（工程热物理专业论文）自然工质热泵循环和地源热泵运行特性研究.pdf

中文摘要 本文以自然工质热泵循环性能和地源热泵运行特性为研究对象，从工质和 热源的角度，开展了资源与环境可持续发展的热泵基础理论研究和实验研究， 重点研究和分析了c 0 2 地源热泵和r 2 2 地源热泵的基本特点和运行规律。主要 研究内容包括： 1 自然工质热泵循环性能分析 对自然工质c o ：、氨、碳氢化合物、水作为热泵工质的特点进行了评价与分 析，重点对c 0 ：跨临界热泵循环性能的主要特征和影响因素进行了理论分析和研 究。提出了c o ：跨临界热泵循环主要工况参数的确定方法和原则，运用当量冷凝 温度，对不同工质热泵的循环性能进行了分析比较，指出在中高温热泵应用领 域，c o ：热泵可以取得和传统工质热泵相竞争的优势。通过对双级压缩带膨胀机 c 0 ：跨临界热泵循环的研究，探讨了旨在提高c o 。跨临界循环热泵效率的途径与 措施。开展了水压缩式热泵的理论研究，指出以水为工质的热泵循环，应采用 三级或多级压缩的方式。对丙烷和异丁烷热泵的循环特征进行了理论分析与总 结。 2 地源热泵运行特性理论分析 针对以土壤为热源和热汇的特点，运用热力学的方法，对r 2 2 涡旋压缩式 地源热泵和c o 。地源热泵的运行变化规律进行了理论研究，提出了c o ：地源热泵 机组型式的确定方法，研究和探讨了地源热泵运行参数和运行控制策略的确定 方法，指出c o 。地源热泵宜根据气体冷却器进水温度进行压力控制和容量调节， 并提出了具体的运行压力控制公式。根据c o 。热泵的实验结果，拟合出了c 0 2 压 缩机等熵效率公式，对影响c o ：热泵实验样机效率的因素进行了分析和研究。 3 地源热泵实验研究 建立起具有两眼1 2 0 m 深埋管井和4 眼测温辅井的地源热泵实验装置，热泵 机组采用r 2 2 涡旋压缩机，a r i 标定工况制冷量为2 1 8k w 。实验系统工艺流程 和数据采集与处理系统，可以满足不同季节、不同运行条件下的地源热泵实验 要求。开展了r 2 2 地源热泵的冬季工况和夏季工况的运行特性实验研究，重点 对地下温度场变化规律、地下埋管换热器特性和地源热泵系统循环性能的实验 结果进行了总结和分析。 4 地源热泵模拟方法与模型验证 在地源热泵运行特性理论研究和实验研究的基础上，依据圆柱源理论，建 立起了变热流条件下，耦合地面热泵机组和地下埋管换热器特性的r 2 2 和c o ： 地源热泵系统的模拟模型，该模型可用于地源热泵系统的逐时运行特性模拟和 全年能耗分析。模型验证结果表明，模拟结果与实验数据具有较高的吻合程度， 表明所建模型可用于地源热泵系统的方案规划、运行控制和全年能耗分析等方 面。 5 地源热泵运行特性模拟与能耗分析 运用所建模型，对r 2 2 地源热泵系统的全年运行特性进行了模拟研究，开 展了不同土壤、不同回填材料、不同埋管长度和不同负荷容量比例的地源热泵 系统的模拟研究和能耗分析，指出地源热泵的节能和安全可靠运行，必须建立 在经过有效性和可靠性验证的模拟基础之上。c o ：地源热泵的模拟研究结果表 明，自然工质c o 。应用于以土壤为热源的热泵系统时，完全可取得和r 2 2 地源热 泵相接近的运行节能效果。 关键词：自然工质热泵；c 吼跨f 临界循环；地源热泵；运行特性 l i a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e st h ec o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ( c o p ) o fh e a tp u m pw i t h n a t u r a lr e f r i g e r a n t sa n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p t h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l y t h es t u d yc o n s i d e r st h ei n f l u e n c eo fr e f r i g e r a n t sa n dh e a ts o u r c ef r o mt h e v i e wo fp o i n to fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t t h e w o r kf o c u s e so nt h er e s e a r c ho i lt h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c eo ft h eh e a tp u m p u s i n gc 0 2a n dr 2 2a sw o r k i n g f l u i d s a n dt h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g 1 r e s e a r c ho ft h ec o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e o f t h eh e a tp u m pw i t hn a t u r a lr e f r i g e r a n t s t h ep r o p e r t i e so fn a t u r a lw o r k i n gf l u i d ss u c ha sc a r b o nd i o x i d e ，a m m o n i a ，h y d r o c a r b o n a n dw a t e ra sh e a tp u m pr e f r i g e r a n t sa r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d t h ef u r t h e ra n a l