暖通空调热泵技术ppt课件

暖通空调热泵技术 HEATPUMP 48学时 制冷空调教研室 第一章 导论与基础第二章 热泵的理论循环第三章 热泵的低位热源和驱动能源第四章 空气源热泵空调系统第五章 水源热泵空调系统第六章 土壤耦合热泵空调系统第七章 水环热泵空调系统第八章 吸收式热泵第九章 热泵工程典型案例分析 目录 第一章导论与基础 1 4热泵的种类 1 3热泵的定义 1 1能源与环境 1 2高位能与低位能 1 5热泵空调系统的分类 1 6热泵工质及其替代问题 1 7热泵在我国应用与发展 1 8热泵的历史 第一章导论与基础 1 1能源与环境一 能源的开发和利用1 能源与环境污染问题能源的消耗急剧增加将导致环境的严重污染 因此 一方面要充分利用能源 提高能源利用率 以减少对环境的污染 另一方面 要寻找无公害的新能源 2 能源的消耗及未来能源说明 目前世界能源的消耗情况 P1 图1 与未来新能源的开发 如太阳能 核能 核裂变及核变 生物能 风能 潮汐能 地热能等 3 能源利用与环境保护说明 限制和减少化石燃料燃烧产生的CO2等温室气体的排放 是保护环境的重要措施 采用热泵技术是最有效手段之一 P2 二 能源的节约问题1 能源利用率说明 我国单位产量的能耗高以及能源利用率低 2 节能的重要性强调 对环境的影响 如大气污染对人类健康的影响及温室气体对地球生态环境的影响 3 热泵节能的方法及意义能回收和利用低位热能 充分利用大量废弃的低温余热资源 说明 我国国内各部门的余热资源情况 表格 能提高一次能源利用率 所以 研究和推广应用热泵技术对于节约能量 提高经济效益以及保护环境有重要意义 1 2高位能与低位能一 能源的品位 能质 1 高品位能 高位能 在理论上可以完全转化为功的能量 又称高质量能 如电能 机械能 化学能 高位的水力和风力 高温的物质等 2 低品位能 低位能 不能全部而只能部分转化为功的能量 又称低质量能 如物质的内能 低温的物质等 3 高位热源指温度较高而能直接应用的热源 如蒸汽 热水 燃气以及燃料化学能 生物能等 4 低位热源指无价值 不能直接应用的热源 如环境空气 水 地热 太阳能 废热 余热等 说明 能量的质量高低表示作功的能力大小 如高位能变为低位能 表明能量作功能力变小 质量降低或贬值 二 能源的合理应用 量的守恒性和质的贬值性 任何用能过程是能的量与质的利用过程 要使热能得到合理利用 必须合理使用高位能 必须按质用能 分析 图1 5 说明 所谓的 节约能量 之说 严格而言是不十分确切的 因为仅仅节约了高位能 利用了部分低位热能 也就是说 能量是守恒的 一切能量使用到最后 都成废热传递给环境了 虽然它在数量上看是守恒的 但质量上已经越来越不中用 最后降级到无用 所以 要把能量贬值作为重要的问题来对待 1 3热泵的定义一 热泵的定义定义 靠高位能拖动 迫使热量从低位热源流向高位热源的装置 称为热泵 又称 温度升高器 分析 热泵虽然需要使用一定量的高位能 但供给的却是消耗的高位能和吸取的低位热量的总和 因此 从用能的角度看是经济合理的 二 热泵机组与热泵系统机组 由动力机和工作机组成的节能机械 是热泵系统中的核心部分 系统 由热泵机组 高位能输配系统 低位能采集系统和热能分配系统四大部分组成的一种能级提升的能量利用系统 三 热泵空调系统定义 空调系统中选用热泵时 称为热泵空调系统 或简称热泵空调 P9 图1 9 特点 用能遵循能级提升的原则用大量的低温再生能替代高位能冷热源合二为一 节省设备投资比常规空调更节能 环保 1 4热泵的种类一 热泵的基本框图热泵按热源种类 驱动方式 用途 工作原理 工艺类型等分类 说明 基本框图 图1 10 二 热泵载热介质 低位热源和简图说明 P10 表1 2 1 5热泵空调系统的分类一 以热泵机组作为集中式空调系统的冷热源空气源热泵空调系统地源热泵空调系统二 冷剂式热泵空调系统分散式系统集中式系统说明 图1 11 1 6热泵工质及替代问题一 蒸汽压缩式热泵对工质的要求热力性质临界温度应比冷凝温度高得多单位容积制热量要大 离心式例外 饱和压力应适中 pk 25bar po 1bar 绝热指数要小 特别是对于活塞式压缩机 液体比热要小 节流损失小 物理 化学性质凝固点要低密度和粘度要小 离心式密度要大 不燃不爆 无毒无味 无腐蚀性具有良好的化学稳定性生物学性质与润滑油具有亲和性 溶解度大小利弊 与水的溶解关系对环境的友好性 大气臭氧层和温室气体 经济性价廉易得 