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1、空气源、水源、水环热系统详解,1 空气源热泵 1.1概述 空气源热泵：以空气为低位热源的热泵。主要有：空气/空气热泵、空气/水热泵。,（一）空气源热泵的优缺点,优点：1.用空气作为低位热源，取之不尽，用之不竭，可无偿地获取。2.一机两用，冬季供热，夏季供冷。3.省了一套冷却水系统和锅炉。,4.可布置在室外，不占用建筑物的有效面积。5.安装方便，便于运行管理。6.设备的保护和控制系统完善，可靠性不断提高。,缺点：,1.机组性能随室外空气参数而变化，对性能系数影响很大。2.有结霜问题，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，需多的空
2、气量掠过蒸发器，每kW供热量需空气1200m3/h。,哈尔滨地区雨雪天气，热泵实际运行时室外侧换热器结霜照片,(二)空气源热泵的平衡点温度,图中O点称平衡点，tO为平衡点温度。(1)当tWtO时，供热量热损失，需采用辅助加热。(2)当tWtO时，供热量热损失，通过能量调节控制。(3)如采用变频调节、多台压缩机并联工作的台数调节。,tw,Q,（三）解决结霜问题的途径,空气源热泵在气温偏低且相对湿度较高的地区，运行时，空气侧换热器容易结霜，霜层增加了导热热阻，降低了换热器的传热系数，使流过换热器的空气流量降低，随着霜层的增厚，将出现蒸发温度下降，制热量下降，风机性能衰减，影响制热效率，严重时出现停
3、机，使机组不能正常工作。,1.防止结霜的方法,（1）系统中增加辅助的室外换热器；（2）系统中设置电加热器；（3）室外换热器表面处理；（4）增大室外换热器的面积。,2.除霜方法,(1)空气除霜，室外空气温度高于23采用；(2)电热除霜，将电加热器放置在蒸发器上；(3)气除霜，可把一部分高压制冷剂旁通到蒸发器进行除霜，也将供热工况转变为制冷工况进行除霜。,3.除霜控制方法,(1)定时除霜 长江流域40分钟一次，黄河流域30分钟一次，最长除霜时间50分钟一次。(2)温度（压力）时间法 当盘管表面温度降低到设定值，且与上一次除霜时间间隔达到一定值时开始除霜。,(3)空气压差控制法 测量通过换热器的空气
4、压差，当压差达到设定值时，开始除霜。(4)模糊控制除霜 采用模糊控制算法，使除霜控制自动适应环境参数的变化。,1.2 热泵型房间空调器,按结构型式可分为：热泵型窗式空调器、热泵型分体式空调器。1.热泵型窗式空调器,图4-2 热泵型窗式空调器的结构简图,图4-3 热泵型窗式空调器的原理图,2.热泵型分体式空调器,1-压缩机；2-四通换向阀；3-室外换热器；4-室内换热器；5-液体分离器；6-过滤器；7-主毛细管；8-副毛细管；9-单向阀；10-过滤器；11-室外机风机；12-室内机风机；13-融霜电磁阀,一台室外机带两台或三台室内机（一拖二、一拖三）系统。,1.3 空气源热泵冷热水机组,（一）型
5、式 1.按采用的压缩机类型分类往复式制冷压缩机热泵冷热水机组；螺杆式制冷压缩机（全封闭、半封闭）热泵冷热水机组，制冷剂为R22。,2.按机组结构类型分,组合式，如上海冷气机厂LSQFR系列；整体式，如上海合众开利30GQ系列。,（二）空气源热泵冷热水机组的系统与工作原理,1.采用全封闭往复式压缩机的空气源热泵冷热水机组,1-空气侧换热器；2-压缩机；3-四通换向阀；4-板式换热器；5-止回阀；6-气液分离器；7-单向膨胀阀；8-干燥过滤器；9-截止阀；10-贮液器；11-视液镜；12-电磁阀,2.采用螺杆式压缩机的空气源热泵冷热水机组,1-双螺杆压缩机；2-四通换向阀；3-空气侧换热器；4-贮
