制冷课件第十一章.小型制冷装置.ppt

第十一章 小型制冷装置 11 1小型冷藏冷冻装置 11 1 1家用电冰箱 1 电冰箱的分类电冰箱是一种小型整体式冷藏 冷冻装置 用途广泛 品种繁多 通常按以下几个方面进行分类 按冰箱的制冷方式可分为 电动机驱动压缩机式 电磁振荡压缩机式 吸收式 半导体式 磁性制冷式等 按冰箱的用途可分为 家用冰箱 商用冰箱 厨房冰箱及低温冰箱等 按箱门形式可分为单门 双门 对开门 三门或多门 按冰箱的容积可分为 小型 中型和大型三种 目前普遍采用按有效容积划分 容积小于120L的称为小型 120 250L的称为中型 250L以上者为大型 按冰箱的放置方式可分为 落地式 台式 手提式 按冷冻室温度可分为 一星级冰箱 二星级冰箱 高二星级冰箱 三星级冰箱及四星级冰箱 见表11 1 根据使用环境的不同可分为 普通环境使用和湿热环境使用两类 前者标以 N 后者标以 T 各有不同的设计要求 2 箱体结构冰箱制冷系统由压缩机 冷凝器 毛细管及蒸发器组成 制冷剂经压缩后送到冷凝器内 冷凝成液体后经毛细管节流进入箱体内的蒸发器中 吸收箱内的热量 蒸发成低压气体 然后再回到压缩机内 电冰箱全封闭式压缩机固定在最下层 冷凝器安装在箱体背面 箱体为双层结构 即外壳和内胆 外壳用优质薄钢板压制焊接而成 经喷砂或酸洗后喷涂磁漆或塑料 内胆用塑料真空成型 在外壳和内胆之间填以隔热材料 常用的隔热材料是现场发泡的聚氨脂泡沫塑料 厚约30 40mm 这种泡沫塑料保温性能好 且有较高的硬度和粘结强度 对箱体可起到一定的增固作用 发泡时按一定的配方配齐原料 混合后注入已装配好的箱体夹层内 使之发泡成型 各类冰箱的门体结构都很相似 门外壳与衬板之间填以泡沫塑料绝热层 箱门壁四周装有磁性橡胶封条 利用磁力作用将门封与箱体铁皮紧紧吸合 既可防止冷气外泄 又可防止潮气侵入 单门电冰箱是结构最简单的一种 箱内大部分空间为冷藏室 只在上方有一小空间 直接利用蒸发器围成一个冷冻室 并装有一扇小门 冷冻室温度控制在 10 15 之间 能快速冻结水 储藏低温药品和冻结食品 冷藏室没有蒸发器 所以冷藏室的降温是依靠上 下部空气的比重变化 使箱内空气形成自然对流循环而实现的 冷藏室内的温度一般控制在0 8 冰箱内装有照明灯 灯的开关由箱门的启 闭自动控制 有些冰箱内还装有杀菌灯 杀菌灯发出的紫外线有很强的杀菌消毒作用 可延长冷藏食品的存放时间 3 蒸发器和冷凝器蒸发器是冰箱中产生冷量的部件 蒸发器有多种型式 较常见的有管板型及肋片管型 管板型是将金属板弯制成一个带圆角的方盒 方盒表面上粘有铜盘管采用这种蒸发器可获得较低的温度 常用于冷冻室 也有将蒸发器盘管粘附在箱体内胆上的蒸发器 还有的将蒸发器平板弯曲成多层框架 被冷冻的物品直接放在各层中 蒸发器产生的冷量在箱体内有两种传递方法 自然对流 由于与蒸发器表面接触的空气较冷 比重较大 所以向下降落 而冰箱下部温度较高的空气向上浮升 形成自然对流 强制对流 依靠设在箱内的风扇强制空气循 在只有一台肋片管式蒸发器的双温冰箱中 除风扇以外还要借助风道和风门分配风量 才能获得冷冻室和冷藏室的不同温度 冷凝器安装在冰箱的背面或侧面 有丝管式和箱体表面式两种 家用冰箱的冷凝器均为空气冷却式冷凝器 它可分为自然对流式和强制对流式两类 前者依靠空气的自然对流将热量带走 后者利用风扇强制空气流动而实现散热 有些电冰箱还设有副冷凝器 如图从压缩机排出的高温气体先通过副冷凝器 使从冰箱滴水盘流出的水蒸发 同时也减轻了主冷凝器的负荷 4 毛细管家用压缩式制冷系统中都用毛细管做节流元件 毛细管是铜管 直径为0 3 mm 长度为2 m 装有毛细管的制冷系统 在压缩机停车后 需等3 