二 热泵工质的种类说明 暖通空调领域中应用的热泵基本上是蒸汽压缩式热泵暖通空调应用的热泵一般具有制热与制冷两种功能热泵工质与制冷剂基本上一致常见热泵工质热力性质表 P16 表1 4 工质种类框图 图1 12 三 热泵工质的替代说明 同制冷剂 表1 7 1 9 强调 ODP值与GWP值两个指标 表1 5 1 6 四 热泵工质的选择说明 主要从安全 效率和价格等三个方面加以考虑 强调 单位容积制热量有较大的差别 其对压缩机的结构尺寸及成本价格影响显著 应重点考虑 至于制热性能系数方面 则相差不是很大 五 自然工质CO2和NH3CO2在热泵中的应用领域 CO2热泵热水器CO2汽车热泵式空调CO2热泵干燥系统NH3在热泵中的应用问题 安全性 毒性与燃爆性 刺激性气味 1 7热泵在我国的应用与发展一 热泵应用与发展的初始期1949 1966二 热泵应用与发展的断裂期1966 1977三 热泵应用与发展的复苏期1977 1988四 热泵应用与发展的兴旺期1988 1999五 热泵应用与发展的快速期2000 P22 28 我国热泵的发展概况 我国热泵工业相对于世界上工业发达国家来说 有一段明显的滞后期 1950年代初 天津大学的一些学者最早开始从事热泵的研究 1965年上海电冰箱厂研制成我国第一台制热量3720w的热泵型窗式空调器 但因换向阀的工作可靠性等原因 长期未有发展 1970年代后期 由于能源危机所推动的世界性热泵热也影响了我国学术界 1980年代 我国热泵在各场合的应用研究发展较快 广州能源研究所设计并建造了一套用于加热室内游泳池的热泵 1984年由上海704研究所 开封通用机器厂和无锡第四织布厂联合试制成功双效第一类吸收式热泵 1985年上海空调机厂和上海冷气机厂试制成功国内生产的第一批热泵型立柜式空调机组 1990年上海市通用机械技术研究所首次进行了第二类吸收式热泵的模拟试验 同年上海交通大学 上海第一冷冻机厂联合研制了350kw第二类吸收式热泵 2000 2003年 专利总数287项 其中发明专利119项 多项创新成果问世 如土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统 空气源热泵蓄能热气除霜系统 三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统等 2005年全国共有地源热泵工程项目3869项 同年11月31日 建设部发布了 地源热泵系统的工程技术规范 GB50366 2005 并于06年1月1日起正式实施 2008年的北京奥运会和2010年的上海世博会使得热泵技术在我国的应用越来越广泛 1 8热泵的历史一 热泵的发展概况热泵的理论基础来源于1824年发表的关于卡诺循环的论文 1852年汤姆逊首先提出了一种热泵的设想 也称热能放大器 图1 13 但由于能源费用和能源有效利用率等方面的因素 限制了其进一步发展 1930年代 霍尔坦在他的著作中介绍了1927年苏格兰一台家用热泵的安装及试验情况 热泵才取得较快发展 1940年代始开 各国开始对热泵有了进一步的认识 到1948年小型热泵的开发工作有了很大的进展 家用热泵和工业建筑用热泵大批投放市场 表1 11 1950年代 美英两国开始对使用地下盘管吸收地热作为热源的家用热泵 地源热泵 进行广泛的研究 热泵工业在1950 1960年代的十年间 进入快速成长阶段 热泵装置的年产量成倍或十倍的增长 1970年代初 热泵却由于其可靠性低和设备费用高而遭到严重的打击 美国陆军当局甚至禁止在兵营里装设热泵装置 电加热成了热泵的主要竞争对手 热泵工业进入了徘徊期 1973年的中东战争导致的能源危机 使热泵又以其可回收低温废热和节约一次能源的特点 在产品经过改进后 重新受到各国 包括美国 的广泛重视 1984 1992年间 日本进行了超级热泵的研究开发工作 所谓超级热泵是超性能压缩式热泵的简称 包括 高效型冷热兼用热泵 可用于建筑物空调和区域空调 采暖时的能量效率可达4 5 制冷时则为5 3 高效型升温专用热泵 可用于供应热水 85 时 能量效率可达6 用作工业加热输出时 150 300 能量效率达2 3以上 高温输出型高 低温热源热泵 据国际能源机构 IEA 统计 1996年全世界热泵安装总数达到9000万套 图1 15 20世纪90年代 地源热泵成为完全产业化的成熟技术 1997年美国安装了45000台 欧洲各国的应用也非常迅速 表1 