第5讲热泵技术及其在建筑中的应用ppt课件.pptx

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1、第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,第一节 热泵的基础知识,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,第一节 热泵的基本知识,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,1.1热泵的定义,热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热能（如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等）转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的。,图1 热泵原理,第一节 热泵的基本知识,1.2热泵机组与热泵系统,图2 热泵系统框图,第一节 热泵的基本知识,1.2 热泵机组与热泵系统

2、,图3 典型地下水源热泵系统图,浅层低能采集系统 水源热泵机组 建筑物采暖空调系统,第一节 热泵的基本知识,1.3 热泵空调系统,图4 热泵空调系统,第一节 热泵的基本知识,热泵的评价,（1）热泵的设计工况（或额定工况）制热性能系数 对于蒸气压缩式热泵，其设计工况制热性能系数定义为（2）季节制热性能系数,第一节 热泵的基本知识,第二节 热泵系统的分类,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,第二节 热泵系统的分类,1.根据热泵在建筑物中的用途分类:（1）仅用作供热的热泵这种热泵只为建筑物采暖、热水供应服务；（2）全年空调的热泵冬季供热，夏季供冷；（3）同时供冷与供热的热泵；（4）热回收热泵空调它可

3、以用来回收建筑物的余热（内区的热负荷，南朝向房间的多余太阳辐射热等）。,第二节 热泵系统的分类,2.按低位热源的种类分类 空气源热泵系统、水源热泵系统、土壤源热泵系统、太阳能热源热泵系统、废热源的热泵系统、多热源的热泵系统。,3按驱动能源的种类分类 电动热泵系统，其驱动能源为电能，驱动装置为电动机；燃气热泵系统，其驱动装置是燃气发动机。4在热泵空调系统中常按低温端与高温端所使用的载热介质分类 空气/空气热泵系统、空气/水热泵系统、水/水热泵系统、水/空气热泵系统、土壤/水热泵系统、土壤/空气热泵系统。,第二节 热泵系统的分类,第二节 热泵系统的分类,热泵空调系统及典型图示,热泵空调系统及典型图

4、示,热泵空调系统及典型图示,第二节 热泵系统的分类,热泵空调系统及典型图示,第三节 热泵的节能效益和环保效益,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,热泵作为高效集热并转移热量的装置，它以消耗少量高质能（机械能、电能等）或高温位热能为代价，通过热力循环，把热能由低温位移至高温位，它最适合用于低位热能的回收和利用。由于热泵运转所需要的能量只是它提供的全部能量的一小部分，因此，它具有显著的节能效果，并对于合理利用能源、减轻环境污染具有重大的意义。,3.1 热泵的节能效益,第三节 热泵的节能效益和环保效益,热泵作为热源，其用能合理，可以利用一切自然能源和排热能源，提高能源的利用效率，节省矿物燃料等常规能

5、源，减少矿物燃料燃烧过程对生态环境的污染，对改进城市卫生，利于生态平衡有重大意义。热泵作为一种建筑节能新技术，它的广泛应用符合城市发展和环境保护的可持续发展要求。热泵在民用建筑中的应用就是综合利用太阳能、地热能、风能等绿色能源及其复合系统，全面解决建筑物供热、采暖、制冷空调等能耗问题。,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,3.1 热泵的节能效益,第三节 热泵的节能效益和环保效益,3.2 热泵的环保效益 热泵作为热源，其用能合理，可以利用一切自然能源和排热能源，提高能源的利用效率，节省矿物燃料等常规能源，减少矿物燃料燃烧过程对生态环境的污染，对改进城市卫生，利于生态平衡有重大意义。,第四节 空气

6、源热泵系统,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,第四节 空气源热泵系统,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,4.1 空气源热泵及其特点,图5 空气源热泵供热系统的特性,第四节 空气源热泵系统,4.2 空气源热泵在我国应用的适应性,要想研究最适合于北方寒冷地区使用的空气源热泵系统，就必须了解北方地区的实际气候特点，黄河流域、华北地区冬季采暖期间的气候特点见下表。,第四节 空气源热泵系统,由表可以看出：这些地区冬季采暖期较长，而且室外气温较低，空气源热泵要想不依靠辅助热源满足这一地区的冬季采暖需要，一般而言必须能够在-15左右的大气环境中长期高效、安全运行。但是这一段气温特别低的室外环境温度持续时