5min才能再启动 因为正常运行时冷凝器内为高压 蒸发器内为低压 突然停车时 由于毛细管的节流作用使冷凝器内的压力仍很高 此时如立即启动 所需的驱动力矩太大 经过3 5min后 冷凝器的高压与蒸发器的低压便可趋于平衡 启动力矩为减小 11 1 温度控制与除霜 1 温度控制温度控制的目的是使冰箱内的温度始终保持在预定的范围内 温度控制器由两部分构成 感温元件与动作开关 当冰箱内温度的变化超过预定范围时 感温元件接收这一信息并传递给动作开关 使其动作 从而改变电路状态 控制制冷循环的间歇运行 达到控制箱内温度的目的 目前普通应用的是感温囊式温控器 感温管紧压在蒸发器表面靠近吸气管的一端 当蒸发器出口过热度超过设计值时 感温腔端点 会顶动杠杆 使快跳触点2与固定触点1闭合 接通压缩机电源 当蒸发器出口过热度低于设计值时 感温剂压力也随之降低 当A点对杠杆的推力小于主弹赞6的拉力时 触点2跳开 压缩机停机 冰箱内温度高低的调节依靠凸轮4来达到 凸轮4位置的变化会引起主弹簧6对杠杆拉力的变化 从而使A点顶动杠杆的压力发生变化 因此可利用这个凸轮将冰箱内的控制温度调高或调低 此外 还可通过螺钉6调节最低极限温度 通过螺钉3调节温控器的开停温差 这两个调节螺钉必须在出厂前按设计要求调节到适当的位置后用漆封固 以免用户随便旋动 温控器的开停温差一般为2 3 2 除霜在电冰箱使用过程中 蒸发器表面的温度很低 当冷冻室内空气的温度降低到露点温度时 空气中的水蒸气就会结成箱 凝聚在蒸发器表面上 如果蒸发器表面的箱层太厚 蒸发器便不能正常工作 从而导致制冷效果下降 此外 压缩机须不停地运转 这样不仅耗电量大 而且有可能使压缩机发生故障 一般在霜层大于4mm时就需除霜 常用的除霜方法有人工除霜 半自动除霜 自动除霜以及快速除霜等四种 人工除霜 人工除霜是最简单的除霜方法 具体做法是将温度调节器调节到压缩机停止运转点 使压缩机停止工作 箱内温度自然升高 霜层自然融化 半自动除霜 冰箱温度调节器上附有除霜控制钮 除霜时按下此按钮 压缩机即停转 待箱内温度自然上使蒸发器表面温度上升到6 时便自动停止除霜 恢复正常运转 自动除霜 最初的自动除霜是在箱内安装一时间继电器 每隔8h或12h除霜一次 除霜期间压缩机停转 蒸发器表面以电热丝加热融箱 此后立即恢复运转 用这种方法除霜不会过大地影响箱内温度 但不分季节 不管有无结箱 都定时地用电加热融箱显然会浪费一部分电能 快速除霜 快速除霜装置有两种 电加热或高温蒸气加热 用电加热法除霜时 除霜电加热器附在管板式蒸发器上 呈软管形 电热丝先由耐热纤维缠住 外面套上耐热软管 再用耐热树脂粘在蒸发器表面上 附在肋片管式蒸发器上的电加热器呈电热管状 管内由电热丝和绝缘填料构成 电热管镶嵌在肋片中 用高压热蒸气除霜的方法如图所示 在高压排气管上引出一旁通管 用一电磁阀控制管口 管的另一端与蒸发器相连接 当需要除霜时 开启电磁阀 制冷剂的高温蒸气通过旁通管进入蒸发器 对其加热融箱 除箱结束后关闭电磁阀 制冷系统恢复正常循环 11 1 3双温冰箱 1 具有一个蒸发器的双门 双温冰箱双门 双温冰箱内分上 下两层 上层为冷冻室 容积较小 一般占箱内总容积的1 3 1 4 下层较大的容积为冷藏室 冷藏室和冷冻室分别配以大小两扇箱门 在上 下两层之间水平地安装着肋片管式蒸发器 蒸发器后面装有一台小风机 用强制通风冷却整个箱体 双门 双温冰箱冷冻室的温度分别有 6 12 和 18 三种规格 冷藏室温度为0 8 由于箱内蒸发器被挡板隔出一条通风道 开箱后看不到蒸发器也看不到霜层 故一般称其为 无箱冰箱 有时蒸发器不设在冷冻室与冷藏室之间 而设在冷冻室的后壁上 同时采用风机强制通风 这种冰箱中 