13 进入21世纪后 热泵的快速发展不单是为了解决能源问题 更重要的是为了改善环境问题 通过热泵的应用与发展 来推动暖通空调的可持续发展 实现暖通空调的生态化和绿色化 二 热泵技术的应用热泵的魅力还不仅在于节能 更为重要的是消除锅炉供暖中烟气对环境的污染 保护和净化人类赖以生存的自然环境 推进热泵技术的发展是能源工程综合利用的需要 国内外对热泵的应用 主要集中在民用空调领域 对发达国家所消耗的一次能源统计表明 在所消耗的能量中 40 用于建筑采暖 38 用于工业生产 其余用于交通 照明等用途 而建筑采暖中85 用于房间的采暖 在满足房间采暖耗热方面 热泵可以作出重要贡献 日本是热泵技术和市场发展最快的国家之一 日本政府面临能源稳定供应和高效利用的重大任务 在1973至1982年十年间 总能耗对国民生产总值的比值降低了30 其中热泵技术的发展起了重要作用 在美国 1983年热泵市场进入持续发展时期 到1985年年销售量达到100万台 热泵使用领域主要是 家用和办公用空调及热水器以及小型区域供暖 1973年油价暴涨带来了热泵发展的新时期 欧共体确认热泵技术是寻求替代能源的重要手段 1980年国际能源结构 IEA 发表了节能 战略研究 结果 其中热泵是节油技术的重要方面 据预测到2020年 IEA成员国中热泵将占采暖设备的75 燃油采暖将逐渐被热泵所取代 欧共体预计到届时将有1000万台热泵投入使用 1990年以来 欧美国家在地源 水源热泵的应用越来越广 在供热装置的占比越来越高 P35 36 制冷与热泵系统的基本能量转换关系 图1矿物燃料的消耗模式 图1 6理想的热泵机组1 动力机 2 工作机 图1 5合理利用能源的原则 a 传统的分产分供 b 能量的梯级利用 c 能级的提升 图1 7热泵系统框图 图1 10热泵基本框图 图1 11热泵空调系统分类框图 图1 12热泵基本框图 图1 13汤姆逊热量倍增器 温暖 冷 温暖 温暖 冷 地源热泵技术示意 基本原理 图1 141954 1976年间美国单元式热泵制造台数 第二章热泵的理论循环 2 4布雷顿热泵循环 2 3蒸汽压缩式热泵的理论循环 2 1逆卡诺循环 2 2劳伦兹循环 2 5斯特林循环 2 6吸收式热泵理论循环 2 8CO2跨临界热泵循环 2 7温差电热泵 第二章热泵的理论循环 2 1逆卡诺循环一 热泵的型式1 压缩式热泵2 吸收式热泵3 蒸汽喷射式热泵4 热电热泵 半导体热泵 温差电热泵 二 理想热泵循环 逆卡诺循环1 气相区的逆卡诺循环讲解 同制冷循环 图2 2 2 3及公式2 2 2 6分析 2 有温差的热泵循环强调 不是逆卡诺循环 图2 4及公式2 8 2 9分析 3 两相区的逆卡诺循环讲解 图2 5及公式2 104 联合循环 制冷制热循环 定义 同时兼有制冷机与热泵功能的热机称为联合循环机 这类机器能够获得最高的能量效果 性能系数 因为 消耗同样的功 却同时获得了制冷量和制热量 所以其性能系数较高 图2 1c及公式2 6 2 2劳伦兹循环一 变温热源时的逆向可逆循环 劳伦兹循环组成 由两个和热源之间无温差的热交换过程和两个等熵过程所组成的逆向可逆循环 它是消耗功最小 性能系数最高的热泵循环 循环图 图2 6 二 劳伦兹循环的性能系数定义 等于一个以放热平均温度Th m和吸热平均温度TA m为高 低温热源温度的等效逆卡诺循环的性能系数 计算式 公式2 15 2 3蒸汽压缩式热泵的理论循环说明 同压缩式制冷循环差别 讲解qh h的差别 图2 8及公式2 16 2 20 2 4布雷顿热泵循环组成 由两个等压过程和两个等熵过程组成 图2 10 图2 11及公式2 21 27 说明 最早的空气制冷机是封闭的布雷顿循环 2 5斯特林循环 简介 组成 由两个等温和两个等容过程组成 主要用于低温系统 图2 12及公式2 28 2 32 说明 1816年由斯特林提出 最初用于热机 1861年柯克提出斯特林制冷循环 近年来 也在研究用斯特林循环的动力机 驱动压缩式热泵的热泵机组 2 6吸收式热泵理论循环说明 与压缩式热泵循环比较讲解 Qh Qc Qa h差别 图2 13 14 15及公式2 33 2 40 2 7温差电热泵说明 同温差电制冷循环讲解 Qh h的差别 图2 16及公式2 41 2 52 由于成本高 效率低以及可靠性差 妨碍了温差电热泵的普遍应用 只能用于功率低 体积小 噪音低的特殊场合 2 8CO2跨临界热泵循环说明 CO2的临界温度接近环境温度 