熱水，替代傳統的制冷機+鍋爐的建筑物空調、采暖、供熱模式，是改善城市大氣環境、節約能源的一條有效途徑，也是我國地熱(源)能利用一個新的發展方向。
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生電力的同時，向環境排放大量的燃燒產物，如CO2、SO2、NOx、粉塵等，對環境造成嚴重的污染，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，開發利用清潔無污染的地熱(源)能已是社會發展的必然趨勢。
北京2008年奧運會，將以“科技奧運、綠色奧運、人文奧運”為宗旨，環境是一個非常重要的指標，為此，北京市已決定取消四環路以內的燃煤采暖鍋爐，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)的開發利用提供了一個良好的契機。
1.3普通地源熱泵設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，采暖空調及熱水系統形式亦各不相同。對冷熱源水溫來說，一般舒適性中央空調系統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的供回水溫度要求95℃/70℃。在衛生熱水供應系統中，根據使用功能和系統設計的不同，一般要求供水溫度在40—65℃之間。
并且隨著人們對環保和能源問題的重視，大量的散熱器采暖系統的鍋爐設備需要改造，上世紀八九十年代上馬的一些中央空調主機設備也需要更新換代。
目前，地源熱泵技術作為供熱空調行業的一個熱點，設備生產廠家眾多，各類產品層出不窮。短短幾年時間，在我國的空調市場上已經有樹十家國內外企業加入地源熱泵產品的生產銷售競爭之中。但是，由于壓縮式制冷技術在工質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，可以在末端系統設計中按此溫度考慮。但是在單純更換主機的中央空調改造項目、散熱器采暖系統鍋爐改造項目以及熱水供應系統中，55℃的供水溫度已經不能或不完全能滿足系統的使用要求，從而限制了地源熱泵這一經濟節能的技術的推廣應用。高溫地源熱泵技術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的應用范圍。
2高溫地源熱泵技術
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和生活熱水系統的水溫要求。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，因此高溫熱泵產品對設備零部件的選擇和制冷劑的使用都有很高的要求，產品的研發和設計方面的成本也很高。目前國內市常上擁有高溫熱泵技術和產品的企業寥寥無幾。
2.2高溫地源熱泵的幾個關鍵技術
相對于輸出溫度55℃以下的熱泵技術，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定的運行狀態，一般需要解決如下幾個關鍵技術。
(1)壓縮機的選擇：目前熱泵設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，目前高溫熱泵設備一般選用半封閉活塞壓縮機
(2)工質的選擇：根據高溫熱泵設備最大工作壓力≤25bar，采用對環境友好的R134a作為制冷劑為工質，對環境無污染，對臭氧層無破壞作用
(3)循環系統的設計：采用多路獨立制冷循環系統，共用一個水循環系統，降低了設備的冷凝工作溫度和壓力
(4)在設備內部增設一特殊換熱裝置(經濟器)，增加設備運行時的穩定性
(5)系統控制的優化：采用平均壓縮機運行時間的優化控制模式，保證整體機組的長時間高溫穩定運行和使用壽命，并根據地源溫度和冬季熱源溫度，調節高溫熱泵運行工作狀態和條件。
2.3高溫地源熱泵技術優勢
商用和民用熱泵技術在國外已相當普及，以其高效、節能、環保、利用可再生資源等眾多眾所周知的優勢在近幾年得到了迅速的發展。
目前市場上的熱泵設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，其主要缺點是出水溫度低，受到地區性和項目使用特性的限制，使用范圍不廣，高溫熱泵技術在這方面取得了一定的突破，其主要表現在于：
(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進行改造，為了適應原采暖系統的室內末端設備，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，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，對環境沒有污染，綠色環保。
(4)一機多用，可滿足不同用戶的空調、采暖、制備生活熱水的要求。
2.4高溫熱泵技術現狀和前景
目前，國內外的熱泵產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只有少數幾個單位在研制，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，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。