可采用两种调节冷冻室与冷藏室的方法 将温度控制器安装在冷藏室内 靠冷藏室的温度变化控制压缩机的开停 冷冻室的温度通过感温式风门控制器控制 将温度控制器安装在冷冻室内 以冷冻室内的温度控制压缩机的开停 冷藏室的温度通过风门控制器进行调节 2 具有两个蒸发器的双门 双温冰箱这种冰箱的外观与上述双门冰箱几乎没有什么区别 不同的是它的冷冻室和冷藏室各有一个蒸发器 节流后的制冷剂先进人冷藏室蒸发器 再进冷冻室蒸发器 冷冻室蒸发器由于流动阻力的影响 制冷剂的压力下降 蒸发温度亦有所下降 也可以让低压制冷剂先进入冷冻室蒸发器 这样的连接方法有利于低压气体过热 且能有效地避免液击 后一种方法的缺点是由于一般情况下冷冻室蒸发器的热负荷比冷藏室热负荷大得多 一旦冷冻室的热负荷变大 就有可能使流入后面冷藏室蒸发器的制冷剂全部为蒸气 在冷藏室蒸发器内不再有蒸发过程 冷藏室温度升高 设计冰箱时应考虑到冷冻室蒸发器与冷藏室蒸发器的传热温差是截然不同的 根据设计要求 冷冻室与冷藏室要分别保持各自的室内温度 这两个温度相差10 以上 而在这两台蒸发器中制冷剂的蒸发温度几乎相等 这就要求根据两室各自的温差及热负荷 求取两台蒸发器的合理的传热面积 11 1 4冰箱热负荷的计算 冰箱热负荷计算是冰箱的设计基础 只有在确定了热负荷以后 才能进行制冷系统的设计 冰箱热负荷Q 公式中Q1是冰箱箱体每小时的漏热量 Q2是冰箱内存放物品每小时放出的热量 Q3是开启箱门引起的每小时漏热量 公式中tr是室内温度 ti是箱内设计温度 K是箱壁的传热系数 F是箱壁传热面积 公式中式中Fi是冰箱内腔表面积 s是冰箱绝热层厚度 l是冰箱各传热面在内腔接缝线的总长度 冰箱内存放物品每小时放出的热量 开启箱门引起的每小时漏热量 注意 用风机强制空气对流的冰箱 计算热负荷时还要加上风机消耗的功率 11 1 5冷柜 冷柜的容积比较大 常用的冷柜内部容积有0 5m3 1m3 1 5m3 2m3和3m3等几种 有些冷柜还分上 下两层 上层温度在冰点以上 可供存放熟食或食品的保鲜 下层温度在冰点以下 放生食品与冻结物品 冷柜的外型可分为立式和卧式两种 冷柜比家用电冰箱制冷量大 系统中充灌的制冷剂也多 因此常在冷凝器后装一储液器 储液器出口处安装截止阀 在制冷系统停止工作时关闭截止阀 使制冷剂液体存于储液器中 防止大量液体进人蒸发器而引起再次启动时液体进入压缩机 用于冷柜的压缩机有开启式 半封闭式和全封闭式三种 冷凝器有风冷和水冷两种 风冷式冷凝器有自然对流式或带一小型风扇的强制冷却式 蒸发器由铜管加工成盘形排管 紧靠箱体的内壁安装 也有做成肋片管式蒸发器辅以强制通风的结构 在冷柜的制冷系统中 常使用热力膨胀阀对制冷剂减压 节流 国产的LB系列冷柜的主要技术参数见表11 3 11 1 6小型冷库 小型冷库以储存食品为主 多采用氟里昂制冷机 冷库有土建库和装配库两种 土建库采用砖木和混凝土结构 建成固定的建筑物 围护结构内部用隔热材料隔热 冷库可与其它建筑物建在一起 也可单独建造 装配式冷库是一种先由工厂制造好一系列的预制板和装配用附件 用户可根据需要现场装配的冷库 如图为一台装配式冻结库 每次可冻结1吨物品 库内温度为 35 冻结时间6 8h 库长3 65m 宽3 05m 高3 05m 墙板 顶板和地坪的保温材料均为硬质聚氨脂泡沫塑料 库内设置吊顶式冷风机一台 配有三台0 25kW的风扇 气流在回风板的作用下贴着侧墙自上向下通过导风板的引导 均匀地流向搁架 快速将搁架上的食物冻结 流出搁架的气流 沿库壁由下向上流动 进入冷风机的吸风口 在冷风机中放出热量 温度和湿度均下降 11 1 7空调器及去湿机 空调器及去湿机是以制冷方式对空气进行处理的设备 