7、间又特别短，系统大部分时间还是运行在一个相对较高的室外温度环境下。,4.2 空气源热泵在我国应用的适应性,第四节 空气源热泵系统,综合考虑空气源热泵的冬、夏季的性能，压缩机的最佳压缩比一般均在3.54.0的水平，一般不超过7，这样在进行系统优化设计时，出于热泵系统安全性、经济性的考虑，现行的设计方案均存在一个供暖不保证时间，当外界温度低于一定值时，热泵系统停运，启动备用热源。应该说，相对于目前的热泵技术现状而言，这是一种较为合理的技术方案，问题是由于这一过程持续时间很短，备用热源（辅助电加热或者锅炉房）的存在对于用户而言实在是一块鸡肋，如果能够开发出一种空气源热泵既能保证在其冬季最大运行时段所

8、对应的效率最高，同时当室外温度较低时，仍能安全、经济运行，这样就可以省去后备热源，这样无论从初投资还是实际运行费用来看都是用户最希望看到的。,4.2 空气源热泵在我国应用的适应性,第四节 空气源热泵系统,近年来，在华北地区出现了一些使用空气源热泵系统的工程实例，这些实例均宣称能够在低温寒冷地区正常运行，但是由于这些地区冬季室外温度变化范围较大，为保证安全，系统设计一般均选用高压缩比（10）的压缩机，虽然这种系统在低温工况下制热效果良好，经济性也还不错，但是在室外温度稍高的条件下，或者夏季制冷运行时由于过压缩会导致系统效率下降较多，空调机组全年经济指标（SEER）有很大程度的降低，这种做法并不能

9、使用户真正地实惠，这种舍本逐末的做法对于热泵行业的持久发展是非常有害的。,4.2 空气源热泵在我国应用的适应性,第四节 空气源热泵系统,4.3 空气源热泵热水器,图8-6 空气源热泵热水器的工作原理,第四节 空气源热泵系统,第五节 地源热泵空调系统,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,第五节 地源热泵空调系统,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,5.1 地源热泵空调系统的分类,图8-8 地源热泵的分类,地源热泵系统型式 表17-4,5.1 地源热泵空调系统的分类,5.1 地源热泵空调系统的分类,5.1 地源热泵空调系统的分类,5.2 地表水源热泵的特点,地表水包括江水、河水、湖水、海水、水库水

10、等。热泵与地表水的换热方式有开路循环和闭路循环两种。开路循环是用水泵抽取地表水在换热器中与热泵的循环液进行热交换，然后再排入水体。其优点是系统简单，造价低，缺点是水质较差时在换热器中易产生污垢，影响传热，甚至影响系统的正常运行。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。闭路循环是把多组塑料盘管沉入水体中，热泵的循环液通过盘管与水体进行热交换。这样，可以避免水质不良引起的污垢和腐蚀问题。但这种系统也受到自然条件的限制。此外，由于地表水温度受气候的影响较大，当环境温度越低时，水源热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也越低。,一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，

11、需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热也需要考虑对水体中生态环境的影响。深水湖在夏季会产生温度的分层，湖底保持较低的温度，冬季湖面结冰后会限制湖水温度的下降。与其他型式的地源热泵相比，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是，在公共用的河道中使用时，管道或水中的其他设备容易受到损害。另外，如果湖泊过小或过浅，湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化，这就会产生制冷、供热能力及COP 的降低。,5.2 地表水源热泵的特点,第五节 地源热泵空调系统,5.3 地下水源热泵系统的特点,1.具有较好的节能性。2.具有显著的环保效益。3.具有良好的经济性。4.能够减少高

12、峰需电量。5.回灌是地下水源热泵的关键技术。,5.4 大地耦合热泵系统的特点,与空气源热泵相比，土壤耦合热泵系统具有很多优点。但从目前国内外对土壤耦合热泵的研究及实际使用情况来看，土壤耦合热泵系统也存在一些缺点。,第六节 污水源热泵系统,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,第六节 污水源热泵系统,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,6.1 污水源热泵的形式,所谓污水源热泵，主要是以城市污水做为提取和储存能量的冷热源，借助热泵机组系统内部制冷剂的物态循环变化，消耗少量的电能，从而达到制冷制暖效果的一种创新技术。与其他热源相比，污水源热泵的技术关键和难点在于防堵塞、防污染、与防腐蚀。污水源热泵型式