根据循环的外部条件 可实现三种循环 亚临界循环 SubcriticalCycle 跨临界循环 TranscriticalCycle 超临界循环 HypercriticalCycle 目前制冷 空调 热泵热水器等设备中采用的CO2循环形式 基本上都是跨临界循环方式 P54 图2 17 图2 1a 热泵装置 b 制冷装置c 同时供冷供热联合循环机 图2 2制冷循环与热泵循环的温度区间比较 图2 3被加热物体温度升高时 热泵循环的T s图 2 5 2 6 图2 4有传热温差的热泵循环 图2 5两相区的逆卡诺循环 图2 6劳伦兹循环 2 15 热源温度可变时的逆向可逆循环 洛伦兹循环 图2 8蒸汽压缩式热泵的工作原理图 图2 10封闭的布雷顿热泵循环流程图 图2 11布雷顿热泵理论循环的p v图与T s图 2 27 图2 13吸收式热泵原理简图 图2 14吸收式热泵循环的T s图 图2 15有溶液热交换器的吸收式热泵图式 图2 l6温差电热泵示意图 第三章热泵的低位热源和驱动能源 3 4土壤源 3 3水源 3 1概述 3 2空气源 3 5太阳能 3 7热泵系统中的蓄热 3 6驱动能源和驱动装置 3 8热泵的经济性评价 第三章热泵的低位热源和驱动能源 3 1概述一 低位热源的种类空气源 一般为环境空气 水源 地表水 地下水 海水等 土壤源 又称地源 太阳能 清洁能源 工业或民用余废热 废水或废气 二 对低位热源的要求要有足够的数量和较高的品位没有任何附加费用或仅有极少的附加费用输送热量的载热 冷 剂的动力消耗要尽可能小载热 冷 剂对金属材料应无 或尽量小 腐蚀作用热源温度的时间特性和供热的时间特性应尽量一致 热源的载热剂应尽量洁净 无杂质热源与系列化的热泵产品应匹配三 待研究和探讨的问题热源的蓄热问题 蓄热装置可减小热泵装置的容量 使热泵能经常在高效率下运行 低温热源与辅助热源的匹配问题研究土壤 空气 水 太阳能和蓄热等的综合利用问题 3 2空气源热泵一 空气源热泵的优缺点取之不尽 用之不竭 可无偿地获取 安装使用方便热泵的容量和制热性能系数受室外空气的状态参数 如温度和相对湿度 影响大 容易造成热泵供热量与建筑物耗热量之间的供需矛盾 冬季室外温度很低时 室外换热器表面容易结霜 导致热泵制热性能系数和可靠性降低 甚至无法正常供热 需要较大的空气循环量 空气的热容量较小 因此 风机的容量也相应增大 运行费用和噪音大大增加 二 我国7个采暖区域的分布图一级区区划指标 P59 表3 1 二级区区划指标 P60 表3 2 3 3水源热泵一 水源热泵的优缺点水的热容量大 传热性能好 换热设备结构紧凑 水温较稳定 故热泵运行工况也较稳定可使用地表水 河水 湖水 海水 地下水 深井水 泉水 地热水等 生活废水和工业用水 工业冷却水 生产工艺排放的废温水 污水等 来源广阔 必须靠近水源 应设有蓄水装置对水质有一定的要求 洁净度 防腐蚀等问题 二 地下水1 地下水的优点说明 无论是深井水还是地热水 都是热泵良好的低位热源 地下水位于较深的地方 随季节气温的波动很小 特别是深井水的水温常年基本不变 对热泵的运行十分有利 2 选用地下水作为低温热源时 应注意我国地下水分布的不均匀性含水层的渗透性地下水的温度地下水的水质我国地下水超采现象严重 已引起一些地质灾害问题 3 深井回灌夏灌冬用 把夏季温度较高的江河水 或经热泵冷凝器使用后的冷却水 太阳能集热器加热后的水通过深井管回灌到地下含水层中储存起来 冬季再从深井中将水抽出作为热泵的热源 冬灌夏用 把冬季温度较低的江河水 或经热泵蒸发器冷却后的深井水以及蒸发冷却的水回灌到地下含水层中储存起来 到夏季再抽出作为空调的冷源 三 地表水包括江 河 湖 海的水源 要求冬季不结冰 1 地表水的特点江河水流量变化大河流水温的变化小 图3 1 图3 2 河流含沙量大河流天然水质差异明显 2 海水源的特殊性近海域海水水温会因地 因时而异 同时海洋水温也会随着其深度的不同而异 P66 表3 6 海水含盐量高 腐蚀性强海洋生物会造成取水构筑物 管道和设备的堵塞 并不易清除海水取水构筑物在设计时 应充分注意到潮汐和海浪的影响取水口应避开泥沙可能淤积的地方 最好设在岩石海岸 海湾或防波堤内 四 生活废水说明 生活废水量大面广 作为热泵的低位热源 可使热泵具有较高的制热性能系数 城市污水是很好的热源 在整个采暖季内 温度比较稳定 现代化城市的污水处理设施十分完善 每天排放的大量污水经初步净化后 