由于空气处理的要求不同 空调器的类型也不同 如用于调节室内的温度冷风机或冷 热风机 用于去除室内空气中的水蒸气降低空气的湿度的去湿机 既可加热或冷却室内空气 又可对空气加湿或去湿 并能自动调节的恒温 恒湿机等 根据空气处理的要求 一般将空调器分成三个类型 即冷 热风型 去湿型和恒温 恒湿型 另一方面 根据规格及型式的不同 又可将空调器分为窗式 柜式 分体式三种 28 1 窗式空调器 窗式空调器又称为房间空调器 是应用很广泛的一种小型空调设备 制冷量一般为1 5 7kW 风量在1400m3 h以下 窗式空调器一般分为冷风型 电热型热泵型 不带加湿装置 29 冷风型窗式空调器工作原理图 30 电热型窗式空调器工作原理图 31 热泵型空调器制冷原理图热泵型空调器制热原理图 热泵型窗式空调器工作原理图 32 2 分体式空调器 分体式空调器又称为分离式空调器 是将整台空调器分为两个组件后构成的 一般将压缩机 冷凝器 离心式电风扇等组装成冷凝机组置于室外 称为室外机组 将蒸发器 贯流式风机与控制元件等置于室内 称为室内机组 室内 外机组通过制冷剂管道连接在一起 33 分体式空调器与窗式空调器相比具有以下优点 噪声低 一般低于50dB A 因冷凝器里于室外 具有较好的散热条件 外形美观 根据需要可将室内机组制成壁挂式 落地式 吊顶式 卡式 风管式等新颖式样 为房间的家具布里增添色彩 34 室内机组 落地式 壁挂式 卡式 35 明装吊顶式 室内机组 风管式 36 室外机组 37 一拖二 38 一拖五 39 一拖数 40 空调器的主要技术数据制冷量Q0 W 制热量QR W 输入功率N W 能效比EERW W按国家有关规定 房间空调器实测的能效比不能低于下表规定的85 41 按国家有关规定 房间空调器的噪声值不得高于下表所示之值 42 房间空调的使用条件 环境温度 冷风型 43 5 热泵型 夏季 43 冬季 5 无自动除霜 5 有除霜装置 电热型 夏季 43 冬季 不限房间空调器的电源规定 三相50HZ380V单相50HZ220V 43 3 空气去湿机 空气去湿机又称降湿机 除湿机 是一种机械式空气干燥器装置 它应用制冷方法降低空气湿度 使空气中的水分凝结析出而得到干燥 空气去湿机由一个制冷系统 一台通风机与一个风道组成 空气在去湿机中的处理过程如图所示 图中直线1 x表示空气通过蒸发器时的热 湿交换过程 在此过程中 空气的焓值与含湿量均下降 点2表示空气流经冷凝器后的空气状态 1 x线延长后与饱和线的交点表示与蒸发器外表面平均温度相对应的饱和湿空气的状态 去湿机的去湿t按下式计算 空气在去湿机中的温升可近似地按下式计算 11 2陈列柜 陈列柜用于短期存放并展示冷藏 冷冻食品 供食品店和超级市场零售使用 因食品种类不同 陈列柜的温度水平也不同 故将其分为低温陈列柜和中温陈列柜两大类 陈列柜的冷源可直接附设于陈列柜下部 也可单独设置 大型超级市场需要大容量的陈列柜 但陈列柜不能造得很大 因而常采用模块式组合 将若干个模块组合在一起构成一个大的陈列柜 11 3 1陈列柜的型式 1 岛式陈列柜图示由三个模块组合而成 每个模块有自己的蒸发器 冷凝器 风道和风机 三台蒸发器平行地与室外的冷凝机组相联结 2 壁式陈列柜壁式陈列柜有一块板壁 壁上设有搁架 搁架上放置食品 图示的陈列拒由两个模块组成 每个模块中装有一个蒸发器和相应的风机 蒸发器置于柜的底部 风机将蒸发器出来的冷空气一路经过壁面上的孔隙送入食品存放区 另一路通过格栅自上而下地流动 构成冷风幕 11 3 2陈列柜的除霜 集中供冷的低温陈列柜工作时 会在蒸发器中结箱 所以 经过一段时间后 应进行除霜 除霜的方法有电热除霜 热气除霜等几种 电热除霜的方法简便 