高温热泵技术在热电领域的应用：

空调制冷技术问世已经100多年，空调已逐渐成为日常生活的必需品，空调制冷的同时必然产生大量的热，如果这部分热能可以被有效地利用，提供日常生活热水，不仅可节约大量的燃料，而且可以减少废热污染，缓解城市的热岛效应。但经过无数专业人员，几十年的努力，这个问题一直没有很好地解决。主要的难点在于热泵制冷同时要想提高制热的品质，必须提高冷凝温度，这就必然增加电耗，同时伴随着制冷量下降，“能效比”会大大降低，这是热力学基本规律决定，与采用哪种机型或工质无关。这就自然形成了一种思维定势，即热泵应用一定要追求较高的蒸发温度和较低的冷凝温度，学术界始终把热泵高温应用视为禁区。另外受常规制冷剂性能和工作压力的限制，即使降低“能效比”，也很难获得高于50℃的热水，热泵高温应用的尝试大都沿用研究特殊工质的技术路线，这方面的研究一直没有取得实质性的进展，空调行业的技术、工艺、产品基本上几经完全同质化。

众所周知，水往低处流。而欲将水提升或传输时，则须依靠某种动力驱动的水泵。同样道理，热可以自发地从高温物体传向低温物体，而欲从低温物体传向高温物体，也必须依靠使用某种动力驱动的装置—热泵。这也就是热力学第二定律所阐述的：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。当热泵在将热由低温物体传至高温物体的过程中，在低温物体一端，由于热的失去而产生制冷效应，在高温物体一端，则由于热的获得而产生制热效应。因此，热泵工作的过程中，制冷与制热两种效应是同时并存的。概括地说，就是一个过程，两种效应。但在实际应用中，或用其制冷，或用其制热，或用其制冷、制热，或用其同时制冷及制热。同时制冷及制热除外，热泵单独用作制冷或制热时，其相对的另一种效应是不加以利用的。

长期以来，热泵的制冷功能在空调等领域应用相当广泛，而其制热功能的应用则相对推迟和少了许多。原因并不复杂，天然冷源的作用十分有限，正是为了追求人工冷源，人们开发和逐渐完善了制冷机—应用其制冷功能的热泵。而热却可以通过柴草煤炭以及油气等的燃烧很容易地获得。不必要花费过多的金钱去购置热泵这种精密的设备，和交付昂贵的电费。上世纪七十年代能源危机之后，人们开始对可以利用低品位热能的热泵重视起来。国内从九十年代开始。第一、热泵制造技术的引进，使其性能提高，第二、环保意识日渐提高；第三、电力供应状况的改善，用电政策发生转变等原因，热泵的制热功能引起人们的关注。制冷与制热双功能的热泵应用渐多。

正所谓存在决定意识，由于长期以来在空调领域内，热泵主要用于制冷，理论著述也多以制冷为主线，一般只在末尾单列热泵章节，简略表述其制热功能。论著也多以空调制冷或空调冷源为名。而在以热泵为名的专著中，则以其制热功能为主要内容。对于热泵，实际上存在狭义和广义两种理解。按照狭义理解，只有以制热或制热兼制冷为目的时，才称其为热泵。并且定义，以空气或水为低温热源的热泵，为空气源热泵和水源热泵。装有四通换向阀、制冷制热双功能者，也被称为“热泵式”或“带热泵的”等等。而广义的理解，热泵的功能即包括制冷，也包括制热，或制冷兼制热。制冷机实际上是用作制冷的热泵。也可以说，制冷机即热泵，或确切地说，制冷机是热泵的一种类型。因此，在空调领域认识这一概念应该统一为热能空调，而非空调制冷与热泵分立。

二、热泵的理论循环

正卡诺循环，也称动力循环，是把热能转换成机械能的循环。逆卡诺循环，称为热泵循环，即消耗一定的能量，使热由低温热源流向高温热源的循环。逆卡诺循环是以热力学第一、二定律为基础的理想循环。理想循环在于说明原理，实际上不可能实现，也不可能获得热泵循环的状态参数。蒸汽压缩式热泵，是利用工质的压缩、冷凝、节流和蒸发的循环相变，来实现热从低温物体向高温物体的传输的。在对其进行分析计算时，最具指导意义的是压焓（p-h）图所表示的蒸汽压缩式热泵的理想循环（图1），中Pc为工质的冷凝压力，Pe为工质的蒸发压力。1-2为压缩机内的等熵压缩过程；2-2’及2’- 3为等压冷却及冷凝过程；3-4为绝热节流过程；4-1为等压蒸发过程。当热泵循环的各状态参数确定后，便可在p-h图上确定各状态点及循环过程，并可进行理论循环的热力计算。