y s i so nb a s i c p r o p e r t i e so ft h ec o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c eo fc 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l eh e a tp u m pa n dt h em a i n e f f e c tf a c t o r sa r ep r e s e n t e d t h em e t h o d sa n dt h e p r i n c i p l e s t oc o n f i r mt h em a i no p e r a t i o n c o n d i t i o no fc 0 2t r a n s c r i t i c a lh e a t p o m pc y c l e a r e p r o p o s e d t h r o u g hc o m p a r i s o n so n t h e c o e f f i c i e n t so fp e r f o r m a n c eo fh e a tp u m p sw i t hd i f f e r e n tr e f r i g e r a n t sb a s e do nt h ee q u i v a l e n t c o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h e r ea r es o m ea d v a n t a g e sf o rc 0 2h e a t p u m pt oc o m p e t et ot h ec o n v e n t i o n a lr e f r i g e r a n th e a tp u m pi nt h ec o n d i t i o no ft h em i d d l ea n d h i g ht e m p e r a t u r ea p p l i c a t i o n t w o - s t a g ec o m p r e s s i o nc 0 2 t r a n s c r i t i c a lh e a tp u m p c y c l ew i t ha n e x p a n d e ri ss t u d i e di no r d e r t of i n dt h ew a y sa n dm e a s u r e st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ec 0 2 h e a tp u m p m e a n w h i l et h ec o m p r e s s i o nt y p eh e a tp u m pc y c l ew i t hw a t e ra sa r e f r i g e r a n ti s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h et h r e e s t a g eo rm u l t i - s t a g ec o m p r e s s i o n t y p em a yb eag o o do p t i o nw h e nt h e h e a tp u m pw i t hw a t e ra sar e f r i g e r a n ti s a p p l i e d t h e p r o p e r t i e s o fc o e f f i c i e n t so fp e r f o r m a n c eo fh e a t p u m p sw i t hp r o p a n e a n di s o b u t e n ea r e s u m m a r i z e d 2 a n a l y s i so f t h e o p e r a t i n g p e r f o r m a n c eo ft h eg r o u n ds o u r c eh e a t p u m p a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es o i la st h eh e a ts o u r c ea n ds i n k ，t h eo p e r a t i o nr u l e s a r es t u d i e do nt h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pw i t hs c r o l lc o m p r e s s o ra n dr 2 2a sac o o l a n ta n dt h e o n ew i t hc 0 2a sar e f r i g e r a n tb a s e do nt h et h e r m o d y n a m i c s t h em e t h o d sa r eb r o u g h tf o r w a r d a n dd i s c u s s e dt om a k ec e r t a i nt h et y p eo ft h ec 0 2 g r o u n ds o u r c eh e a tp u m pu n i t ，t h eo p e r a t i o n p a r a m e t e r sa n dt h ec o n t r o lm a n e u v e r so fp e r f o r m a n c eo ft h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p t h e a n a l y s i s s h o w st h a