6、液器；5-干燥过滤器；6-电磁阀；7-制热膨胀阀；8-壳管式水侧换热器；9-液体分离器；10-止回阀；11-止回阀；12-电磁阀；13-制冷膨胀阀；14-电磁阀；15-喷液膨胀阀；16-止回阀,（三）空气源热泵冷热水机组的变工况特性,(1)额定制冷量环境温度为35，出水温度为7时的制冷量。额定制热量环境温度为7，出水温度为45时的制热量。实际运行中，由于环境温度不同，出水温度不同，使机组的制冷量和制热量也随之变化。,以上海冷气机厂生产的LSQFR-130机组为例，制冷工况变化如下：,变化规律：,1环境温度一定时，制冷量随出水温度的升高而增加，功耗亦增大；2出水温度一定时，制冷量随环境温度的升高
7、而下降，功耗随环境温度的升高而增加。,制热工况的变化如下:,变化规律：,1环境温度一定时，制热量随出水温度的升高而减小，功耗随出水温度的升高而增大；2出水温度一定时，制热量随环境温度的降低而降低，功耗随环境温度的降低而降低。,1.4 空气源热泵冷热水机组的应用场合与设计要点,（一）应用场合一般来说，按建筑气候区划分标准（GB50178-83）的类地区采用空气源热泵冷热水机组比较适合。室外空调计算温度-10以上的城市，建筑物1 万1.5 万平方米，冬季相对湿度不高的地区宜采用。,具体来说：,1.全年累计除霜时间大于1900小时，每kg湿空气累计除霜量大于26 kg，te-8的运行时间大于250小
8、时的地区不宜盲目推广使用，如北京、西安、济南、兰州等城市。(低温结霜区）2.全年累计除霜时间在10001900小时，每kg湿空气累计除霜量大于26 kg，te-8的运行时间为100150小时的地区应慎重小心地使用。如成都、长沙等城市。（重霜区）,3.全年累计除霜时间为5001000小时，每kg湿空气累计除霜量为720 kg，te-8的运行时间小于110小时的地区可大力推广使用，如上海、杭州、南京等城市。（一般结霜区）4.全年累计除霜时间小于500小时，供暖时间短，导致热泵投资效益低,可以使用。如桂林、重庆等城市。（轻霜区）,（二）设计要点,1机组选型(1)应根据负荷，确定平衡点温度，再确定机组
9、容量。(2)供热负荷系数=供热设计热负荷/热泵提供的供热量。(3)一般按供热负荷系数1.7左右设计，是比较可行和经济的。,2.辅助热源形式电加热器，分档开、关。燃油、燃气热水锅炉。3.防止结霜与除霜 一般来说，室外空气相对湿度70%，温度为3-5时，机组室外换热器就会结霜。选择设备时，要注意：(1)设备要有良好的除霜措施，如厦门国本公司有电脑除霜的程序。(2)要考虑除霜的额外能耗，将设备容量增大510%。,除霜方法存在的问题：,有的地区冬季雨加雪的天气持续时间较长，在t=-24，=8083%时，结霜非常快，te很快降到-5，但此时时间间隔尚未达到40 min的设定值，造成机组无法冲霜，霜层过厚
10、，机组自动保护停机。,冲霜10 min后，te5时，也开始正常供热，会造成除霜不彻底，解决办法：a.根据不同地区的气象条件，设定不同的除霜控制参数。b.智能型热泵机组模糊逻辑除霜控制，根据室外空气参数，可自动调节冲霜时间(如意大利RC空调有限公司)。,4.冷（热）水系统,（1）必须保证通过空气源热泵冷热水机组的水流量恒定。（2）采用一机一泵系统。（3）加平衡阀，保证水系统的平衡。,5.设备安装在通风良好的地方，避免气流短路。,机组的布置应注意：(1)机组与四周建筑物的距离。(2)机组之间的距离。(3)挡雨棚的设置。,2 地下水源热泵冷热水机组,2.1 组成与工作原理 1.水源热泵：以水作为低位