由式（４）与图1可见，热泵在制冷时，当制冷工况确定，冷凝温度（及相对应的冷凝压力）越高，则单位压缩功越大，热泵的制冷系数越小，反之,冷凝温度（及相对应的冷凝压力）越低，则单位压缩功越小，热泵的制冷系数越大。

⑤    热泵循环的理论制热系数；

制热工况时单位制热量与单位压缩功之比，用COP_c^’表示，即

由式（5）与图1可见，热泵在制热时，当制热工况确定，蒸发温度（及相对应的蒸发压力）越低，则单位压缩功越大，热泵的制热系数越小。反之，蒸发温度（及相对应的蒸发压力）越高，则单位压缩功越小，热泵的制热系数越大。另由式（6）可见，热泵在制热工况时，其制热系数是永远大于1的。这是因为，热泵制热的实质是基于热的传输。而燃料燃烧或光、电转化成热，其效率则不可能超过1。

经过多年的研究与实践，发明的空气热能制热技术，基本原理也是经典热力学中卡诺循环理论，但发明的跟进功原理，提出了是崭新的技术路线、创造性地解决了这一难题。利用特殊的冷凝换热机理，在不改变工质，不降低“能效比”，不损害压缩机的前提下，将单极热泵的出水温度提高到100℃以上。与传统的低温型热泵比较，产生热能的数量虽然没有增加，但能量价值得到了提升，为热泵技术在制热领域的应用开辟了广阔的前景。

空气热能设备系列将夏季供冷、冬季供热、生活热水、可饮用开水等功能集于一体，采用先进的系统设计理念和专利技术，在世界上第一次真正实现了在空调系统中，在维持低冷凝压力水平从而维持冷、热两端高效运行的前提下，进行空调的同时，吸收全部冷凝热以制取高温生活热水的目的，完美地实现了节能环保的时代要求，高温热泵设备在热电领域应用重大节能手段。

在世界上首次提出了在电力系统中，在发电的同时吸收全部冷凝热以替代抽气加热水的目的，而维持冷热两端高效运，提高发电效率是具有开拓性意义的新一代高技术应用。

三、高温热泵设备技术：

高温热泵技术，是各国科学家力求在节能和环保方面努力追求的目标。所谓热能技术，是指把水源中低品位的热能，通过热能转换原理和技术设备，将其重新应用的新技术。大家知道，水源中有的大量的热，由于没有再次利用，这些废热不仅仅白白的丧失，还形成了热污染。高温热泵设备是公司十多年研究成果，是逐步发展起来的整体设备。它是利用空气源、水源中的能量作为热源的设备，它的最大特点是无污染、可供冷、热的同时它还能提供生活热水，是一种可利用低品位热源、再产生高品位热能设备。

四、高温热泵设备制热原理:

高温热泵设备制热原理图

高温型热泵制热设备，是一种高效节能型热能设备：它解决了低品位废热利用的问题，达到高效率的节能降耗减排,取代现有的常压燃油、燃气、电锅炉。

专利权人孙霆在多年工作经验的基础上不断总结，结合热泵设备的结构及其工作原理，拓宽思路，不断对设备进行总结改进，从理论上独创了跟进功原理，使普通热泵设备能将水的温度提高到95度以上，且制冷量也得到提高。最终发明了这种高温热泵热水设备。经测试，每1KW功率能产生4-5KW的热功。设备正常运行的情况下，所烧的开水、热水不是电的作功而是设备释放在水源中热量回收的作用，在回收热量的同时减轻设备的压力，负荷，降低了电流量，也是当今节能市场上一次革命。高温热泵设备作为一种无污染的新型环保设备，在未来项目的建设中将会得到更加普遍的应用。设备正常运行时产生的高温热水可根据需要95度以下任意调节。不同水温热水量使不同的。

五、高温型热泵热水设备项目意义及必要性

能源，已经成为全球关注的焦点。在我国，能源的使用已经被提到关乎国家生存发展的战略高度。我国实施的《可再生能源法》，各种性质的能源应用史无前例地得到关注和重视。人们都知道风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源都是可再生能源，这是对的。但许多人不知道水源中其实也含有能量，其无时无处不在我们周围，按照目前的技术和应用上来说，获取能量方便得多。在能源危机日益成为人们关注热点话题的今天，低品位热能 — 这种可再生优质能源，正逐渐被各国所重视，并正走进我们的生活，所以发展高温热泵设备正被人们所认可。