tt h e c a p a c i t yr e g u l a t i o n a n dt h e p r e s s u r e c o n t r o lb a s e do nt h ei n l e t t e m p e r a t u r eo ft h eg a sc o o l e rc a nb eab e t t e rc o n t r o lm e t h o df o rc 0 2g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p a n dt h ep r e s s u r ef o r m u l af o ro p e r a t i o nc o n t r o li sa l s op r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t so fc 0 2h e a tp u m p ，t h ec o r r e l a t i o no fi s e n t r o p i ce f f i c i e n c yo ft h ec 0 2 c o m p r e s s o ri sg i v e n a n dt h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h ee f f i c i e n c yo ft h ep r o t o t y p eo ft h ec 0 2h e a tp u m pa r e a n a l y z e d 1 i t 3 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o ft h eg r o u n ds o u r c eh e a t p u m p t h ee x p e r i m e n t a lg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p s y s t e mh a sb e e ns e tu p ，w h i c hc o n s i s t so ft w ow e l l s w i t hu t u b e si n s e r t e di n t o1 2 0 md e e pb o r e h o l e sa n df o u ra s s i s t a n tw e l l sf o rt e m p e r a t u r et e s t t h ec o o l i n gc a p a c i t yo ft h eh e a tp u m pu n i tw i t hr 2 2s c r o l lc o m p r e s s o ri s2 1 8 k wa tt h ea r i s t a n d a r dc o n d i t i o n t h et e c h n i c a lm a n e u v e r so ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h ed a t aa c q u i s i t i o n a n dm a n a g es y s t e m sc a nm e e tt h ed e m a n d so ft h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pe x p e r i m e n t sa t d i f f e r e n ts e a s o n sa n dv a r i o u so p e r a t i o nc o n d i t i o n s e x p e r i m e n t so no p e r a t i o np r o p e r t yo ft h e g r o u n ds o u r c eh e a tp u m pw i t hr 2 2w e r ec o n d u c t e da t t h ew i n t e rc o n d i t i o na n dt h es u m m e r c o n d i t i o nr e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so nt h ec h a n g eo fg r o u n dt e m p e r a t u r ep r o f i l e ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so fu - t u b eg r o u n dh e a te x c h a n g e ra n dt h ec o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c eo ft h e g r o u n ds o u r c eh e a tp u m pc y c l ea r ea n a l y z e da n d s u m m a r i z e di ns p e c i a l 4 e s t a b l i s h m e n ta n dv a l i d i t yo ft h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mm o d e l a c c o r d i n gt o t h ec o l u m ns o u r c et h e o r ya n dw i t ht h e h e l po fe x i s t i n gt h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so ft h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ，t