11、热源的热泵，是目前暖通空调中应用十分广泛的一种热泵装置。实质：水/水热泵。,2.特点：,(1)一机两用或一机三用。两用：冬季供热水，夏季供冷水；三用：供冷、供暖、供生活用水。(2)节能效果显著，与分体式空调加直接电采暖相比，节电可达50%75%。(3)环保效益显著，供暖区无污染。,2.2 对水源系统的要求,(1)水量充足，满足用户热负荷和冷负荷的要求；(2)水温适度，热泵工况 1222，不低于10；制冷工况1830。(3)水质适宜，防止腐蚀、磨损、堵塞；(4)供水稳定，蓄水量大。,2.3 地下水源的选择,工程所需的水量（由冷热负荷、地下水水温、可取的水温差决定）；根据工程、当地实际情况，判断是
12、否可以利用地下水源。1.适用的地下水水源条件：(1)水文地质特征：砂含水层、卵石含水层、岩石裂缝含水层；(2)地下水埋深在70 m以内，含水层厚度大于5 m。,2.注意地下水的水质,(1)地下水的温度水温随自然地理环境、地质条件及循环深度不同而变化。地壳平均地热增温率为2.5/100m。,(2)含砂量与浑浊度,危害：a.水源含砂量高对机组、管道和阀门有磨损；b.回灌会造成含水层堵塞；c.生产井堵塞。含砂量应小于20万之一，浑浊度小于200 mg/L。若用板式换热器，水源水中的固体颗粒粒径应小于0.5 mm。,3.水的化学成分及其化学性质,(1)地下水的PH值为6.58.5；(2)水中CaO含量
13、小于200 mg/L；(3)总矿化度小于3g/L；(4)希望水中Cl-小于100 mg/L；SO42-小于200 mg/L；Fe2+小于 1 mg/L；H2S 小于 0.5 mg/L。,2.4 人工回灌,1.人工回灌的目的(1)补充地下水源，调节水位，维持储量平衡。(2)回灌蓄能，如冬灌夏用，夏灌冬用。(3)保持含水层水头压力，防止地面下沉。,2.回灌应遵循的原则,(1)地下水应在封闭系统中输送。(2)部件应采用耐腐蚀的材料。如板式换热器选用不锈钢板片或钛板换热器。(3)管路上应装有采样用的压力表等。(4)定期对地下水化验。,3.地下水回灌方法真空回灌、重力回灌和压力回灌,(1)真空回灌是利用
14、非常低的静水位（低于地面10 m）形成真空进行回灌,含水层渗透性要良好。对于细颗粒含水层，回灌量一般为取水量的1/31/2；对于粗颗粒含水层，回灌量可达取水量的1/22/3。,(2)重力回灌依靠自然重力进行回灌，适用于低水位和渗透性良好的含水层。对于砂卵石含水层，其回灌量一般为取水量的50%；对于渗透性好的烁卵石层，回灌量可达取水量的75%90%。(3)压力回灌用于高水位和低渗透性的含水层进行回灌。缺点：回灌时对井冲击力强。回灌量Q（m3/h）与回灌压力p（kg/cm2）关系：P=0.00175Q,4.回扬：为了预防井管堵塞，及时清除井管的杂质，回灌以后，经常开泵排除回灌井中的堵塞物。(1)回
