组合式热泵系统在供暖中的应用

摘要：一种充分利用地热或废热水有效热能，同时又能充分提高供回水温差的组合式热泵装置。可以利用来进行各种温度范围热泵的组合应用。

关键词：组合式热泵装置 串联 大温差

The summary: A kind of combined heat pump equipment which can effectively use heat energy of Geo-heat or waste-heat and At the same time can improve the temperature difference between water supply and return . The equipment can be used to combine several heat pumps working on different temperature range.

Key words: Combined heat pump equipment, series connection, the great difference in temperature

一、热泵技术
热泵是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统，顾名思义，“热泵”就是把热从低温热源“泵”到高温热源上。按照热泵的热源来分类，常见的热泵可以分为空气源热泵、土壤源热泵和水源热泵，水源热泵和废热热泵等；采用不同的制冷剂和不同的机器配置，热泵可以工作在不同的温度范围之间，可以按照工作范围把热泵分为普通热泵、中温热泵、高温热泵甚至超高温热泵。普通热泵常用R22为制冷剂，供热温度范围可以从35～55℃，超过最高温度极限就会到来较低的制热效率；如果需要提高更高的温度，必须采取高温制冷剂。我们下面如果不特加说明，只把热泵分成普通热泵和高温热泵两种，制冷剂也相应的分为普通制冷剂和高温制冷剂。

二、组合式热泵系统
热泵技术是国家重点推广的能源技术之一，目前在国内已经获得了广泛的应用，其应用领域主要有热泵供暖、供生活热水、干燥等，利用热泵进行供暖，有多种末端散热设备可以选择，例如普通散热器、地板采暖和风机盘管等。不同的末端设备需要不同的供热温度范围和温差，例如如果采用地板采暖，供热温度可以在30~60℃之间，而温差小于10℃；如果采用风机盘管供暖风，供热温度范围一般在50℃左右，而温差在10℃左右。但对于普通散热器则不然，一般供热系统的设计温差都在20℃以上，常用标准的单管顺流式供热系统设计供回水温度为95/70℃，温差达到了25℃，此时，要求热源必须有25℃的升温能力才能满足供热末端的要求。

另一方面，在地热或废热的梯级利用中，要求最大限度的利用之，例如国家规定地热排放温度不得高于30℃，但在冬季，就是30℃的温度也是远远超过环境温度的，所以还可以继续利用，但在热泵设计上，却很难做到大温差利用地热或废热。因为对于热泵循环来说，一般蒸发器和冷凝器的设计温差都在10℃以下，极其特殊的情况下可以做到15℃，但此时必须以耗费更多的换热面积和降低制热效率为代价，某些情况是划不来的。

通过热泵的串联组合可以解决上述问题。把多台（建议不超过4台，否则水力损失过大）热泵的蒸发器首尾相连串联在一起，通之以地热尾水或工业废水；再把这些热泵的冷凝器也串起来，不过水流方向与蒸发器的顺序相反，内部走的是供热循环水或供生活热水。这样既可以充分利用热源的温度范围，也可以加大供热温差，同时单位制热量的蒸发器和冷凝器面积没有任何增长，每台热泵都工作在其最佳工作范围上。

如下图所示：

热泵1
热泵2
热泵3
3
1
2
9
4
5
7
8
6
图1 组合式热泵系统
10


上图中，1是地热或废热水供水管路，经过换热器3换热后成为地热或废热水回水；4为热泵热源供水管路，5为热泵热源回水管路；6为一组以串联方式连接的热泵，所谓串联，是指每台热泵的蒸发器首尾相连，每台热泵的冷凝器也首尾相连；7和8分别是供热系统的供水和回水管路，9为散热器或其他末端供热热设备；10为温度检测控制装置。

通过换热器与地热或废热水隔离开的热源水依次进入各台热泵的蒸发器，温度逐渐降低后再回到换热器。而另一侧的供热回水也依次进入各台热泵的冷凝器，温度逐渐上升，进入冷凝器的次序与进入蒸发器的次序相反。

组合式热泵装置中的热泵台数可以不限于图示的三台，最少可以是两台，最多还可以任意多台，只要选配的水泵合适即可。组合式热泵装置中的地热或废热水可以直接进入热泵的蒸发器中，此时热泵蒸发器必须考虑防腐处理。装置中的每台热泵都必须对各自的工况进行校核实验或计算，以确保其运行在该工况下是高效的，出力是足够的。另外，在系统的设计上，组合式热泵装置可以经过恰当的设计使之在外观和使用上成为一台机器，同时控制系统可以设计成为能够增减温差，增减输出温度以及相应增减能量输出的系统，以便于进行供热系统的质调节。