h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h eg r o u n d s o u r c eh e a tp u m pw i t hr 2 2a n dc 0 2a sr e f r i g e r a n t sh a v eb e e nb u i l ta tt h ev a r i e dh e a tf l u x c o n d i t i o n ，w h i c hc o u p l ep r o p e r t i e so fh e a tp u m pu n i t sa n dt h eg r o u n dh e a te x c h a n g e r s t h e m o d e lc a bb eu s e dt os i m u l a t et h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ph o u rb y h o u ra n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h es y s t e my e a rb yy e a r t h es i m u l a t e dr e s u l t sb a s e do bt h e m o d e la r eq u i t ec l o s et ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i c hs h o w st h a tt h em o d e li sv i a b l ea n dc a nb e u t i l i z e di nt h el a y o u to ft h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pp r o j e c t s ，o p e r a t i o nc o n t r o la n de n e r g y c o n s u m p t i o na n a l y s i sa n d e t e 5 s i m u l a t i o no fo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pa n dt h e e n e r g yc o n s u m p t i o na u a l y s i s b ym e a n so ft h es i m u l a t i o nm o d e l ，t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r o u n ds o u r c eh e a t p u m p w i t hr 2 2a sr e f r i g e r a n t si no n ey e a ra r es i m u l a t e d t h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m s w i t hd i f f e r e n tb a c k f i l lm a t e r i a l s ，g r o u n dt u b e sa td i f f e r e n tl e n g t h ，i nd i f f e r e n ts o i l sa n dv a r i e d l o a dr a t i o s a r es i m u l a t e da n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i so ft h e s es y s t e m sa r e a l s o c o m p l e t e d t h er e s u l t s d e m o n s t r a t et h ev a l i d i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h es i m u l a t i o no ft h e g r o u n ds o u r c eh e a tp u m pa r ei m p o r t a n tt o a s s u r et h ee n e r g ys a v i n ga n ds a f eo p e r a t i o no ft h e s y s t e m i na d d i t i o n ，t h es i m u l a t e dr e s u l t so f t h ec 0 2g r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps h o wt h ee n e r g y s a v i n ge f f e c to ft h ec 0 2g r o u n d s o u r c eh e a tp u m pc a na p p r o a c ht h a to ft h es y s t e mw i t hr 2 2a sa r e f r i g e r a n t k e yw o r d s ：h e a tp u m pw i t hn a t u r a lr e f r i g e r a n t s c 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l eg r o u n ds o u r c e h e a tp u m p o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘鲎或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已存 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 易墨涮 签字同期：d ，工年，2 月，同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘注盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：主孝列 签字日期：0 2 年，；月，日 引币链电9 火 导师签名： 二 签字日期：钞口1 年月哆f _ _ f 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 2 1 世纪人类面临的最大挑战就是能否实现可持续发展，实现可持续发展是 世界各国共同面临的重大和紧迫任务。