本项目涉及的高温热泵设备的发明技术，基本原理也是经典热力学中卡诺循环理论，但提出的技术原理及崭新的技术路线，创造性地解决了技术难题。利用特殊的冷凝制热机理，在不改变工质，不降低“能效比”，不损害压缩机的前提下，将单级热泵的出水温度提高到95℃以上，本技术与传统的热泵比较，产生热能的数量虽然没有增加，但能量品质得到了提升，为热泵设备在制热领域的应用开辟了广阔的前景，是“低品位热”应用的重大发现。专家认为，未来10-20年，低品位热、低温余热开发市场的前景十分诱人。对于这个新兴的产业，早进入者早得利。本项目的实施贯彻落实了国家的相关产业政策，积极调整产业结构，促进产业升级换代，提高资源节约和综合利用水平，促进资源利用方式从粗放型向集约型转变，以提高资源的利用效率，从而实施可持续发展的战略，其意义深远。

公司具有高素质的管理团队，建立了现代化的企业管理制度，加上公司的高温热泵设备产业化项目具有稳定的技术优势，市场前景诱人，该项目运作后能大大提高当地的财政收入，调整当地的产业结构，刺激当地经济的发展，同时该项目能够提升企业的知名度，树立品牌形象，促进可持续发展，通过本项目的开展能够创造一些就业机会，更好的解决当地居民的就业问题，为当地居民的致富作出贡献。

高温型热泵热水设备产业化的建设，将使企业产业链进一步的延伸和完善，在稳定企业产品发展的同时，对推动地区的经济发展有着必要性，既解决了国内节能减排急需，也为各地方经济带来新的增长点。设备属国际首创制热度达95度以上的专利节能环保产品，市场目前未见竞争对手，产品目标存在大量的替换和新装市场，随着销售推广会出现仿制，仿冒或相似产品，存在竞价竞争，市场份额竞争等，公司在初期就重视知识产权的保护工作，采取了很多保护措施，强化基础，注重技术研发，使产品得到不断完善提高升级换代，尽快实施规模化和产业化。并将企业目标定位在做长做强，提高产品的美誉度的同时，取得良好经济效益和打造强势品牌。

图2-2：高温型热泵供暖设备

六、高温型热泵设备应用于工业项目

1、发电厂应用提高发电效率：

以30万KW发电机组为例，以耗电1万KW代价，吸收冷却塔排空热损失5万KW，经济效益非常可观。如下图

2、吸收30万发电设备冷却水热量可满足600万平方供暖：

凝汽热的节能效益:以30万KW发电机组为例，冷却塔排空热损失56万KW/h，依据 (温差6度,流量37000t/h)计量。把37000吨28度的冷却水,提取6度可吸收热量25.8万KW。 做为水源热泵冬季供暖的热源，25.8万KW热量可以实现供暖600万平米（每平米40瓦计）。

七、高温热泵(高端冷凝设备)在压焓图中的体现：

具体的分析，因为当出水温度如果确定在70度，那么出水量也就是冷凝水量和冷却水量可以近似的认为是相同的。当出水温度在80度以上时，才会产生冷凝热量过大，造成冷凝部分（相变过程）往后端整体漂移，从而缩小了过冷度，冷凝不充分引起系统工况变化可能造成压缩机工况变化恶劣。避免这种情况出现，就要从这多出的冷凝出发，比如可以排出一部分冷凝水，所以在排放高于80度以上热水时，如不排放55度热水，必须增加匹配相应的冷凝器保证足够的过冷度。对于这一点，采用分级热加，就是所说的“串联冷凝器”，从实际上我们已经完成了。这种“逐级冷凝、梯级升温、高温取热、全热回收”的原理正好是本技术核心保护点。也是本技术保密的技术壁垒。另外，我们在上面已经比较保守的描述了我公司的产品在高温度长期稳定性，其寿命不言而喻，肯定大于优于常规热泵。