易行 热气除霜具有快速 节能 柜内温度波动小等优点 图11 24为带冷凝机组的低温陈列柜 图11 25为一台冷凝机组带动三台低温陈列柜进行集中供冷的制冷系统 采用热气除霜 对一台陈列柜除霜时 另外两台陈列柜继续正常运转 除霜的陈列柜融箱时产生的制冷剂冷凝液直接供给另外两台陈列柜制冷 11 4蒸气压缩式冷水机组 将蒸气压缩式制冷压缩机 冷凝器 蒸发器 节流装置等全部或部分制冷设备组装成一个整体 接上电源则可以直接向用户提供所需低温冷水的制冷机组称为冷水机组 常用的冷水机组有活塞式冷水机组 螺杆式冷水机组 离心式冷水机组以及模块式冷水机组等 以活塞式压缩机为主机的冷水机组称为活塞式冷水机组 它由活塞式制冷压缩机 冷凝器 蒸发器 热力膨胀阀等组成 并配有自动能量调节和自动安全保护装置 按冷凝器冷却介质来分 可分为水冷型冷水机组和风冷型冷水机组 活塞式冷水机组常用工质为R22以及R134a 活塞式冷水机组具有结构紧凑 占地面积小 操作简单 管理方便等优点 可为空调系统提供5 12 左右的冷水 适合于负荷比较分散的建筑群以及制冷量小于580kW的中小型空调系统应用 11 4 1活塞式冷水机组 水冷型冷水机组 风冷型冷水机组 风冷型冷水机组特别适合于干旱地区以及淡水资源匮乏的场合使用 多机头冷水机组 活塞式冷水机组标准规定的能效比 以各种形式的螺杆压缩机为主机的冷水机组 称为螺杆式冷水机组 它是由螺杆式制冷压缩机 冷凝器 蒸发器 热力膨胀阀 油分离器以及自控元件和仪表等组成的组装式制冷系统 螺杆式冷水机组的能效比略高于活塞式冷水机组 常用的制冷剂为R22 螺杆式冷水机组结构紧凑 运转平稳 冷量能无级调节 节能性好 易损件少 单机制冷量较大 适合于制冷量在580 1163kW的高层建筑 宾馆 饭店 医院 科研院所大中型空调制冷系统应用 机组的最大缺点是噪声比较大 11 4 2螺杆式冷水机组 螺杆式冷水机组 螺杆式冷水机组外形图 JZS KF系列螺杆式冷水机组主要技术数据 以离心式制冷压缩机为主机的冷水机组 称为离心式冷水机组 它是由离心式制冷压缩机 冷凝器 蒸发器 节流机构 能量调节机构以及各种控制元件组成的整体机组 离心式冷水机组常用工质为R123和R22以及R134a 机组具有叶轮转速高 压缩机输气量大 结构紧凑 重量轻运转平稳 振动小 噪声较低 能实现无级调节 单机制冷量较大 能效比高等优点 适合于制冷量大于1163kW的大中型建筑物如宾馆 剧院 博物馆 商场 高层建筑 写字楼等大中型空调制冷系统应用 11 4 3离心式冷水机组 离心式冷水机组外形结构图 1 离心式压缩机 2 电动机 3 冷凝器 4 蒸发器 5 仪表箱 离心式冷水机组外形 FLZ系列冷水机组主要技术数据 模块式冷水机组多以R22为制冷剂 由多台模块式冷水机单元并联组成 每个模块单元装有一套或两套独立的制冷系统 每套制冷系统均有一台全封闭式制冷压缩机及其配套的冷凝器 蒸发器 节流装置及控制器 制冷压缩机多为单速或双速活塞式压缩机 并配有高 低压力控制器和压缩机过载保护开关 与之匹配的冷凝器和蒸发器均采用板式热交换器 与一般壳管式热交换器相比 具有传热温差小 传热效率高等优点 模块式冷水机组特别适合在空调负荷变化比较大的建筑物内应用 11 4 4模块式冷水机组 模块式冷水机组 与其他形式的冷水机组相比较 模块式冷水机组具有许多突出的优点 它不但可以根据冷负荷变化 随时调整运行的模块数 使机组输出冷量与空调负荷达到最佳配合 最大限度地减少能耗 而且当模块式冷水机组中某一个单元内的制冷机组出现非正常运行状态时 电脑控制系统将会立即停止该机组运行 并命令另一套制冷机组起动补上 以保证系统制冷量不变 