所谓可持续发展，就是指既满足当代人 需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。在追求经济发展和提 高当代人生活质量的同时，应该考虑资源的永续利用、生态环境的保护和社会 的均衡发展。 在制冷空调领域，适应可持续发展的要求，面对臭氧层耗减和全球温暖化 进程加剧所造成的日益严峻的全球环境问题，在满足人们健康、舒适要求的前 提下，优化能源结构，提高能源利用率，可持续开发利用可再生能源，减少常 规能源消耗，显得尤为迫切和重要。适应这一要求，作为空调冷热源中能源转 换效率最高的热泵应用技术，正受到人们的日益重视和关注。 1 1 1全球能源需求现状及对环境的影响 能源是促进经济发展的动力，是人类可持续发展的熏要保证。2 0 0 0 年，世 界煤的总产量已达到了2 3 亿t o e ，石油的总产量为3 5 9 亿t ，天然气为2 4 2 2 3 亿m 3 ，水力发电年发电量为2 4 0 0 t w h 。核电年发电量为2 2 7 6 t w h 可再生能源 可提供1 2 0 万t o e 的能量【1 1 。1 9 9 8 年世界一次能源供给的比例为【2 】：石油3 5 7 ， 煤炭2 3 3 ，天然气2 0 - 3 ，核电6 7 ，水电2 3 ，可燃气回收1 1 2 。其 它0 4 。 经济发展和人口增长将促使能源需求增加，而能源利用技术的进步将降低 能源强度( 单位国民生产总值所消耗的能源) ，从而缓和日益增长的能源需求。 据推算 2 】，到2 0 2 0 年全球能源需求量为1 5 0 亿t o e ，全球消耗的煤炭、石油和天 然气将分别达到3 8 、5 3 和3 5 亿t o e 。 能源的过度开发与消费累计的效应，产生了制约经济发展和影响人类生存 的环境污染问题，温室气体排放所引起的气候变化己对全球生态和人类社会发 展构成了严峻挑战。直接受人类活动影响的主要温室气体是二氧化碳、甲烷、 氯氟烃( c f c s ) 等，其中主要由化石燃料燃烧和森林砍伐所产生的二氧化碳排 放是全球气候变暖的主要因素。据l e a 计算【”，1 9 9 5 年由人类活动释放到大气 中的二氧化碳总排放量为2 2 0 亿t ，j h o u g h t o n 估计【”，其中的大约4 5 留在大 气中。在人类活动成为一种重要的扰动之前，在比地质年代时间尺度短的时期 天津大学博士论文 内，各个碳库之间的交换是相当稳定的。在1 7 5 0 年前后工业化开始前的几千年 内，一直维持着一个稳定的平衡。冰芯测量结果表明 5 1 ，那时大气中二氧化碳 浓度的平均值约为2 8 0 p p m v ，变化则保持在大约l o p p m v 以内。工业革命打乱了 这一平衡【4 1 造成了大气中二氧化碳浓度增加了3 0 左右，即从1 7 0 0 年前后的 2 8 0 p p m v 增加到目前的3 6 0 p p m v 。 二氧化碳等温室气体的大量排放加剧了全球变暖的趋势，1 8 6 0 年以来，全 球平均温度发生了0 3 0 6 。c 的增幅| 5 】。由于气候变暖，造成了且前环境正以许 多方式发生退化，加剧了全球的生态环境危机。 减缓气候变化的根本措施主要是减少人为温室气体排放和增加温室气体的 吸收汇。为此，最近1 0 年来，国际社会在法律、经济政策和技术等领域做出了 不懈的努力。自1 9 9 2 年巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展首脑大会以来， 在联合国框架内，先后签署和生效了里约宣言、2 1 世纪议程，联合国气 候变化框架公约和京都议定书等重要的国际法律文书，2 0 0 2 年8 月2 6 曰又在南非约翰内斯堡召开了联合国有史以来规模最大的可持续发展首脑会 议。1 0 年过去了，尽管人们已经意识到可持续发展的重要性，但可持续发展状 况并不令人满意。1 0 年中，全球森林面积减少了2 2 ：世界主要江河一半以上 水流量大幅减少或被严重污染，全球4 0 的人口严重缺水，由于环境因素的灾 害加重，死于与环境污染有关的疾病人数不断上升1 6 l 。 由于煤炭、石油等化石燃料燃烧是造成气候变暖的重要因素，因此，自2 0 世纪9 0 年代以来，国际上已经出现了能源结构调整和优质化的趋势，以节约资 源、环保和可持续发展理念的新能源革命正在兴起f 2 、7 12 1 。坚持节约与开发并 举，高效利用常规能源，逐步提高优质能源消费比重，积极开发利用可再生能 源，逐步建立起多元化的能源供应体系，是当前能源领域发展的一个基本趋势。 我国的资源状况、能源供需关系和能源结构现状，决定着我国在能源发展 上同样必须坚持走可持续发展的道路。我国人口众多，能源资源相对匮乏。随 着国民经济的持续快速健康增长，能源消费总量会继续增加，能源供需缺口将 逐步加大。在我国能源生产和消费结构中，长期以来煤的比例均占到7 0 以上， 以煤炭作为主要能源，造成我国严重的大气污染1 3 l 。 受资源条件的限制，我国未来能源结构中煤炭仍将是其主要能源，因此， 我国的能源发展必须坚持可持续发展的节能战略。其次，必须坚持可持续发展 能源优质化战略，加大清洁能源在我国能源结构中的比例，积极发展新能源与 可再生能源1 1 “。 