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1、第三章热泵的低位能源和驱动热源,3.1 概述3.2 空气3.3 水3.4 土壤3.5 太阳能3.6 驱动能源和驱动装置3.7 热泵系统中的蓄能3.8 热泵的经济性评价,第三章 热泵的低位能源和驱动热源,3.1 概述,热泵的工作特性及其经济性很大程度上取决于热汇温度（供热温度）和热源温度。保证热泵经济地运行条件应为：供热温度与可获取的热源温度间的温差要小。热源温度尽可能高。在选择低温热源时，既要充分考虑上述原则，又要考虑下列各项要求热源任何时候在可能的最高供热温度下，都能满足供热的要求。用作热源时应该没有任何或者有极少的附加费用。,3.1 概述,输送热量的载热（冷）介质的动力能耗要尽可能的小，以
2、减少输送费用和提高系统的总制热性能系数。载热（冷）介质对热交换设备与管路无物理和化学作用（腐蚀、污染、冻结等）。热源温度的时间特性与供热的时间特性应尽量一致。应该便于把低位热源的介质与批量生产的系列化热泵产品连接起来。,3.2 空气,空气作为热泵的低位热源，取之不尽，用之不竭，处处都有，可以无偿地获取，而且，空气源热泵装置的安装和使用也都比较方便。但是空气作为热泵的低位热源也有缺点：（1）室外空气的状态参数随地区和季节的不同而变化，这对热泵的供热能力和制热性能系数影响很大。（2）冬季室外温度很低时，室外换热器中工质的蒸发温度也很低。当室外换热器表面温度低于周围空气的露点温度且低于0时，换热器表
3、面就,3.2 空气,结霜。霜的形成使得换热器传热效果恶化，且增加了空气流动阻力，使得机组的供热能力降低，严重时机组会停止运行。结霜后热泵的制热性能系数下降，机组的可靠性降低；室外换热器热阻增加；空气流动阻力增加。（3）空气的热容量小，如果为了获得足够的热量时，需要较大的空气量。按经验，一般是每1kW的供热量需要0.24 m3/s空气，进风温度与蒸发温度之差为5。同时由于风机风量的增大，使空气源热泵装置的噪声也增大。,3.2 空气,3.2 空气,多年运行实践表明，传统的空气源热泵机组在室外空气温度大于-3的情况下，均能安全可靠地运行。因此，空气源热泵冷热水机组的应用范围早已由长江流域北扩至黄河流
4、域，即已进入气候区划标准的区的部分地区内。在这些地区以白天运行为主的建筑（如办公楼、商场、银行等建筑）选用空气源热泵，其运行是可行而可靠的。另外这些地区冬季气候干燥，最冷月室外相对湿度在4565左右，因此，选用空气源热泵其结霜现象又不太严重。,3.3 水,由于水的热容量大、流动和传热性能好、水温相对于气温而言较稳定。因此，水是一个优良的引人注目的低温热源。目前，在热泵系统中常选用地下水（浅井、深井、泉水、地热尾水等）、地表水（河水、湖水、海水等）、生活废水和工业废水作为低温热源。以水为源的热泵称为水源热泵。但用水作热泵的低温热源应注意下述问题：热泵系统必须靠近水源，或设有一定的蓄水装置。资源仅
5、占全球水资源的0.8%。,3.3 水,注意要通过水质分析，证实所选用的水/水换热设备及管路无腐蚀、无堵塞与结垢问题。选用水源热泵时，应充分认识到：水是人类及一切生物赖以生存的不可缺少的重要物质，也是工农业生产、经济发展与环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源，同时，淡水资源的储量又是十分有限的。全球的淡水资源仅占全球总水量的2.5%，真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球水资源的0.8%。,3.3 水,3.3.1 地下水地下水作为热泵的低温热源早在20世纪30年代就已经开始使用。以地下水为源（汇）的热泵系统称为地下水源热泵系统。美国到1940年已安装了15台大型商业用热泵，其中大部分是以井水为