高温型热泵设备同传统锅炉相比有许多优点：全年制热水温度高。制热可节能和节省费用80%左右。节省了大量的不可再生能源（燃油、燃气、电能）；有好的蓄能作用；没有任何污染。且能缓解城市“热岛效应”公司设计的“高温热泵热水设备”技术及理论，还是基于压缩式热泵原理—逆卡诺循环原理，与常规的热泵原理一样，整个系统主要由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等四大部件组成。但是，与目前市场上的传统型及常规的热泵热水系统相比，本技术创新在于一改压缩式循环热泵系统的高温换热器件—冷凝器的设计及原理思路，大胆提出了热力“跟进功原理”思路，将冷凝器的换热机理由传统的单一蓄热式换热思路创新设计变换成由多个冷凝器单元逐级级联而成为一个整体式高端冷凝器部件，既实现了工质流经过高端冷凝器高温进、低温出之目标，同时也实现了水流经过高端冷凝器低温进、高温出水之制热目的，实现了“在不改变工质、不损害压缩机、不降低能效比”热泵的高温应用。

为研究探索其中高端冷凝机理的原由，我们已经做过设备性能测试实验，设备拉力实验及满足用户定向需求试运行三年以上。具体从我们的实践经历和实验运行数据来看，运行中螺杆大型热泵供暖设备，通过以上长期数据数据分析：在不损失设备的制热量和能效比的情况下，设备在河北沧州冬季制热能效比COP大于3.0以上。

综上，要实现高温热泵设备制热高温热水80℃以上之目标，除必须彻底解决冷凝器的换热结构创新设计，也就是说彻底解决冷凝器的换热机理结构创新设计，才是常规的热泵实现制取高温热水必经之路。

研制的“大温差高温型热泵热水设备”其中的250KW（额定输入功率250KW，输入功率大于1000KW）设备运行工况在设定设备额定出水温度T=95℃时，测试显示数据：其压缩机工质排气压力值，压缩机处于安全运行状态，无发热过热现象发生，同时运行在空调工况下该设备调试运行阶段近的测试结果：设置出风度T=25℃工况条件下，设备进风温26℃，蒸发器可以产生7-14℃的冷风，设备具有优秀的制冷效果，高温热泵热水设备主要表达的思路已很清晰。

关于我公司“大温差高温型热泵热水设备”技术产品的相关的机理和技术参数的认识技术原理，从而在热力学的基础上，更加有效地指导我们发展公司的发展，为人类社会节能减排做出应有的贡献。

    高温热泵之所以能够高效的产生高温水其主要原因是采用了高端冷凝系统原理，该系统在实际的设备中贯穿于设备的整个冷凝过程，每一个分段冷凝器都是一个相对独立的高效换热器，当冷水和高温工质相对运动时，工质在各个分段冷凝器内进行高效换热，水流和工质流在各个分段冷凝器中换热的时间是不同的，流体在压力的作用下扰动的形式也不同，所以能够在工质冷凝的各个阶段保证将其潜热换热到冷凝水中。在上述压焓图中可见，无论是在气相区、两相区都有分段冷凝器的存在，而且在两相区内分段冷凝器的数量要大于气相区，各个分段冷凝器是以串联的形式存在，高温水的确是吸收了气态显热、如A段冷凝器所示，但是自来水经过E、D、C、B各个分段冷凝器的加热已经把冷凝系统的潜热完全吸收，进入A段冷凝器前水温已达80℃（各个分段冷凝器之间有一定的温差例如10℃）系统的显热只是将80℃的水再加热成90℃的水输出，而E段冷凝器输出的工质已达50℃以下，这样充分的保证了系统的过冷度，所以系统能够安全可靠地运行。总之以所描述的高端冷凝系统在实际运用中它是一端高温（A段）一端中温（C段）另一端低温（E段）而普通热泵整个冷凝系统基本上是一个温度，所以它不可能产生高温水，否则将影响它的安全运行。

    总的来说核技术是“逐级冷凝、梯级升温、高温取热、全热回收”！简称跟进功原理,实现了热泵的高温利用!

                                                 中翊新能源、孙霆/2015.03.15

节能预案

某自备电厂热泵锅炉吸收冷却热加热凝结水节能预案：

汽轮机凝凝结水热量大、集中，用大型高温水源热泵吸收工业冷凝热，将凝结水水温度由34℃加热到64℃后再进高加后再进锅炉。以充分利用冷凝热和提高发电效率的同时，热泵设备对企业生产工艺降温，可减少企业制冷电耗，提高企业效率。

表1、火电机组效率：

一、    海港区中浩公司热电厂主要特点、现状：

1.1、      热电厂的现状三炉两机，2台汽机为：25MW，配发电机为：25MW ；机组进汽参数为：8.83MPa，535℃，三段自然抽汽，一段可调抽汽；1段抽汽供高加，2段抽汽供外供汽和除氧器，3段抽汽供三台低加。1#机运行参数凝结水流量为：60t/h。真空为：-93.6KPa，凝汽器进水温度为：30℃，出水温度为：34.4℃，凝结水温度37.2℃。