第一章绪论 1 1 2 空调冷热源选择及对能源和环境的影响 1 9 9 9 年我国建筑能耗占社会总能耗的2 0 2 5 ，面在西方发达国家，建 筑能耗般占全国总能耗的3 0 4 0 。建筑能耗对温室气体的排放有着重要 的影响【1 4 】。以日本为例【1 5 】，在所有温室气体相当于c 0 2 的排量中，建设业占4 1 _ 3 ，其中建筑业占3 2 9 。在建筑能耗中，采暖和空调能耗占主要的比例，一 般为5 0 7 0 。所以空调冷热源的选择，对能源发展和环境有着重要的影响。 根据我国当前空调冷热源的使用方式，文献【1 5 推算，暖通空调在我国温室气体 排放中的贡献率约在1 5 以上。 图1 1 日本建筑业c 0 2 排放量在总量中的比例图1 2 空调系统与空调建设期年间c 0 2 排放 文献【1 5 】通过对某典型办公楼建筑物的寿命周期c 0 2 排量可得出图1 2 所示 的结果。 从图1 2 中可以看出，空调设备运行中冷热源排放的c 0 2 等温室气体量最 多，占总量的5 3 ，约在5 k g c m 2 a 范围内，空调输送动力设备等耗电所引起 的排放量占2 6 ，这两项共计7 9 。而建设期c 0 2 排放则主要是因原材料加工 制造所造成的，其总量仅占5 。由此可知，抑制建筑物对环境负荷的压力，即 温室气体排放，与空调冷热源方式关系很大。 在空调节能领域，可通过以下三个途径实现c 0 2 的减排：( 1 ) 采用高效节 能的空调冷热源方式和空调系统的运行方式；( 2 ) 在空调系统中，应兼顾热舒 适、室内空气品质( i a q ) 和节能的要求；( 3 ) 采用c 0 2 排量小的能源，包括 扩大新能源的应用范围。 除此以外，臭氧层耗减更是一个与空调冷热源选择紧密相关的全球环境问 题。2 0 0 0 年南极臭氧洞面积创历史新纪录，达到了2 9 3 0 x 1 0 4 k m 2 ，并已扩展到 智利南部上空1 。关于臭氧层耗减的原因，目前公认的观点是1 9 7 4 年由m o l i n a 与r o l a n d ”l 提出的氯氟烃类物质破坏臭氧层的理论。c f c 与h c f c 的替代已成 天津大学博十论文 为当前国际性的热门话题。 在选择建筑物空调冷热源时，应从寿命、能效、成本、能源结构和能源环 保政策等多方面加以考虑。全球变暖问题、臭氧层耗减，是空调冷热源燃料品 种结构、制冷工质选择中的重要制约因剥1 0 1 51 8 砣4 1 。 我国空调冷热源技术当前正处于转型和过渡时期，学术交流、学术争论和 应用开发都非常活跃。实际上，任何一种空调冷热源方式，都有其自身的缺陷 和局限性。在空调冷热源方式的选择上，除了考虑技术和经济因素以外，应该 给予更多的自然和人文关怀，应该从可持续发展的角度、从对资源、环境长期 影响的角度做出审慎地战略性的研究，这也是我国制冷空调学界应有的道义和 责任。在空调冷热源方式的选择上，不负责任或受短期和局部利益驱动的结论 与决策，以及漫不经心的行动都有可能引发新的资源与环境问题。面临日益严 峻的全球环境问题，空调冷热源方式的选择取向，需要我们做出不懈的努力和 探索。毕竟，地球是我们输不起的实验室。 1 2 资源环境可持续发展的热泵技术 1 2 1 热泵定义 所谓热泵，即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 2 5 】。利用热泵，可以把不能直接利用的低品位热能( 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。热泵是一种高 效节能的建筑物空调冷热源装置，利用热泵可实现建筑物的冬季供热和夏季供 冷，或单独实现供热的功能。 热泵可按工作过程、热源和热汇、驱动方式等分类i 2 6 】。关于按热源的分类 方法，迄今为止尚未有统一的标准，不同的文献，所指对象往往有所差别。就 目前相关文献分析，按热源分类的方法主要有两种： 1 。空气源热泵( a i rs o u r c eh e a tp u m p ) ；水源热泵( w a t e r s o u r c eh e a tp u m p ) ， 包括地下水源热泵( g r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m p )以土壤为热源的地源热泵 或地热耦合热泵( g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ，g r o u n dc o n p l e dh e a tp u m p ，g e o t h e r m a l h e a tp u m p ) 。 2 空气源热泵( a i rs o u r c eh e a tp u m p ) ：水源热泵( w a t e r s o u r c eh e a tp u m p ) ， 主要是指江河湖海等地表水为热源的热泵；地源热泵( g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ) ， 包括地下水源热泵( g r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m p 、) 和土壤热交换器地源热泵 ( g r o u n d s o u r c eh e a tp u m pw i t hg r o u n dh e a te x c h a n g e r ，g r o u n ds o u r c ec l o s e d l o o p 一一 笙二至堕堡 h e a t p u m p ，g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p ，g e o t h e r m a lc o u p l e dg r o u n ds o u r c eh e a t p u m p ) 第一种分类和第二种分类方法地主要区别在于水源热泵和地源热泵的定义 范围，具体来说，即地下水源热泵的归类的不同。