三、组合式热泵系统的各项参数
事实上，每种制冷剂都能够在相当宽的温度范围内保持较高的制热系数，但所有的制冷和制热循环效率都对温差更加敏感，也就是说，温差如果比较大，制热效率会大大降低，但如果供水和回水温度都升高10℃或20℃，而供回水温差保持不变，制热效率基本不变（变化很小），这就是热泵串联工作的基本原理。以卡诺循环为例，卡诺循环的制冷系数为：

COP＝T2/(T1-T2);这里，T2是低温热源的温度，T1是高温热源的温度。

分两种情况考察COP的变化情况：

1、 温差不变，T2和T1以相同的幅度增长；

2、 T2不变，T1增长，这样温差也增长；

从式中可以清楚的看出，第一种情况下，COP与T2或T1是同比增长的，即如果T2增长5%，COP也增长5%；而第二种情况下，COP是与温差成反比的，例如当温差增大5%，COP大约减小4.76％，这两种情况的效果向相反的方向运动，可见提高温差对于热泵系统的不利。

下表是某种高温热泵在不同热源温度和不同制热温度（即不同冷凝和蒸发温度）下的制热系数表，从中可以验证上面提出的原理：

下表是某种热泵在不同蒸发器进口温度和冷凝器出口温度组合下的制热系数表(第1种情况)：

表1：蒸发、冷凝温度等幅上升情况下的制热系数表

序号
蒸发器进口温度
冷凝器出口温度
制热效率

1
40
55
6.08

2
40
60
5.05

3
40
66
4.45

4
40
71
3.77

5
40
75
3.40

6
40
80
3.02


实际循环与卡诺循环差距较大，所以没有得到象卡诺循环那样随蒸发温度和冷凝温度上升，COP上升的结论，但至少可以看出当蒸发温度和冷凝温度等幅上升时，热泵的制热效率基本没有大的波动。下图是这种情况的图形表达方式：

图2：蒸发、冷凝温度同时上升情况下的制热系数
同样的热泵在当蒸发器进口温度不变，而冷凝器出口温度上升时的制热系数表：
表2：蒸发温度保持不变，冷凝温度上升的制热系数表

序号
蒸发器进口温度
冷凝器出口温度
制热效率

1
40
55
6.08

2
40
60
5.05

3
40
66
4.45

4
40
71
3.77

5
40
75
3.40

6
40
80
3.02


从上表可以看出，随着冷凝下降器出口温度的升高，COP下降的速度是非常快的。

下面是这种情况的图形表达方式：

图3： 冷凝温度上升情况的制热系数
从上面的分析可以看出，当采用图1所示的串联连接方式时，各台热泵都可以处于高效工作的范围之内，总体的制热系数不会降低。那么到底在多大的范围之内热泵可以运转在比较高效的情况下呢？在使用同样压缩机的情况下，主要取决于制冷剂，不同的制冷剂可以具有不同的高性能工作区间。下图是某种高温制冷剂的工作区间图：



图4：某种制冷剂的高效工作范围

从该图可以看出，该种制冷剂具有比较宽的高效工作范围，这就为串联式热泵的高效工作提供了可能， 只要组合式热泵装置中的每个点都位于范围1或2之内，组合式热泵整体就可以保持一个较高的性能系数。

四、不同的组合方式
在具体的组合方式上，还可以进行多种组合，我们可以一一列出：
i. 同种高温水源热泵的组合应用；
ii. 高温水源热泵与普通水源热泵的组合应用；
iii. 普通水源热泵的组合应用等等。

在控制上，当不需要高的温度差时，可以依次取消低蒸发温度的热泵，这样就可以逐渐的减小温差；当不需要高的温度时，可以取消高蒸发温度的热泵，这样低蒸发温度的热泵进入比设计值还要高的热源流体时，效率还会进一步提高。

根据上述的描述，组合式热泵装置尤其适用于地热或废热利用，在这种应用中，因为热源水不是循环应用的，属于一次排放，所以要求其尾水排放温度越低越好，地热或废热尾水排放温度甚至可以达到8℃，这样的能源利用程度就非常好了，可以达到一口地热井发挥两口甚至三口井的作用。

作者：孟富春 董明 北京清源世纪科技有限公司 010-63440480

作者简介：孟富春 1973.9 本科 工程师 北京清源世纪科技有限公司 研发部经理