6、热源。通常，井水为潜水或承压水。潜水是指埋藏于地表以下，饱和水带中第一个具有自由表面的含水层的水。承压水是指充满于上下两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水。,3.3 水,选用地下水作为热泵的低温热源时，应注意以下几点：（1）我国地下水分布的不均匀性（2）含水层的渗透性（3）地下水的温度（4）地下水的水质（5）我国地下水超采现象严重，已引起一些地质灾害问题,3.3 水,3.3.2 地表水地表水包括江水、河水、湖水、水库水、海水等。一般来说，只要地表水冬季不结冰，均可作为热泵的低温热源。以地表水为源（汇）的热泵系统称为地表水源热泵系统，是地源热泵中最早使用的热泵系统形式之一。由于地表水相对于室外空
7、气来说，可算是温度较高的热源，它不存在结霜现象，冬季水温也较稳定。因此，早期的热泵中就开始使用河水、湖水等做低温热源。,3.3 水,地表水的特点如下：（1）江河水流量变化大（2）河流水温的变化（3）河流含沙量大（4）河流天然水质差异明显（5）热泵长期不停地从河水或湖水中采热，对河流或湖泊的生态有何影响？现难以作出结论,3.3 水,海洋是一个巨大的可再生能源库，非常适合做水源热泵的低温热源与热汇。到目前为止，世界范围内利用海水作热源与热汇的热泵供热、供冷已有一些实例正在运行。海水的特殊性主要有：（1）由于巨大海面时刻接受太阳辐射热，并受大洋环流、海域周围具体气候条件的影响，故近海域海水水温会因地
8、、因时而异，同时海洋水温也会随着其深度的不同而异。,3.3 水,（2）海水含盐量高，海水主要含有氯化钠、氯化镁和少量的硫酸钠、硫酸钙，因此海水具有较强的腐蚀性和较高的硬度。（3）海洋生物。（4）潮汐和波浪。（5）泥沙淤积。,3.3 水,3.3.3 生活废水与工业废水生活废水 是指洗衣房、浴池、旅馆等的废水，温度较高（冬季接近日最高温度的平均值），是可利用的低位热源。但存在问题是：如何贮存足够的水量以应付热负荷的波动，以及如何保持换热器表面的清洁（换热器传热管设有自动清洗刷以及经四通换向阀定期进行清洗）和防止水对设备的腐蚀。,3.3 水,城市污水是很好的热源，在整个采暖季内，温度比较稳定。现代化
9、城市的污水处理设施十分完善，每天排放大量的净化后的污水。污水温度较高，北京地区以高碑店污水处理厂为例，二级出水温度在冬季为13.516.5；夏季出水温度为2225。黄河及长江流域，污水处理厂的二级出水温度为1728；且在整个采暖期内水温波动不大。工业废水形式颇多，数量大、温度高，有的可直接利用，有的可作为水源热泵的低位热源，如冶金和铸造工业的冷却水；又如从牛奶厂冷却器中排出的废水可以回收，用来加热清洗牛奶器皿的热水；溜冰场制冷装置中吸取的热量经热泵提高温度后可以用于游泳池水加热等。,3.4 土壤,3.4.1土壤热物性,3.4 土壤,3.4.2 土壤温度的状况分析及变化规律,3.4 土壤,3.5
10、 太阳能,在太阳能利用系统中，最先具有实用性的系统是太阳能供热。,3.5 太阳能,但是，在技术上和经济上都存在一定问题。（1）太阳能辐射热量有季节、昼夜规律的变化，同时还受阴晴云雨等随机因素的强烈影响，故太阳能辐射热量具有很大不稳定性。（2）集热器是太阳能供热、供冷中最重要的组成部分，其性能与成本对整个系统的成败起着决定性作用。高、中温平板集热器和聚光型集热器价格昂贵，是直接利用太阳能供热的极大障碍。另外，由于集热器的集热面积与散热面积相等，所以集热器效率随集热温度的增加而急剧降低。,3.5 太阳能,3.6 驱动能源和驱动装置,3.6.1 热泵的驱动能源和能源利用系数,3.6 驱动能源和驱动装