是水源热泵理想的低位热源 存在的问题 如何贮存足够量的水以应付供热负荷的波动 以及如何保持换热器表面的清洁和防止水的腐蚀 五 工业废温水说明 工业废温水形式很多 数量可观 利用价值很大 有的温度较高 可作为高温热源直接使用 而有的温度较低 则可作为低温热源使用 3 4土壤源热泵一 土壤源热泵的优缺点全年地温波动小 冬季土壤温度比空气温度高 热泵的制热性能系数较高 埋地盘管不需要除霜 在采暖季节 当室外气温最低时 此时采暖需热量最大 土壤的温度并不是最低 所以 热泵的供热能力也不会降到最低 埋地盘管冬季从土壤中取出的热量 在夏季可通过热传导由地面补充 因此 土壤同时也起了蓄能的作用 土壤的导热系数小 工质与土壤之间的热交换强度小 需要增大换热面积 金属耗量大 土壤对埋地盘管有腐蚀作用 应进行防腐蚀处理 在运转过程中因采热而引起地温发生变化 地温变化又造成土壤源热泵蒸发温度的变化 使运行工况不稳定 二 土壤性质对热泵性能的影响1 土壤源的特性土壤是热泵的一种良好的低温热源 其温度变化不大 换热器基本不需要除霜 并有一定的蓄能作用 土壤能源密度为20 40W m2 以土壤为热源的热泵装置不用风机 可减少噪音 2 土壤的性质土壤的热物性对地源热泵系统的性能影响较大 土壤属多孔介质 描述其热物性的基本参数主要包括土壤的密度 含水率 空隙比 饱和度 比热容及导热系数等 土壤性质随地区不同和季节的变化而异土壤主要热力参数是导热系数 和比热c土壤含湿量和密度对热力参数影响很大 3 盘管与土壤之间间隙对热泵性能的影响土壤源热泵在运行时 首先在埋地管周围出现冻土层现象 由于湿土壤冻结而膨胀 使得盘管与周围土壤接触的更紧密 传热系数增大 土壤源热泵停止运行后 土壤冻结部分又开始融化 而移位的土壤不能回复原处 使盘管与周围土壤之间产生空隙 于是传热系数又大大降低 防止产生空隙的主要方法 在埋地管周围填细沙 采用柔性盘管 使它随周围土壤一起移动而与土壤有紧密的结合 创造人工湿土壤 并使它冻结 3 5太阳能热泵一 太阳能热泵的优缺点太阳能是地球上一切能源的主要来源 是取之不尽 无公害 环保和洁净的能源 太阳辐射热具有很大的不稳定性 因此 要利用太阳能 必须要解决太阳能的间歇性和不可靠性问题 集热器是太阳能供热 制冷中最重要的组成部分 其性能与成本对整个系统起决定性作用 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 热泵装置可采用结构简单的低温平板集热器 其集热器效率较高 图3 10 且成本较低 常与建筑物做成一体 是利用太阳能的较好的方案 图3 11 热泵上可不设除霜装置 二 太阳能热泵的蓄热说明 为了解决太阳能利用的间歇性和不可靠性问题 太阳能热泵系统应设蓄热装置 卵石床蓄热 设置 可分别装在热泵低温侧和高温侧两边 也可只装在低温侧 图3 13 强调 太阳能热泵虽然在经济性方面存在问题较大 但是从能源的现状和未来新能源开发的趋势看 它作为热泵热源的发展前景是广阔的 3 6驱动能源和驱动装置一 热泵的驱动能源和能源利用系数1 驱动能源电动机驱动燃料发动机驱动 柴油机 汽油机 燃气机和燃气轮机等 外燃机驱动 斯特林发动机 锅炉等 说明 压缩式热泵的驱动能源主要是电能 其次是液体燃料 如汽油 柴油 和煤气等 2 能源利用系数 E 定义 供热量与消耗的初级能源之比说明 电能 液体燃料 气体燃料虽然同是能源 但其价值不同 电能通常是由其他初级能源转变而来 在转变过程中必然有损失 因此 对于有同样制热性能系数的热泵 若采用的驱动能源不同 则其节能意义及经济性均不同 3 能源利用系数计算 能流图 电动机驱动热泵的能源利用系数E 图3 14 内燃机驱动热泵的能源利用系数E 图3 14 二 电动机驱动说明 单相或三相交流电动机是热泵中最普遍的驱动装置 从最小的旋转式压缩机到最大的离心式压缩机一般都采用电动机驱动 缺点 电动机作为热泵驱动装置的主要缺点是一次能源利用率低 1 单相交流电动机单相交流电动机是压缩机常用的电动机 大多数借助于电容器来完成相移 移相电容器 也有靠电感器来完成的 其启动扭矩和效率不及三相交流电动机高 所以 对于启动频繁的中大型热泵 并不适宜采用 家用小型热泵都希望采用单相机 因为三相380V的电源线间短路触电的危险性较大 而且费用较高 2 三相交流异步电动机结构可靠 保养简单 热泵压缩机大都用此类电动机 鼠笼式感应电动机 其缺点是调速比较困难 3 直流电动机使用直流电源 