模块式冷水机组的最大缺点是对水质要求比较高 因为冷凝器和蒸发器均为板式热交换器 如果水质不好 一旦结垢阻塞 就会影响换热器的传热性能 甚至使电动机过载而烧毁 模块式冷水机组主要技术数据 热泵就是以冷凝器放出的热量来供热的制冷机 热泵循环也是以消耗机械能或热能作为补偿 完成自低温热源吸收热量并排向高温热源的逆卡诺循环过程的 所以 热泵循环从某种意义上来说就是制冷循环 只是当机组供冷时 称为制冷机组或冷水机组 当机组供热时 称为热泵机组或热水机组 热泵的形式和种类比较多 而且有多种不同的分类方法 常见的热泵装置有下列几种类型 11 5热泵机组 以空气作为低位热源来吸收热量的热泵称为空气源热泵 AirSourceHeatPump 根据室内侧换热器的载热介质不同而分为空气 空气热泵和空气 水热泵 空气 空气热泵结构简单 广泛应用于住宅 商店 学校 写字间等小型建筑物中 空气 水热泵的系统组成与空气 空气热泵一样 只是室内侧换热器的载热介质不是空气而是水 因为该机组夏天可以为空调系统提供冷水 冬天可以提供热水 所以也称为风冷式冷热水机组 11 5 1空气源热泵 空气 空气热泵工作原理图 空气 水热泵工作原理图1 压缩机 2 四通换向阀 3 风冷式冷凝器 蒸发器 4 高压贮液器 5 干燥器 6 膨胀阀 7 蒸发器 水冷式冷凝器 8 单向阀 9 轴流式风机 空气源热泵具有结构简单 安装 使用都比较方便 空气对换热设备无腐蚀作用等许多优点 但也有如下几点主要缺点 1 室外空气的状态参数随季节和地区的不同而变化 这对热泵的容量和制热性能影响很大 室外空气温度对空气源热泵供热性能系数的影响 2 由于空气的比热容小 为了自室外热源获得足够的热量 需要较大的空气量 因而使热泵的体积增大 风机的容量增大 机组的噪声也随之增大 一般说来 从室外空气中每获取1kW热能 当室外换热器中制冷剂的蒸发温度与室外空气进风温度差为10 时所需的空气流量约为1m3 s 3 冬季室外温度很低时 室外换热器中制冷剂的蒸发温度也很低 当室外换热器表面温度低于空气露点温度时 空气中的水分在换热器表面就会凝结成霜 随着结霜量的增加 换热器传热热阻增大 空气通过换热器的阻力也随之增加 而使通过换热器的风量减少 从而导致换热器吸热量减少 热泵的供热量和供热系数下降 因此 空气源热泵必须定期除霜 否则过厚的霜层将导致热泵不能正常工作 常用的除霜方法有 暂时中断压缩机运行的空气除霜法 在室外换热器上装置电加热器的电热除霜法 利用压缩机的高温排气通过旁通管路或电磁换向阀直接送入室外蒸发器的热气除霜法以及用水直接冲淋蒸发器霜层的水力除霜法等 一般情况下 除霜能耗约占总能耗的2 左右 若加上除霜之前由于霜层的形成而造成换热器性能下降所造成的影响 结霜和除霜总共消耗的能量 大约占热泵系统总能耗的5 10 所以 从节能的角度考虑 空气源热泵只适用于室外最低平均气温高于 10 的地区 注意 在不同的室外温湿度条件下 室外换热器的结霜情况也不一样 空气相对湿度变化对结霜情况的影响 大于温度变化对结霜的影响 通常当室外相对湿度为70 左右 温度为3 5 时 结霜最为严重 当室外相对湿度低于65 时 单位时间的结霜量明显减少 当相对湿度低于50 时 不会结霜 所以 一般说来 当室外相对湿度低于60 时 就可以忽略结霜对热泵性能的影响 以水作为低位热源来吸收热量的热泵称为水源热泵 WaterSourceHeatPump 其工作原理与空气源热泵相同 水源热泵的主要系统形式是水 空气热泵和水 水热泵 水 空气热泵制冷模式运行时 水冷式冷凝器将空调房间的余热释放给冷却水 达到房间降温的目的 制热模式运行时 水冷式冷凝器换作为水箱式蒸发器 蒸发器换作风冷式冷凝器 