11、置,3.6.2 电动机驱动单相或三相交流电动机是热泵中用的最普遍的驱动装置，从最小的旋转式压缩机到最大的离心式压缩机都采用电动机驱动。只要电动机选配恰当，它就能平稳地、可靠地和高效率地运转。因此，在可预见的一段时间内电能将继续是各类热泵的主要动力。（1）单相交流电动机（2）三相交流异步电动机（3）直流电动机 （4）变频电动机3.6.3 燃料发动机驱动3.6.4 蒸汽透平（蒸汽轮机）驱动,3.7 热泵系统中的蓄能,热泵系统中采用蓄热器的优点有：（1）蓄热器贮存低峰负荷时的热能，并提供给高峰负荷时使用。热泵系统中蓄热能使热泵装置经常在高效下运行，既提高了热泵装置的利用率，又可减少设备的能量消耗。（
12、2）由于设备容量减小，故减小了设备费和基建投资。（3）电动热泵中蓄热还有调节电负荷作用。如夜间蓄、白天释，能平衡电量高峰及低峰负荷。（4）热泵装置采用蓄热器可弥补低位热源（如太阳能等）的不可靠性和间断性。,3.7 热泵系统中的蓄能,蓄热器一般由蓄热材料和容器组成。蓄热材料有两大类单相蓄热材料和相变蓄热材料。单相蓄热材料利用材料的温度变化储存显热，属于这类材料的有水、岩石、土壤等。相变蓄热材料利用材料的相变储存潜热，属于这类材料的有冰、石蜡等。对单相蓄热材料的要求有：比热大、密度大、价格低廉，有良好的热稳定性，对容器无腐蚀作用，无毒无爆炸燃烧危险，容易得到。水是一种优良的单相蓄热材料，其容积比热
13、为4187kJ/m3，能满足上述一系列的要求，是目前常用的蓄热材料。,3.7 热泵系统中的蓄能,3.7 热泵系统中的蓄能,热泵系统中的蓄热器可以用于储存低温热源的能量。例如，太阳能热泵的系统中，由于太阳能是一个强度多变的低位热源，一般都设太阳能蓄热器，将由集热器获得的低位热量储存起来。常用的有蓄热水槽、岩石蓄热器等。,3.7 热泵系统中的蓄能,储存冷凝热量而作低温热源使用的热泵系统别墅热泵空调水蓄能系统,3.8 热泵的经济性评价,3.8.1 额外投资回收年限法采用热泵系统时，设额外投资将增加K，而每年带来的节约燃料等运行费用为S，假设投资回收期不超过允许的投资回收期，即,3.8 热泵的经济性评
14、价,现设供热系统（热泵和锅炉）每年需向热用户提供热量Q1(kJ/年)。当由锅炉供热时，每年的标准煤耗量B为,3.8 热泵的经济性评价,压缩式热泵系统的标准煤耗量Brb,y可按下式计算：每年消耗的机械功为：每年节约的标准煤量为：,3.8 热泵的经济性评价,3.8.2 能耗费用所谓的能耗费用是指热泵或其他锅炉等加热同一热量时所需的燃料费用，又称动力费用或加热费用。,第四章空气源热泵空调系统,4.1 空气源热泵机组4.2 空气源热泵机组的运行特性4.3 空气源热泵的结霜与融霜4.4 空气源热泵机组的最佳平衡点4.5 空气源热泵的低温适应性,第四章 空气源热泵空调系统,空气源热泵机组包括空气/空气热泵
15、机组和空气/水热泵机组。空气/空气热泵机组又称热泵型房间空调器，按其结构型式主要分为窗式、挂壁式、吊顶式、柜式等。主要介绍常用的挂壁式和柜式空气/空气热泵机组。空气/水热泵机组产品目前有空气源热泵冷热水机组和空气源热泵热水器。,4.1 空气源热泵机组,4.1 空气源热泵机组 空气/空气热泵机组,4.1 空气源热泵机组 空气/空气热泵机组,一拖一系统：一台室外机对应一台室内机。多联机系统：也称一机多室或一拖多是一种只用一台室外机组带动多台室内机组的系统，其室内机与一拖一的完全一样，但室外机一般较一拖一的要大一些，其工作原理与一拖一的类似。,4.1 空气源热泵机组 空气/空气热泵机组,空气/水热泵