在美国a s h r a e 学会出版的 地源热泵工程技术指南【2 7 】一书中，更是将地表水源热泵、地下水源热泵和 土壤热交换器地源热泵都归结为地源热泵的三种不同形式。相对而言，国外近 年发表的关于埋管换热器研究和特性模拟等学术论文中，所指地源热泵，一般 为土壤源热泵。 事实上，以地表水、地下水和土壤为热源的热泵系统，热泵的运行工况和 影响因素，有着很大的不同。a r i ( a i r c o n d i t i o n i n g a n d r e f r i g e r a t i o ni n s t i t u t e ) 针对上述三种热源形式，1 9 9 8 年分别制定了水源热泵( w a t e r s o u r c eh e a tp u m p a r l 3 2 0 ) 1 2 8 1 、地下水源热泵( g r o u n d w a t e r s o u r c eh e a tp u m p a r l 3 2 5 ) 1 2 9 】和闭环 地源热泵( g r o u n d s o u r c ec l o s e d l o o ph e a tp u m pa r l 3 3 0 ) 1 3 0 】的标准。该标准定义 的热泵分类方法基本上与第一种分类方法相类似。 在本文的后续内容中，所指地源热泵，如果不加特别说明，所指即为土壤 热交换器地源热泵。 在a r i 热泵标准中，关于热泵的冬夏季循环效率提出以下定义： ( 1 ) 用于冬季供热时，制热量( w ) 与输入功率( w ) 的比率定义为热 泵的循环性能系数c o p ( c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ，w ，w ) 。( 2 ) 用于夏季制冷 时，制冷量( w ，或b t u h ) 与输入功率( w ) 的比率定义为热泵的能效比e e r ( e n e r g ye f f i c i e n c yr a t i o n w w 或b t u w h ) 上述定义的表达形式，与我们在热力循环分析中通常所采用的表达方式有 所区别。为不引起歧义，在本文中，热泵冬季制热系数和夏季循环性能系数的 表达形式分别采用c o p h 和c o p 。 1 2 2 热泵的应用发展现状 虽然自1 9 世纪早期，卡诺循环提出来以后，热泵的循环原理就已经被人们 所认识，但直到世界第二次大战后，随着建筑业尤其是住宅建设的发展，能够 实现供冷和供热或单独供热的热泵技术才开始得到应用。2 0 世纪9 0 年代，适应 温室气体排放控制的要求，热泵技术在全球范围内发展迅速1 3 1 1 。 经济和社会的发展、人们对居住环境标准要求的提高、以及能源结构和能 源政策的变化，是驱动热泵应用市场不断扩大的直接动力。节能和环境保护的 要求以及不断扩大的市场需求，加快了热泵理论研究和应用技术的提高。由于 天津人学博士论文 热泵所具有的节能优势，使其不但在建筑空调领域，而且在工业领域( 木材、 种子干燥、养殖等) 也开始得到应用【3 13 2 1 。2 0 0 1 年在宁波召开的全国空调与热 泵技术交流会议和2 0 0 2 年5 月在北京召开的第7 届国际能源机构( i e a ) 热泵 会议，反映了最近几年国内外在热泵研究和应用领域的最新进展。 关于目前世界范围内及各地区热泵装置总量和总装机容量，由于不同文献 依据的统计标准和数据来源不同，其具体数据上有所出入，但所反映的总趋势 却是基本一致的【”。“。文献【3 4 给出了单元式空调器( u n i t t y p ea i rc o n d i t i o n e r s ) 和热泵自9 0 年代以来世界市场的变化趋势，见图1 3 ；文献 3 3 】给出了中国房间 空调器( r a c ，r o o ma i rc o n d i t i o n e r ) 自1 9 9 2 年以来的生产变化趋势，见图1 4 。 掣吣影北美地区7 、 一 厂z 二：79 本 “：二b ： 一一7 1 太平祥地区 欧炉区。 一一- - 一- - 1 9 9 09 l9 29 39 49 59 69 79 89 92 0 0 0 年份 图1 3 世界单元式空调器和热泵的市场变化趋势 从全球范围来看，目前热泵生产和应用最多的国家主要集中在中国、日本和 美国，上述三个国家目前热泵应用的基本 方式是单冷或冷暖两用型的空气源热泵。 按文献【3 1 的统计数据，在全球已安装运 行的房间空调器和热泵总量中，中、日、 美三国的数量占绝大多数。 日本是目前已安装运行空调器数量 最多的国家【3 13 ”，中国是目前各类空调 器生产数量最多的国家【3 1 、3 ”。在中国， 各类房间空调中，约有6 0 属冷暖两用 图1 4 中国房间空调器生产量 咖 咖 咖 咖 咖 咖 o 6 4 2 0 8 6 4 2 |(ooo二x)|蛹蝌删辫 第一章绪论 型【3 1 、32 ”3 ”。 在美国，气候条件是影响热泵发展的一个重要因素。在冬季温度较低的地 区，仅能依靠空气源热泵夏季空调，冬季则需要采用电加热设备或燃气炉供热。 鉴于上述原因，地源热泵在美国较早受到了重视【3 1 3 5 1 。 目前，世界单冷和冷暖两用型热泵空调器的生产数量约为4 0 0 0 万台，估计 全球范围内已安装运行的各类热泵空调器约有1 ，3 0 0 0 万台到1 ，4 0 0 0 万台。在热 泵空调器数量稳步增长的同时，热泵的循环性能系数c o p 和季节能效比 s e e r ( s e a s o n a le n e r g ye f f i c i e n c yr a t i n g ) 也一直呈增长的趋势【3 1 3 5 1 。 由于热泵在能量转换效率上所具有的优势，世界范围内的热泵技术推广和 应用对温室气体减排和减缓全球气候温暖化进程方面扮演着越来越重要的角 色。2 0 0 1 年，由于热泵技术的使用，减少c 0 2 排量o 1 3 2 g f f a ，约占c 0 2 排放总 量的o 6 。在现有技术水平的条件下，按热泵应有的市场潜力计算，热泵技术 的推广使用，可减排c 0 2 量1 2g