15、扬次数和回扬持续时间，主要取决于含水层颗粒的大小和渗透性。(2)在松散粗大颗粒含水层的回灌井，每周回扬12次。(3)在中、细颗粒含水层中的回灌井，每天回扬12次。(4)而对于细颗粒含水层中的回灌井，经常回扬。,5.井水的老化,(1)定义：随着时间的推移，生产井和回灌井的能力都会下降，甚至不能满足热泵运行的需要。(2)对于井的预期寿命，目前还没有普遍适用的方法，井的寿命和许多因素有关，主要有：a.当地的地质结构；b.赌住或封死过滤段的缝隙、砂石的孔隙大小；c.井周围的地下水流道的堵塞等。,(3)井水老化的原因：,a.砂堵：地下水流速过高，来自地下水流道的砂和粘土逐渐流向抽水井，导致抽水井砂堵。b
16、.腐蚀：井的构件不采用耐腐蚀的材料，很快会因腐蚀而损坏，从而导致水井失去功能。c.胶结：形成了碳酸盐，沉积在砂石和过滤管缝隙中。,d.岩化：呈溶解状态的铁、锰化合物，分解为不溶解的化合物而沉积在井附近或井中。e.化学岩化氧气将二价可溶解的铁，氧化成三价不可溶解的铁，将二价可溶解的锰，氧化成四价不可溶解的锰。f.生物岩化含铁和锰的细菌，吸取溶解在水中的二价的铁和锰，并排出不溶解的铁和锰化合物。,(4)防止水井快速老化的措施:,a.铁要进行防腐处理。b.井的过滤管必须深埋地下，即使水面严重下降，过滤管上边缘也要没入水面。c.回灌井过滤管长度、有效过滤面积，至少等于抽水管的35倍。d.每一口井必须设
17、有井窝，井窝直径约为1 m，深约1.3 m，用以安装井口装置。,2.5 地热尾水的利用,1997年统计，全国已发现地热点3200处，开发利用130处地热田，年开发地热水3.45亿m3。利用水源热泵可以回收地热尾水的热量。热源为地热井，水温68，水量125 m3/h。热泵主机为清华同方的GHP型水源空调机。冬季水温52/42，夏季水温7/12。,3 水环热泵空调系统,3.1 概述 1.定义：指小型的水/空气热泵机组的一种应用方式。即用水环路将小型的水/空气热泵机组并联在一起，构成一个以回收建筑物内部余热为主要特点的热泵空调系统。,20世纪80年代初，在一些外商投资的建筑中采用了水环热泵空调系统，
18、具有回收建筑物内余热，有利于节能，环保等优点。90年代，水环热泵空调系统在我国得到广泛发展。但是，设计经验不足，缺乏对该系统的深入了解。,3.2 室内小型水源热泵机组,机组形式：水平式（暗装）垂直式（暗装）落地明装、屋顶水平式容量范围供冷量：1.66 kW 81.0 kW；供热量：2.56 kW 75.5 kW；风 量：0.10 m3/s4.7 m3/s；,3.3 系统型式及工作原理,1系统型式（1）室内水源热泵；（2）水循环闭式环路（管路、循环泵等）；（3）辅助设备（冷却塔、加热设备、蓄热装置等）；（4）新风与排风系统。,2工作原理,水环热泵可以实现建筑物内余热的空间转移。制冷工况时使用冷却
19、装置；制热工况时使用加热设备；系统在不同的季节下按不同的工况运行。,水环热泵空调系统的运行工况,a）是夏季运行工况，此时所有房间均需要制冷，放出的热量由冷却塔放出，使水环路的水温保持32以下。b）是冬季运行工况，此时所有房间均需要供热，需要从水中吸收热量，这些热量须由加热装置供给。c）是春秋季运行工况，此时一部分房间均需要制冷，一部分房间需要供热。这时如果水温保持在1332之间，则无须开动加热设备或冷却设备。d）是建筑物内区常年需要制冷，而周边区冬季需要供热时，可利用内区的热量加热循环水，不足部分再开动加热设备补充。,3.4 系统的特点,（1）调节方便。（2）水系统是双管系统，与四管系统效果相