16、机组产品目前有空气源热泵冷热水机组和空气源热泵热水器。空气源热泵冷热水机组作为空调冷热源，其优势在于：（1）冬夏共用，设备利用率高；（2）省去了一套冷却水系统；（3）不需另设锅炉房；（4）机组可布置在室外，节省机房的建筑面积；（5）安装使用方便；（6）不污染空气，有利于环保。,因此该机组在气候适宜地区的中小型建筑中得到了广泛地应用。,4.1 空气源热泵机组 空气/水热泵机组, 采用全封闭往复式压缩机的空气源热泵冷热水机组,4.1 空气源热泵机组 空气/水热泵机组,采用螺杆式压缩机的空气源热泵冷热水机组,4.1 空气源热泵机组 空气/水热泵机组,空气/水热泵机组产品目前有空气源热泵冷热水机组和空
17、气源热泵热水器。,4.1 空气源热泵机组 空气/水热泵机组, 使用寿命长，维护费用低：设备可实现无人操作。 适用范围广：可用于酒店、宾馆、工矿、学校、医院、桑拿浴室、美容院、游泳池、温室、养殖场、洗衣店、家庭等，可单独使用，亦可集中使用，不同的供热要求可选择不同的产品系列和安装设计。 应考虑冬季运行时室外温度过低及结霜对机组性能的影响。,4.1 空气源热泵机组 空气/水热泵机组,空气源热泵热水器有以下几个特点： 高效节能。 环保无污染：该设备是通过吸收环境中的热量来制取热水，所以与传统型的煤、油、 气等燃烧加热制取热水方式相比，应用场所无任何燃烧外排物，是一种低能耗的环保设备。 运行安全可靠：
18、整个系统的运行无传统热水器（燃油、燃气、燃煤）中可能存在的易燃、易爆、中毒、腐蚀、短路、触电等危险，热水通过高温冷媒与水进行热交换得到，电与水在物理上分离，是一种完全可靠的热水系统。,4.1 空气源热泵机组 空气/水热泵机组,4.2 空气源热泵机组的运行特性,空气源热泵的特性为：（1）当供水温度一定时，空气源热泵的制热量随着环境温度的升高而增加；其制冷量随着环境温度的升高而减小。但其功率通常情况下，都是随着环境温度的升高而增大。（2）当环境温度一定时，空气源热泵的制热量随着供水温度的升高而减少；其制冷量随着供水温度的升高而增加。但其功率均随着供水温度的升高而增大。但应注意：空气源热泵在制热工况
19、下，由于机组可能有结露或融霜问题，这将会使机组的制热性能更为复杂。,4.2 空气源热泵机组的运行特性,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,4.3.1 结霜的原因与危害4.3.2 结霜的规律4.3.3 延缓结霜的技术4.3.4 融霜的方法与控制方式4.3.5 结霜与除霜损失系数,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,4.3.1 结霜的原因与危害（1）结晶生长期 当空气接触到低于其露点温度的冷壁面时，空气中的水分就会凝结成彼此相隔一定距离的结晶胚胎。水蒸气进一步凝结后，会形成沿壁面均匀分布的针状或柱状的霜的晶体。这个时期霜层高度的增长最大，而霜的密度有减少的趋势。（2）霜层生长期 当柱状晶体的顶部开始分枝时
20、，就进入霜层生长期。由于枝状结晶的相互作用，逐渐形成网状的霜层，霜层表面趋向平坦。这个时期霜层高度增长缓慢，而密度增加较快。（3）霜层充分生长期 当霜层表面几乎成为平面时，进入霜层充分生长期。这以后，霜层的形状基本不变。,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,4.3.2 结霜的规律（1）结霜厚度、密度变化规律,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,4.3.2 结霜的规律（2）不同管排处结霜规律,不同管排处结霜量的变化,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,4.3.2 结霜的规律（3）迎面风速对结霜的影响,不同迎面风速下结霜量随时间的变化,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,4.3.2 结霜的规律（4）风量、换热量的