水箱式蒸发器吸取水中的热量并通过冷凝器释放给供热房间 完成自低温热源向高温热源排放热量的过程 11 5 2水源热泵 水 空气热泵工作原理图1 水冷式冷凝器 水箱式蒸发器 2 换向阀 3 压缩机 4 毛细管 5 送风机 6 蒸发器 风冷式冷凝器 WPHD水 空气热泵机组主要技术性能表 水 水热泵的系统组成与水 空气热泵基本相同 只是冷凝器和蒸发器均为壳管式或水箱式换热器 夏季空调模式运行时 壳管式蒸发器向空调房间的风机盘管系统提供冷水 冬季热供暖模式运行时 冷凝器换作蒸发器 蒸发器换作冷凝器 由壳管式冷凝器向供暖房间的风机盘管系统提供热水 水 水热泵系统平均供热系数大约为3 2 3 5 系统的蓄热能力比较大 而且由于供暖系统夜间负荷比较大 可以利用夜间的低谷电能 所以系统的运行费用比空气源热泵低 水 水热泵工作原理图1 压缩机 2 壳管式蒸发器 冷凝器 3 水冷式冷凝器 蒸发器 4 回热器 5 膨胀阀 6 水泵 7 备用电加热器 8 膨胀水箱 9 风机盘管换热器 可供热泵作为低温热源的水有地表水 地下水 工业和生活污废水等 1 地表水 我国地表水量丰富 但大多数城市地表水的冬季水温比较低 例如 西安市产河2m深处水温为4 5 C 北京市护城河1 5m深处水温为2 C 天津市海河4m深处水温为2 C 上海市黄浦江江边水温为2 C 南京市秦淮河2m深处水温为4 5 C 杭州市京杭大运河4m深处5 C一般说来 在4 5 C的水体中采用加大水量的方法提取显热仍具有工程利用价值 但北方地区冬季地表水的温度已经接近冰点 从2 C左右的水体中提取显热代价太高 已经失去了工程应用的意义 2 地下水 无论是地下热水或是深井水 都是热泵很好的低温热源 深井水的水温一般约比当地年平均气温高1 2 我国东北北部地区深井水水温约为4 中部地区约为12 南部地区约为12 14 华北地区深井水水温约为15 19 华东地区约为18 20 中南地区浅井水水温约为20 21 以地下水作为热源时 应采用 夏灌冬用 和 冬灌夏用 等技术措施 但应注意回灌对地下水污染问题以及地下水水质是否良好 若深井水的Ph值小于7 氧化铁含量大于0 15mg L 含锰量大于0 1mg L 则不宜开采使用 实际上向地下回灌比取水要困难得多 回灌井堵塞和溢出是采用地下水的水源热泵在工程中很容易出现的问题 堵塞的原因大多是因为回灌水微生物 悬浮物超标化学沉淀 气泡阻塞以及含水层细颗粒重组 粘粒膨胀和扩散等原因 所以 当地的地质 水文 气象条件等基础资料是水源热泵系统设计的关键 实际上向地下回灌比取水要困难得多 3 工业废水 工业废水的种类较多而且数量可观 对于温度较高的工业废水 可直接作为高位热源使用 如冶金企业中的废热水 可直接作为供热的热媒 也可用作吸收式热泵的驱动能源 温度较低的工业废水如工业设备冷却水 火力发电厂凝汽器排水等 均可作为热泵的低温热源使用 88 4 生活污废水 生活污废是量大面广的低温热源 例如洗衣房 浴池 旅馆等排出的废水以及生活污水 由于城市污水一年四季温差变化较小 数量稳定 易于通过污水处理厂或城市排水主管道进行收集等特点 被公认是易于回收利用的清洁能源 因此 回收和利用城市污水中的热能 不仅有利于实现资源循环利用 变废为宝 而且对保护环境 建设节能型的城市有重大的现实意义 全国每年排放城市生活污水500亿吨左右 若全部开发 按温度升高或降低5 计算 可为20亿m2的建筑供冷或热10亿GJ 89 我国主要城市的污水排放量与供暖面积 90 一吨污水可节省燃煤2kg一吨污水可减排二氧化碳6kg一吨污水可节省天燃气1 37m3 夏季运行 COP 4 9 5 1冬季运行 h 4 6 4 9 91 92 水源热泵的优点 水具有热容量大 