隨著國民經濟迅速發展和人民生活水平的提高，采暖、空調、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。在發達城市，夏季空調、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，給大氣環境造成了極大的污染。高溫熱泵是一種高效節能環保設備，與燃油(氣)鍋爐采暖系統相比節能達40%，高溫熱泵以綠色環保制冷劑為工質，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，因此，整個系統無有害物質排放，高溫熱泵技術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、供熱熱水系統，替代供熱鍋爐，有效改善城市的生態環境，減少由于使用燃煤、燃油鍋爐引起的有害氣體的排放，提高大氣環境質量，減少因有害物質引起人們疾病的發生，充分利用可再生資源和節約常規優質能源有利于社會的可持續發展?？梢姼邷責岜眉夹g具有良好的經濟效益和社會效益，其市場前景廣闊。
3高溫地源熱泵技術的應用
3.1高溫地源熱泵系統的應用形式
高溫地源熱泵技術作為一種高效、環保、節能的供熱制冷技術可以應用于所有的采暖空調和熱水供應系統，并可以和其它新能源技術有機結合，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，環保，安全，運行費用低等優勢，可以直接接駁散熱其采暖系統而不需要改造末端系統，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年內收回
(2)建筑采暖、空調和衛生熱水三聯供。
衛生熱水溫度60℃以上，特別是夏季衛生熱水可在制冷同時回收空調余熱免費提供，經濟效益顯著
(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，一般地熱水在經過采暖系統或生活熱水系統后直接排放或回灌，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，使一眼井產生兩眼井的效益。
(4)與太陽能供熱系統的結合。目前太陽能越來越多的應用到建筑熱水供應和空調采暖系統之中，但是因為太陽能資源的不穩定性，基本上需要常規能源作為輔助，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合用于建筑熱水供應和采暖系統，一方面可以節省大量的能源費用，減少對環境的污染，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能建筑技術的進一步推廣，建筑能耗逐漸降低，高溫地源熱泵的應用空間將越來越大，將會出現更多的應用形式。
3.2高溫熱泵技術應用實例
(1)高溫地源熱泵空調、采暖、熱水三聯供系統
如中國科學院外國專家公寓，賓館，建筑面積11000m2，中央空調系統，末端設備風機盤管。原空調制冷設備螺桿式冷水機組，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的地源熱泵機組替換原制冷采暖和制熱水設備，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℃，每口井設一潛水泵。
運行工況：
夏季機組制冷運行，向空調系統供冷，并由高溫熱泵機組回收空調余熱產生每天60m3衛生熱水，熱水溫度60℃。冬季機組制熱運行，向空調系統供熱的同時由高溫熱泵機組供應衛生熱水。過渡季節由高溫熱泵機組制熱運行供應生活熱水。
目前該系統經過了兩個采暖期和兩個空調期的運行，取得了良好的效益。在運行費用方面地源熱泵系統每年可比原系統節約運行費用38萬元以上。類似的高溫熱泵采暖、空調、熱水三聯供項目還有北京財貿干部管理學院。
(2)高溫地源熱泵采暖系統
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2002年11月1日竣工投入運行，至2003年3月15日采暖期結束，經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，室內溫度仍能保持在20℃以上，熱泵設備運行平穩，出水溫度保持在65℃以上。
本地源熱泵系統機房仍利用原燃煤鍋爐房，該鍋爐房現改造為兩層，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100m2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，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合
高溫地源熱泵與地熱能結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項目，建筑面積約20000m2，采用GWHP400型高溫熱泵機組二臺，夏季空調采用冷卻塔冷卻。衛生熱水由地熱水經過換熱器換熱提供，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℃。
高溫熱泵技術與太陽能的結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。夏季空調由吸收式太陽能制冷系統和高溫地源熱泵聯合供應。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，通過系統的優化設計，使建筑采暖空調能耗的80%來自于太陽能和地下熱能。
4高溫地源熱泵技術的發展
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的不斷涌現，高溫地源熱泵技術將不斷發展，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品供供熱空調設計師和用戶選擇。