1.2、  企业为了满足用汽的要求，建有厂内外供热管网，并建设热力交换站，供热参数为160℃蒸汽，企业的用汽量约为240-350t/h。

1.3、  企业为了满足制冷的要求，建有4台6000KW制冷设备，厂内备有制冷管网，及交换站，制冷参数为7-10℃冷冻水，最大的制冷量约为18000KW,每小时流量3000t/h。

二、大型热泵替代汽轮机抽气加热凝结水节能流程:

2.1、系统改进方案；

汽轮机为：150MW，配发电机为：150MW、电厂冷凝热经汽机作功后的蒸汽成凝结水再经回热后进入锅炉，锅炉产生的蒸汽在汽机中作功，在这个热媒的循环过程中，需要放出大量的抽气,来加热凝结水。凝汽器经循环水冷却后的凝结水温度34℃，凝结水量在350t/h，需大型水源热泵加热60-80度进高加再锅炉，提高电厂发电效率。

图中所示1：

高温水源热泵设备冷端将吸收企业冷却热升温64.4℃后进（由热泵替代抽气加热把34℃加热到63.4℃进中加热到97.8℃，经高加出水锅炉温度为：270℃再进锅炉，进锅炉加热535度发电以此循环进行。

三、企业节能分析：

3.1、热的利用：

企业1台15万KW冷却后的凝结水出水为34度加热到64度，每小时350吨左右，每天加热热量29.30万KW。

λ—水比热为1；m——水量；Δt——温差；1 Kcal =1.163 KW

高温热泵每小时回收热量Q=λmΔt=350×30×1.163=12211 KW

12211KW×24=29.30万KW

3.2、制冷量的利用：

企业利用高温热泵把34度加热到64度，每小时350吨左右，每天加热热量29.30万KW，同时产生25.12万KW制冷量，可以满足企业工艺制冷。

λ—水比热为1；m——水量；Δt——温差；1 Kcal =1.163 KW

高温热泵每小时制冷量Q=λmΔt=3000×3×1.163=10467 KW

10467 KW×24=25.12万KW

条件设置：一吨水提升40度需要40000大卡耗能对比：

3.4提高企业整体效益。

1、             热电厂汽轮机运行参数：150MW，凝结水流量为：凝汽器凝结水每小时约350吨，该系统依据宇能高温热泵空调锅炉高效节能设备特点，可以替代抽气加热凝结水从34度加热到64度需求。

2、             抽气每小时加热量，每凝结水每吨水以35kw计，每天24小时，每小时350吨，此可得出每天节能热量：24×350×34.89KW=29.4万KW × 860Kcal =2.528亿大卡=50.56吨煤

3、             每年330天计：50.56×330=16684.8相当于节约16685吨煤炭，每吨600元计；每年节能1001万元。

由此可见空气能热空调锅炉比其它常规供热方案更节省投资，效果明显，从成本效益及环境方面看，高温热泵空调锅炉是节能经济实用的。

2.2 热泵锅炉主机技术参数表

企业制热水流量每小时350吨，温差30度制热量12500KW，24小时可实现制热量29.30万KW，热水量每小时350吨。

每小时12万KW制热量，可利用宇能高温热泵锅炉设备提供7-10度冷冻水，每小时可提供冷量12000KW，24小时可实现制冷29.30万KW制冷量。

2.3、宇能高温热泵锅炉流程图

节约能源计量

按照热企业每天实际节能计算，宇能高温热泵锅炉节约费用如下计算，加热凝结水每吨凝结水温升30℃，需30000大卡热量折合煤8.57公斤，效率75%计（30000大卡/37500大卡）每小时350吨。每天24小时需63吨煤

每天节煤63吨，因此每月节煤量1890吨，每年330天节煤20790吨，每吨600元每年节煤1247.4万元。投资收益：2850/1274=22.37个月。(制冷未计)

大型2500高温热泵空调锅炉（替代热水锅炉、空调制冷）

工业燃煤锅炉改造为燃清洁能源、低污染燃料

锅炉财政补助资金申请表

联系方式：中国节能协会热电产业联盟 山东理事会 任海静 0531-83531686
                        热电联盟秘书处  白华  010-57288430   18513956621