能无级调速 启动转矩大和适宜于频繁启动 4 变频电动机通过改变电源频率调整电机转速 节能效果好 交流变频电动机的容量和转速需适应变频器最高频率下的功率和转速 三 燃料发动机驱动1 分类根据热机工作原理 分为内燃机和燃气轮机根据机器结构形式 分为往复式和透平式 回转式 2 内燃机驱动说明 内燃机可以用液体燃料或气体燃料 根据燃料不同有柴油机 汽油机 燃气机等 如充分利用燃料发动机的排气 汽缸冷却水套等的废热 就可得到较高的能源利用系数 具有明显的节能效果 图3 17 3 燃气轮机驱动讲解 需要装设回热设备 如余热锅炉等 图3 18 4 电动压缩式热泵与燃气压缩式热泵技术经济比较说明 采用燃气发动机比用电动机具有技术优势 当热泵额定功率较大时 还具有经济优势 柴油机驱动的热泵 比其他燃料发动机的热泵效率高 寿命长 可靠性好 天然气和液化石油气的价格比汽油便宜 比电价也便宜 故用燃气发动机驱动 节能又经济 技术经济分析表 四 蒸汽透平 蒸汽轮机 驱动1 蒸汽轮机驱动热泵方案说明 以河水为低温热源 热泵由蒸汽轮机驱动 从河水中吸取部分热量 用户采暖系统的回水先进入热泵装置 进行第一次加热 然后再进入蒸汽轮机的凝气器中 用蒸汽加热 提高其给水温度 最后通过热网送至热用户 图3 20 2 改进方案讲解 图示 3 7热泵系统中的蓄热一 蓄热的意义原因 由于有些热泵低温热源的温度和能量是变化的 如空气源的温度 太阳能的辐射强度等 所以 热泵的制热量将随之而变 同时需热量也不均衡因此 供需之间总存在不一致的矛盾 设置 解决该问题比较节能的方法是在系统内设置蓄热器 当热泵制热量供过于求时 将多余的热量储存起来 反之 供不应求时把热量释放出来使用 蓄热的优点 蓄热器储存低峰负荷时的热能 并提供给高峰负荷时使用 使热泵装置在高效下运行 既提高热泵装置的利用率 又减少设备的能量消耗 由于设备容量减小 减小了设备费和基建投资 电动热泵中蓄热还有调节电负荷的作用 可平衡电量的高峰及低峰负荷 实现削峰平谷 弥补低位热源的不可靠性和间歇性 二 蓄热材料1 单相蓄热材料利用材料的温度变化储存显热 如水 岩石 土壤等 要求比热大 密度大 有良好的热稳定性 不燃不爆 无毒无腐蚀性 价廉易得 说明 水是一种良好的单相蓄热材料 2 相变蓄热材料利用材料的相变储存潜热 如冰 石蜡等为常用相变蓄热材料 10点要求 P85 三 蓄热器用于储存低温热源能量的热容器主要有岩石蓄热器 蓄热水槽等四 热泵蓄热系统说明 其中 蓄热器 的 充热 和 放热 过程 图3 25 3 8热泵的经济性评价一 额外投资回收年限法热泵常用的技术经济比较方法是额外投资回收年限法说明 公式 3 6 3 11 二 能耗费用又称动力费用 加热费用 是指热泵或其他锅炉等加热同一热量时所需的燃料费用 图3 27 3 28 我国7个采暖区域的分布图 霜层厚度与传热系数的关系 图3 1日本东京箱崎地区河流水温与空气温度的变化 图3 3不同深度的土壤温度年变化情况 1 地面温度 2 气温 3 地面以下0 8m处的温度 4 地面以下3 2m处的温度 5 地面以下14m处的温度 图3 4水平地埋管年温度变化图 图3 11与建筑构造为一体的集热器a 敞开下降式 铝波纹板 b 停车场等的地下集热器 卵石床蓄热1 集热器2 蒸发器3 风机4 进蓄热器的空气5 离开蓄热器的空气6 空气分配器7 保温8 卵石 图3 13太阳能热泵热源侧的蓄热式集热器1 双层玻璃2 蒸发器平板3 隔热层 图3 14电能驱动热泵和带热回收的内燃机驱动热泵的能流图 a 电能驱动的热泵 b 带热回收的内燃机驱动热泵 图3 17具有热回收的燃料发动机的热泵 图3 18燃气轮机热泵的原理系统图1 燃烧空气压缩机 2 燃烧室 3 燃气轮机 4 废气热交换器 5 离心压缩机 6 冷凝器 7 节流阀 8 蒸发器 图3 20汽轮机驱动热泵方案1 锅炉 2 汽轮机 3 压缩机 4 蒸发器 5 节流阀 6 冷凝器 7 凝汽器 8 凝结水箱 9 水泵 10 预热器 11 热用户 汽轮机驱动热泵的改进方案1 蒸汽锅炉2 汽轮机3 发电机4 凝气机 一级加热器 5 二级加热器6 凝结水箱7 水泵8 预热器9 压缩机10 蒸发器11 节流阀12 冷凝器13 蒸汽调节阀 图3 22岩石蓄热器 图3 25热泵蓄热系统1 压缩机2 冷凝器3 三通阀4 节流阀5 蓄热器6 蒸发器 第四章空气源热泵空调系统 4 4空气源热泵机组的最佳平衡点 4 3空气源热泵的结霜与融霜 