传热性能好 温度变化范围比较小等优点 因而水源热泵换热设备紧凑 运行工况稳定 能效比EER可达4 5 近来年发展很快 技术越来越趋成熟 水源热泵的缺点 1 受水源条件的限制 当地是否有适合的水源供给 能否满足一定的水温 水量 水质要求 2 受水文地质条件以及回灌工艺的限制 采用地下水时必须考虑当地的地质结构 土壤条件 地下水文资料等情况 避免地面沉降而影响建筑基础 确保顺利回灌 93 3 投资的经济性影响由于探测开采的费用偏高 初投资较大 在某些方面限制了水源热泵的发展 水源热泵的适用性 水源热泵作为一种新型的制冷供暖方式 从技术的角度 尤其是热泵机组的角度上看应当是相当成熟的 发展水源热泵必须因地制宜 根据当地地表水 地下水以及工业废水的实际情况进行科学论证 经济技术比较 合理选用 城市内开发污水源热泵是执行节能减排政策的一项重要措施 但很久以来原生态污水的腐蚀问题 污水流量的非稳定性等诸多问题 构成了发展污水源热泵的瓶颈 94 所以 实现无堵塞连续换热是城市原生污水作为低品位热源应用的关键技术 近些年来 通过哈尔滨工业大学孙德兴教授等人在动态防阻技术污水换热技术方面的研究 开发出了 原生污水防阻机 和 原生污水板式换热器 解决了原生污水源热泵关键技术 95 原生污水源热泵关键技术 96 原生污水源热泵关键技术 水环路热泵 Water loopHeatPump 不同于水源热泵 该系统由用于传递热能的水循环管路和多个独立的设置在空调室内的水 空气热泵机组组成 所以也称为分散式热泵系统 水环热泵的低温位热源不是地表水 地下水 也不是生活污废水或工业废水 而是循环水 11 5 3水环热泵 水环热泵系统典型的运行状态图 图示 a 在炎热的夏季 建筑物内每个房间都需要供冷 所有的热泵机组都按制冷工况运行 每台机组都将空调室内的余热排放到了水循环环路 然后通过冷却塔释放到大气中 图示 b 在寒冷的冬季 建筑物内每个房间都需要供暖 所有的热泵机组都按制热工况运行 每台机组都要从水循环环路中吸取热量 由于此时循环水作为低温热源热量不足 所以必须启动辅助加热设备为循环水补充热量 图示 c 在春秋过渡季节 建筑物的周边区已开始供暖 或供冷 而建筑物内区由于较少受外界气候影响还需要供冷 或供暖 此时内区供冷的热泵将其余热排放到水环路中 外区供暖的热泵则可从水环路中吸取热量 从而实现了热量回收的目的 如果内区排出的热量正好等于外区需要的热量 则该系统的循环水既不需要启动冷却塔散热 也不需要开启辅助加热设备 这将是最经济的运行工况 图示 d 如果建筑物内某区因为有大量的电器设备 照明人体等形成较多的冷负荷而需要全年供冷 另一些区域却需要供热同样可以实现建筑物内部的热量转移 从热回收功能出发 水环热泵空调系统非常适合于在既需要供冷又需要供暖的建筑物内应用 以土壤作为低位热源来吸收热量的热泵称为土壤源热泵 SoilSourceHeatPump 土壤源热泵的主要系统形式是土壤 水热泵和土壤 空气热泵 土壤 空气热泵的系统组成与水 空气热泵一样 只是室外侧换热器的载热介质不是从水源中吸取热量 而是从土壤中吸取热量的制冷模式运行时 冷凝器通过换热介质将空调房间的余热释放给土壤 达到房间降温的目的 制热模式运行时 凝器换作为蒸发器 蒸发器换作风冷式冷凝器 蒸发器通过换热介质吸取土壤中的热量再由风冷式冷凝器释放给供热房间 完成自低温热源向高温热源排放热量的过程 11 5 4土壤源热泵 土壤 空气热泵系统工作原理图 土壤源热泵系统包括一个土壤耦合地热交换器 它或是水平地安装在地沟中 或是以U形管状垂直安装在竖井之中 将各个地沟或竖井中的热交换器并联连接 再通过不同的集管进入建筑物中 与建筑物内的热泵机组相连接 土壤