13、繁多，根据热泵是否直接从污水中取热量，可分为直接式和间接式两种。所谓的间接式污水源热泵是指热泵低位热源环路与污水热量抽取环路之间设有中间换热器或热泵低位热源环路通过水/污水浸没式换热器在污水池中直接吸取污水中的热量。而直接式污水源是城市污水可以直接通过热泵或热泵的蒸发器直接设置在污水池中，通过制冷剂气化吸取污水中的热量。,6.2 污水的特殊性及对污水源热泵的影响,（1）污水流经管道和设备（换热设备、水泵等）时，在换热表面上易发生积垢、微生物贴附生长形成生物膜、污水中油贴附在换热面上形成油膜、漂浮物和悬浮固形物等堵塞管道和设备的入口。其最终的结果是出现污水的流动阻塞和由于热阻的增加恶化传热过程。

14、（2）污水引起管道和设备的腐蚀问题，尤其是污水中的硫化氢使管道和设备腐蚀生锈。,6.2 污水的特殊性及对污水源热泵的影响,（3）由于污水流动阻塞使换热设备流动阻力不断增大，引起污水量的不断减少，同时传热热阻的不断增大又引起传热系数的不断减小。基于此，污水源热泵运行稳定性差，其供热量随运行时间延长而衰减。（4）由于污水的流动阻塞和换热量的衰减，使污水源热泵的运行管理和维修工作量大，例如，为了改善污水源热泵运行特性，换热面需要每日36次水力冲洗。有文献指出污水流动过程中，流量呈周期性变化，周期为一个月，周期末对污水换热器进行高压反冲洗。也就是说每月需对换热器进行一次高压反冲洗。,图9 污水源热泵型

15、式框图,6.3 原生污水水源热泵设计中应注意的问题,图8-10 污水干渠取水设施,1-污水干渠；2-过滤网；3-蓄水池；4-污水泵；5-旋转式筛分器；6-已过滤污水水泵；7-污水/制冷剂换热器；8-回水和排水管,6.4 防堵塞与防腐蚀的技术措施,由于城市污水源热泵的污水子系统是一个开式系统，而且污水污物浓度很大，高达3，这就要求适用于污水源热泵系统的防堵塞技术必须满足下述两点基本要求：（1）过滤面的连续再生：过滤总是容易的，但是针对污水而言，滤面的失效太快，通常不到一分钟。只有滤面的连续再生，才能保证过滤的连续正常运转。滤面的再生方法有很多，主要有水力、重力、机械方法。（2）污杂物的连续还原：

16、过滤下来的污杂物很多，很难处理，搬运会造成运行成本增加，处理不当容易造成二次污染，因此污物应当还原给污水，仍然由污水输运。也就是说污水热能利用之后仅仅造成污水温度改变，而其物理化学成分保持不变。,第七节 水环热泵空调系统,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,第七节 水环热泵空调系统,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,7.1 水环热泵空调系统的组成,图8-11 水环热泵空调系统原理图,1-水/空气热泵机组；2-闭式冷却塔；3-加热设备（如燃油、气、电锅炉）；4-蓄热容器；5-水环路的循环水泵；6-水处理装置；7-补给水水箱；8-补给水泵；9-定压装置；10-新风机组；11-排风机组；12-热回

17、收装置,7.2 水环热泵空调系统的运行特点,图8-12 运行工况,（a）冷却塔全部运行；（b）冷却塔部分运行；（c）热收支平衡；（d）辅助热源部分运行；（e）辅助热源全部运行1-水/空气热泵机组；2-冷却塔；3-辅助热源；4-循环泵,7.3 水环热泵空调系统的特点,（1）水环热泵空调系统具有回收建筑内余热的特有功能（2）水环热泵空调系统具有灵活性（3）水环热泵空调系统虽然水环路是双管系统，但与四管制风机盘管系统一样，可达到同时供冷供热的效果。（4）设计简单、安装方便。,7.3 水环热泵空调系统的特点,（5）小型的水/空气热泵机组的性能系数不如大型的冷水机组，一般来说，小型的水/空气热泵机组制冷