20、同。（3）建筑物热回收效果好。（4）系统布置简单，施工及运行管理方便。（5）系统运行费用低。,例如，日本曾作过统计，如果1.水环热泵空调系统的运行费用为100%,则a.两管制风机盘管系统为110%；b.四管制风机盘管系统为130%；c.双风道空调系统为140%；d.单风道空调系统为120%。,2.从耗电情况看：美国供电公司对康涅狄格州不同空调系统的调查情况,a.中央全空气系统 363.83 kWh/m2b.双风道空调系统 795.48 kWh/m2 c.变风量空调系统 400.43461.79 kWh/m2d.屋顶 空气/空气热泵系统 488.70 kWh/m2e.水环热泵空调系统 278.7
21、8 313.24 kWh/m2,3.5 水环热泵空调系统设计要点,1水/空气热泵机组容量的确定先计算建筑物冷、热负荷，选择中应注意：(1)室内水/空气热泵机组制冷量（或制热量）的大小是机组进风参数、风量、水环路进水温度、机组水量等参数的函数。设计时按实际运行工况来确定机组的容量。,(2)通常，将从室内水/空气热泵机组总制冷量中减去风机电动机的输入功率后的值称为机组的计算净制冷量。才是真正能消除室内余热的部分。(3)选择机组时，对周边区的房间来说，机组应同时能满足冬、夏季设计工况下的要求。对内区房间来说，机组仅按夏季设计工况选取。,2机组风道的设计,室内水/空气热泵机组均为余压型机组，设计水/空
22、气热泵机组风管时，应注意：（1）设计中要根据机组提供的机外余压值的大小来设计机组风管尺寸，否则将会影响机组的送风量。（2）一般来说，机组的机外余压不大，因此，风管中风速不宜过大，一般为2-3m/s。,3加热设备,(1)如果内区向环路释放的热量少于周边区从水环路吸取的热量时，环路中水温会下降，降至13时，必须投入加热设备。(2)目前，加热方式主要有两种：a是加热设备将热量加入循环管路的水中；b是加热设备将热量直接加入室内循环空气中。,4蓄热水箱,(1)在水环热泵空调系统中常设置低温（或高温）蓄热水箱，以改善系统的运行特性。(2)水环热泵空调系统通过水环路实现了热量的空间转移，然而，内区需要转移的
23、热量与周边区所需要的供热量之间很难平衡。,(3)水环路可设置一个低温蓄水箱，实现热量在时间上的转移，从而降低了冷却塔和水加热器的年耗能量。(4)冷却塔和水加热器的容量不能减少，因为恶劣天气时，机组按最大负荷运行。(5)高温蓄热水箱设置的功能是：利用夜间低谷期电加热水，以供白天用电高峰期使用，蓄热水箱内的水一般加热到82，甚至更高。,5.冷却装置,冷却装置有两种：1.封闭式冷却塔，冷却塔中通过喷淋降温的水与水源热泵空调系统中的换热器进行热交换，使循环水降温。2.开式冷却塔，目前用得比较多，且对中大型工程比较合适。,6.水环热泵空调系统的适用范围,1水源热泵空调系统适用于冬季不太冷又需供暖的地区。
24、2最适合于冬季内区热负荷较大的商场与办公楼。,3.全年绝大部分时间按制冷工况运行的场合，使用水环热泵与使用风机盘管系统相比，是不节能，不环保的。4.在建筑物有余热的条件下，水环热泵空调系统按供热工况运行时，才具有节能和环保意义。因此，在建筑物内区有余热，外区需要用热，时间越长，其节能效果越好。,5北方地区在建筑物内区面积大，内区负荷大的场合使用水环热泵空调系统是十分有利的。6.从建筑物功能上看，功能分区较多，对空调的使用时间和温湿度要求都不相同，这时采用水环热泵空调系统比较合适。,水环热泵空调系统作为一种可以回收建筑物余热的系统有很多优点，但一幢具体的建筑物到底是采用一般的空调系统还是水环热泵空调系统，应从节能和经济性两方面综合分析来确定。,