21、变化规律,风量随时间的变化,空气侧换热器换热量随时间的变化,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,4.3.2 结霜的规律（5）空气侧压降的变化规律,空气侧压降随时间的变化,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,4.3.3 延缓结霜的技术解决的途径有两种，一是设法防止空气侧换热器结霜，二是选择良好的除霜方法。抑制结霜主要有以下方法：（1）系统中增加一个辅助的室外换热器。（2）在系统的室内换热器中设置一个电加热器。（3）改进系统，提出新流程，如采用蓄能热气除霜系统等。（4）对室外换热器表面处理进行特殊处理。（5）适当增大室外换热器通过空气的流量。,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,4.3.4 融霜的方法与控制方
22、式空气源热泵结霜后必须采取有效的融霜方法，并采取可靠的控制方式融霜方式有：热气融霜法、电热融霜法、空气融霜法、热水融霜法等除霜控制的最优目标是按需除霜，实现机理是利用各种检测元件和方法直接或间接检测换热器表面的结霜状况，判断是否启动除霜循环，在除霜达到预期效果时，及时中止除霜。,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,4.3.4 融霜的方法与控制方式目前除霜控制方法主要有以下几种：（1）定时控制法。（2）时间温度法。（3）空气压差除霜控制法。（4）最大平均供热量法。（5）室内、室外双传感器除霜法。（6）自修正除霜控制法。（7）霜层传感器法。（8）模糊智能控制除霜法。目前改进除霜的技术措施及除霜控制方法
23、虽然很多，但在实际运行中仍很难做到按需除霜，除霜过程的稳定性与可靠性也远没有解决。,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,4.3.5 结霜与除霜损失系数结霜除霜损失系数的概念，定义： Df结霜除霜损失系数；COPf有结霜时的性能系数，COPf =上次除霜末到下次除霜始热泵供给的总热量/上次除霜末到下次除霜始输入热泵的总功；COPs室外换热器为干盘管时的热泵稳态性能系数。结霜温度区间平均结霜损失系数，定义为Dfm平均结霜除霜损失系数；Dfi室外温度为to i时的结霜除霜损失系数；Ni室外温度为to i时，以1为区间所出现的结霜除霜小时数，h。,4.3 空气源热泵的结霜与融霜,据此，我们可以根据平均结霜
24、损失系数，将我国空气源热泵机组适用地区分成4类： 低温结霜区：济南、北京、郑州、西安、兰州等。这些地区属于寒冷地区，气温比较低，相对湿度也比较低，所以结霜现象不太严重，一般平均结霜除霜损失系数在0.950以上。 轻霜区：成都、重庆、桂林等。其损失系数都在0.97以上。这表明，在这些地区使用热泵时，结霜不明显或不会对供热造成大的影响，热泵机组特别适合这类地区应用。,4.3 空气源热泵的结霜与融霜, 重霜区：如长沙。其结霜除霜损失系数为0.703。主要是因为该地区相对湿度过大，而且室外空气状态点恰好处于结霜速率较大区间的缘故。在使用空气源热泵供热时，应充分考虑结霜除霜损失对热泵性能的影响。 一般结
25、霜区：杭州、武汉、上海、南京、南昌、宜昌等。其结霜除霜损失系数在0.800.90左右。在使用空气源热泵供热时，要考虑结霜除霜损失对热泵性能的影响。,4.4 空气源热泵机组的最佳平衡点,评价空气源热泵用于某一地区在整个采暖季节运行的热力经济性时，常采用供热季节性能系数(HSPF)作为评价指标。,4.4 空气源热泵机组的最佳平衡点,(1) 最佳平衡点SQa整个供暖季节的辅助加耗电量，kWh；SQe整个供热季节加热总耗电，kWh；SW整个供暖季节的总耗功量，kWh；SQl供暖房间季节热负荷kWh；m以1为区间，划分供暖季温度区间数；Qa(Tj)第j个温度区间的辅助加热量，kW；W(Tj)第j个温度区