4 1空气源热泵机组 4 2空气源热泵机组的运行特性 4 5空气源热泵的低温适应性 4 1空气源热泵机组一 空气 空气热泵机组空气 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 柜式等分体挂壁机结构简图 P93 图4 1 讲解 热泵型空调器原理图 图4 2 说明 热泵型空调器常用功能 除湿 定时 静电过滤 自动送风 睡眠运行 热风启动等 第四章空气源热泵空调系统 柜式热泵空调机组外形图 图4 3 讲解 柜式机组流程图 图4 4 说明 空气 空气热泵机组若是一台室外机对应一台室内机的 常称为一拖一系统 多联 一拖多 系统分体式空调机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 二 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气源热泵热水器1 空气源热泵冷热水机组主要由压缩机 空气侧换热器 水侧换热器 节流机构等组成 P98 图4 8 讲解 机组制冷剂流程图 图4 10 说明 空气源热泵冷热水机组作为空调冷热源 其优势在于 冬夏共用 设备利用率高 省去了一套冷却水系统 不需另设锅炉房 机组可布置在室外 节省机房的建筑面积 安装使用方便 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 2 空气源热泵热水器一种利用空气作为低温热源来制取生活及采暖热水的热泵热水器 主要由封闭的热泵循环系统和水箱组成 P100 图4 11 讲解 热水器工作原理图 图4 12 说明 空气源热泵热水器的特点 高效节能 环保无污染 运行安全可靠 使用寿命长 适用范围广 但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 2空气源热泵机组的运行特性一 变工况特性热泵制热量 功率等随运行工况的变化规律LSQFR 130机组制热量 耗功与进风温度和供水温度的关系 P104 图4 15 二 当供水温度一定时说明 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 三 当环境温度一定时说明 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 4 3空气源热泵的结霜与融霜一 室外换热器结霜和除霜问题1 结霜的过程霜的形成大致可分为三个时期 即结晶生长期 霜层生长期和霜层充分生长期 2 结霜对换热器的影响少量结霜会使换热器表面变粗糙 可能在某一时间内改善换热器的性能 但影响较小大量结霜将使换热器的传热热阻增大 同时 空气通过换热器的阻力也增大 导致通过蒸发器的风量减少 二者的结果均使热泵的性能降低 P106 109 图4 16 4 24 3 室外侧换热器结霜的影响会对机组冬季的运行产生很大的影响 应采取措施解决空气源热泵的结霜问题 解决途径 一是延缓室外侧换热器结霜 二是选择良好的除霜方法 二 延缓结霜的技术增加一个辅助的室外换热器在室内换热器中设置一个电加热器改进系统 采用蓄能热气除霜系统 对换热器表面进行特殊处理适当增大室外换热器通过空气的流量 减少空气的温降 可减少结霜的危险 三 除霜方式空气除霜 一般要求室外空气温度高于2 3 时才可使用 电热除霜 电热管布置 热气除霜 蓄能热气除霜新系统 可实现系统制热 制热兼蓄热 余热蓄能 释能除霜 快速恢复制热等多工况之间的转化 水力除霜 4 4空气源热泵机组的最佳平衡点一 热泵制热量与建筑物耗热量计算式1 建筑物耗热量计算式讲解 Qx计算式 2 热泵的制热量计算式讲解 Qc计算式 说明 机组所提供的实际供热量曲线与建筑物热负荷曲线的交点O称为空气源热泵的平衡点 此时 机组所提供的热量与建筑物所需热负荷恰好相等 该点所对应的室外温度称为平衡点温度 Q t图示 二 热泵的平衡点与平衡点温度1 平衡点温度讲解 平衡点温度对于空气 空气热泵的运行经济性影响很大 如何合理选择平衡点温度十分重要 是一个技术经济性比较问题 平衡点温度低 要求配备的热泵容量就大 甚至可不设辅助加热器 但经济上不一定合理 图4 27 2 供热季节性能系数说明 用供热季节性能系数 HSPF 来评价热泵性能 较热泵制热性能系数更为合理 定义式 HSPF 整个供热季节采暖房间的耗热量 整个供热季节消耗的总能量 计算式 