18、能效比EER在2.764.16之间，供热性能系数COP值在3.35.0之间。而螺杆式冷水机组制冷性能系数一般为4.885.25，有的可高达5.455.74。离心式冷水机组一般为5.005.88，有的可高达6.76。（6）由于水环热泵空调系统采用单元式水/空气热泵机组，小型制冷压缩机设置在室内（除屋顶机组外），其噪音一般来说会高于风机盘管机组。,第八节 热泵技术在大型公共建筑中的应用,第5讲 热泵技术及其在建筑中的应用,图13 热泵空调系统在建筑中的应用,8.1 热泵技术在建筑中的应用,8.2 热泵技术在建筑中的应用,目前国内大型公共建筑主要有几种供冷供热方式（地源热泵系统、燃煤锅炉+冷水机组、

19、燃气锅炉+冷水机组、燃油锅炉+冷水机组），比较这几种供冷供热方式的初投资、运行成本以及维护费用。大型公共建筑面积虽只占城镇住宅面积的22%，但大型公共建筑能耗是城镇住宅总能耗的1.09倍。而在大型公共建筑总能耗中，空调供热供冷耗能约占37%50%。,8.2 热泵技术在建筑中的应用,（1）初投资与运行成本比较 表1所示为地源热泵系统与其他几种冷热源模式初投资情况比较，图1更为直观地给出不同供热供冷方式的初投资比较。初投资计算包括从冷热源到管网到室内终端的所有投资项，地源热泵系统的供热初投资高于锅炉，但地源热泵可供热供冷，一机两用，占地面积小。,8.2.1 各种供热供冷方式分析,8.2 热泵技术在

20、建筑中的应用,（1）初投资与运行成本比较大型公共建筑供热供冷系统初投资公式为。F=A+B+C+D+E（1）式中：F为系统初投资；A为锅炉或热泵主机费用（万元）；B为配套辅机及设备费用（万元）；C为锅炉或热泵安装费用（万元），工程上一般取（A+B）30%；D为锅炉房或热泵机房安装费用（万元）；E为冷水机组费用（万元）。,8.2.1 各种供热供冷方式分析,8.2 热泵技术在建筑中的应用,（1）初投资与运行成本比较,8.2.1 各种供热供冷方式分析,当供冷供热面积小于1.5万m2时，地源热泵系统由于钻井与地埋管费用较高导致初投资较高，当供冷供热面积大于2万m2时，初投资低于其他形式冷热源。,8.2

21、热泵技术在建筑中的应用,（1）初投资与运行成本比较,8.2.1 各种供热供冷方式分析,当供冷供热面积小于1.5万m2时，地源热泵系统由于钻井与地埋管费用较高导致初投资较高，当供冷供热面积大于2万m2时，初投资低于其他形式冷热源。,8.2 热泵技术在建筑中的应用,（1）初投资与运行成本比较,8.2.1 各种供热供冷方式分析,图2所示的运行费用采用热经济法（即产生相同热量或者冷量所需要的经济折现），考虑不同能源热值、热效率以及价格进行经济折算所得。,8.2 热泵技术在建筑中的应用,（1）初投资与运行成本比较,8.2.1 各种供热供冷方式分析,由图2可得出在运行费用方面，燃煤锅炉+冷水机组最低。地源

22、热泵系统仅高于燃煤锅炉+冷水机组，就运行费用而言，较其他冷热源优势明显，并且目前一些地区已对地源热泵运行电价在现行电价基础上下调。总体而言，地源热泵系统运行费用相对于其他冷热源有一定优势。,8.2 热泵技术在建筑中的应用,（2）热泵系统运行费用与能源价格比较,8.2.1 各种供热供冷方式分析,运用全寿命周期成本方法分析热泵系统需要建立成本数学模型，考虑系统的建设费用和运行费用、维护成本和残值，并考虑各经济因素的修正，建立LCC计算的数学模型为。,8.2 热泵技术在建筑中的应用,（2）热泵系统运行费用与能源价格比较,8.2.1 各种供热供冷方式分析,8.2 热泵技术在建筑中的应用,（2）热泵系统