26、间空气源热泵消耗的功，kW；Q1(Tj)第j个温度区间的房间热负荷，kW；j第j个温度区间，j=1,2,3m；nj第j个温度区间的小时数；m以1为区间，划分供暖季温度区间数。,4.4 空气源热泵机组的最佳平衡点,（2）最小能耗平衡点E热泵热泵的一次能源利用系数；E锅炉锅炉的一次能源利用系数；COPyj热泵运行时所对应的季节性能系数；1火力发电厂效率；2输配电效率。,4.4 空气源热泵机组的最佳平衡点,中国建筑工业出版社,（3）最佳经济平衡点影响最佳经济平衡点的因素是很多的，如气候特性、负荷特性、能源价格结构、主机设备价格等。其中，气候特性、能源价格是影响最佳经济平衡点的重要因素，在确定最佳经济
27、平衡点时应给予足够的重视。,4.4 空气源热泵机组的最佳平衡点,中国建筑工业出版社,辅助加热辅助加热的方式有：电加热；用燃料燃烧来加热的加热器；用非峰值电力来储存的热量。,4.4 空气源热泵机组的最佳平衡点,中国建筑工业出版社,空气源热泵的能量调节,4.4 空气源热泵机组的最佳平衡点,中国建筑工业出版社,4.5 空气源热泵的低温适应性,空气源热泵在寒冷地区应用存在的问题我国寒冷地区冬季气温较低，而气候干燥。采暖室外计算温度基本在-5-15，最冷月平均室外相对湿度基本在4565之间。在这些地区选用空气源热泵，其结霜现象不太严重。因此说，结霜问题不是这些地区冬季使用空气源热泵的最大障碍。但却存在下
28、列一些制约空气源热泵在寒冷地区应用的问题（1）当需要的热量比较大的时候，空气源热泵的制热量不足。（2）空气源热泵在寒冷地区应用的可靠性差。（3）在低温环境下，空气源热泵的能效比（EER）会急速下降。,中国建筑工业出版社,改善空气源热泵低温运行特性的技术措施（1）在低温工况下，加大压缩机的容量多机并联 指采用多台压缩机并联运行。在低温工况下，用增加压缩机运行台数的方法，提高机组的供热能力。变频技术通过变频器的频率控制改变电机的转速。压缩机的输气量与电动机的转速成正比，若在低温工况下，提高交流电频率，则转速相应加快，从而使压缩机的输气量加大，弥补了空气源热泵在低温工况下制热量的衰减。变速电机热泵驱
29、动装置常用二速电机、三速电机，在低温工况下，通过用高速档，提高压缩机转速来加大机组的容量，从而提高机组在低温工况下的制热能力。,4.5 空气源热泵的低温适应性,中国建筑工业出版社,改善空气源热泵低温运行特性的技术措施（2）喷液旁通技术 作用：1热泵在低温工况下运行时，由于最低的蒸发温度、最高的冷凝温度和最大的过热度而引起的排气温度过高，旁通部分液体来冷却吸气温度，从而达到降低排气温度过高的目的；2热泵低压较低时，采用旁通部分液体来补偿低压，以保证热泵的正常运行。喷液旁通技术使用于螺杆压缩机和涡旋压缩机上。（3）加大室外换热器的面积和风量,4.5 空气源热泵的低温适应性,中国建筑工业出版社,改善空气源热泵低温运行特性的技术措施（4）适用于寒冷气候的热泵循环 两次节流准二级螺杆压缩机热泵循环,4.5 空气源热泵的低温适应性,（4）适用于寒冷气候的热泵循环 一次节流准二级涡旋压缩机热泵循环,4.5 空气源热泵的低温适应性,中国建筑工业出版社,（4）适用于寒冷气候的热泵循环 带中间冷却的两级压缩,4.5 空气源热泵的低温适应性,中国建筑工业出版社,（4）适用于寒冷气候的热泵循环 带有经济器的两级热泵循环,4.5 空气源热泵的低温适应性,（4）适用于寒冷气候的热泵循环 单、双级耦合热泵循环,4.5 空气源热泵的低温适应性,中国建筑工业出版社,