23、运行费用与能源价格比较,8.2.1 各种供热供冷方式分析,由此可计算出北京地区不同冷热源供冷供热LCC（见图3）,夏季制冷模式基本都以电能驱动，大型公共建筑制冷EER基本在3.24.5范围内，故运行费用差距不大。,8.2 热泵技术在建筑中的应用,8.2.2 热泵系统技术性分析,上述几种供冷供热方式分析是从热泵系统的能效出发，通过热泵系统与常规系统的比较分析，得出了热泵系统节能以及经济方面优势，但不同气候等因素对热泵运行影响不同（如空气源热泵结霜对运行过程的动态影响）。所以，热泵系统实际运行能效、节能潜力等与系统设计及运行状况有很大的关系。笔者通过几种热泵形式在大型公共建筑的应用总结各自优缺点（

24、见表3）。,8.2 热泵技术在建筑中的应用,8.2.2 热泵系统技术性分析,8.2 热泵技术在建筑中的应用,根据综合分析，在国内不同区域大型公共建筑供冷供热方式给出以下几点建议：1）我国北部地区（内蒙古地区、新疆北部以及兴安岭地区多为严寒地区），建议严寒地区大型公共建筑可采用燃煤锅炉+冷水机组供热供冷。比如在哈尔滨和海拉尔地区，可连接城市供热管网供热，在室内安装空气源热泵供冷。,8.2.3 不同供热供冷形式在不同地区的应用建议,8.2 热泵技术在建筑中的应用,根据综合分析，在国内不同区域大型公共建筑供冷供热方式给出以下几点建议：2）在东部沿海地区或者临河、沿湖区域，如果法律允许可采用水源热泵形

25、式一体化供热供冷，具体水源热泵形式根据具体地方具体分析。比如上海和青岛等地区均可采用水源热泵。,8.2.3 不同供热供冷形式在不同地区的应用建议,8.2 热泵技术在建筑中的应用,根据综合分析，在国内不同区域大型公共建筑供冷供热方式给出以下几点建议：3）我国年平均日照时数的分布形势是东南少而西北多，从东南向西北增加。大致秦岭淮河以北和青藏、云南高原东坡以西的高原地区年平均日照时数都在2200h以上。在光照充裕的地区太阳能作为使用能源可减少其他能源使用量，所以，在年平均日照时数大于2000h的地方，可投入使用太阳能辅助热泵，达到一机三用的效果。,8.2.3 不同供热供冷形式在不同地区的应用建议,8

26、.2 热泵技术在建筑中的应用,根据综合分析，在国内不同区域大型公共建筑供冷供热方式给出以下几点建议：4）在长江以南地区，如果水源热泵条件不允许，可采用土壤源热泵形式或空气源热泵形式，比如在重庆及昆明地区，室外空气、土壤温度较高，可以采用空气源或者土壤源热泵形式。,8.2.3 不同供热供冷形式在不同地区的应用建议,8.2 热泵技术在建筑中的应用,根据综合分析，在国内不同区域大型公共建筑供冷供热方式给出以下几点建议：5）由于我国燃煤普遍、以及煤资源分布较为广泛且质量各异，所以，受产地、品质以及运输因素影响，国内不同区域煤炭价格差异较大。在中部不临河沿湖地区，但煤炭资源充足的地方，考虑到燃煤的成本低与燃煤供热系统成熟等因素，如大同和平顶山地区，可采用燃煤锅炉集中供热+冷水机组的方式。,8.2.3 不同供热供冷形式在不同地区的应用建议,8.2 热泵技术在建筑中的应用,根据综合分析，在国内不同区域大型公共建筑供冷供热方式给出以下几点建议：6）在不临近水源，并且燃煤资源相对匮乏的地区，比如北京地区，建议采用空气源或地源热泵。7）我国油气资源集中在渤海湾、松辽、鄂尔多斯、珠江口和中西部地区。在西部地区一般油气资源较为丰富，并且相对于其他地方运输困难，可采用燃气锅炉+太阳能辅助供冷供热方式。,8.2.3 不同供热供冷形式在不同地区的应用建议,