HSPF 供热季节热泵供给的总热量 供热季节辅助加热量 供热季节热泵消耗的总耗能量 供热季节辅助加热的耗能量 曲轴箱加热总耗能量 P116 公式4 4 分析 HSPF与热泵的容量有关 热泵容量小 则辅助电加热就增加 显然HSPF会减少 但是热泵容量太大 不仅设备费用增加 而且设备经常在部分负荷时工作 效率较低 同样会使HSPF减少 三 空气源热泵机组的最佳平衡点1 最佳能量平衡点说明 以电锅炉为辅助热源 在该平衡点温度下所选取的热泵机组HSPF最大 讲解 由最大HSPF P117 式4 5 确定最佳能量平衡点温度 Tb 2 最小能耗平衡点说明 以燃煤 油 气 锅炉为辅助热源 该平衡点温度作为热泵机组和辅助热源的开停转换点 可使整个运行季节的PER达到最大 讲解 由约束条件E热泵 E锅炉 4 6 确定最小能耗平衡点温度 3 最佳经济平衡点说明 即如果按此平衡点来选择机组和辅助热源 能够使整个供热系统 热泵 辅助热源 的初投资和运行费最少 讲解 影响最佳经济平衡点的因素有气候特性 负荷特性 能源价格 主机设备价格等 其中气候特性和能源价格是最主要因素 四 辅助加热与能量调节1 辅助加热加热方式 主要有电加热 燃料加热和蓄热器加热 用非峰值电力来储存的热量 讲解 单级和两级辅助加热的运行方式 图4 28 2 能量调节调节方式 有级能量调节 往复式压缩机等 无级能量调节 螺杆式压缩机等 讲解 多台压缩机可采用 台数调节法 P119 图4 30 阶梯法 即每台压缩机按各自的上 下限调定值开停 此法简单 但控制精度差 4 5空气源热泵的低温适应性一 空气源热泵在寒冷地区存在的问题当需要的热量比较大的时候 空气源热泵的制热量不足 空气源热泵在寒冷地区应用的可靠性差在低温环境下 空气源热泵的能效比 EER 会急速下降 二 改善热泵低温运行特性的技术措施在低温工况下 加大压缩机的容量 采用喷液旁通技术 螺杆机 涡旋机 加大室外换热器的面积和风量采用适用于寒冷气候的热泵循环 图4 31 4 40 图4 2热泵型分体式空调器原理图 图4 4柜式热泵空调机组流程图 图4 10空气源热泵冷热水机组制冷剂流程图 1 螺杆式压缩机 2 四通换向3 空气侧换热器 4 贮液器 5 干燥过滤器 6 电磁阀 7 制热膨胀阀 8 水侧换热器 9 液体分离器 10 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 图4 12空气源热泵热水器的工作原理 图4 25空气源热泵蓄能热气除霜系统1 压缩机 2 蓄能换热器 3 室内侧换热器 4 室外侧换热器 5 气液分离器 6 四通换向阀 7 毛细管 F1 F4 电磁阀 图4 15LSQFR 130机组制热量 耗功与进风温度和供水温度的关系 带有氟利昂电加热器的热泵图示 Q t0 x图 图4 27空气源热泵的稳态供热量Qs 实际供热量Qf 建筑物热负荷Ql随温度的变化示意图 图4 28具有辅助加热的热泵运行负荷 a 具有单级辅助加热的热泵 b 具有两级辅助加热的热泵 电热管的布置方式 第五章水源热泵空调系统 5 4海水源热泵空调系统 5 3地表水源热泵空调系统 5 1水源热泵机组 5 2地下水源热泵空调系统 5 5污水源热泵空调系统 5 1水源热泵机组一 定义又称水源热泵 它是指以水为热源 或热汇 的 可以进行制冷 制热的一种整体式热泵机组 它在制热时以水为热源 而在制冷时以水为热汇 有水 空气和水 水两种水源热泵机组 二 分类 根据低品位热源 水源热泵 Water SourceHeatPump 地下水源热泵 GroundWater SourceHeatPump 地源闭式环路热泵 Ground SourceClosed Loop 第五章水源热泵空调系统 三 水 空气热泵机组工作原理 图5 1 类型 暗装机组 明装机组 安装方式 整体机组 分体机组 结构形式 四 水 水热泵机组说明 与冷水机组的不同之处 水 水热泵的功能为一机两用 或一机三用 水 水热泵的制热工况与制冷工况相差较大 小型水 水热泵机组中通过四通换向阀 实现制热工况与制冷工况的转换 五 运行特性说明 生产厂家为了便于用户选用水源热泵机组 在产品样本上给出额定工况下机组的性能参数和运行特性 分析 P130 图5 4 5 2地下水源热泵空调系统一 组成与工作原理1 组成 浅层地能采集系统 水源热泵机组 水 水热泵或水 空气热泵 室内采暖空调系统 控制系统 2 工作原理 图5 5 二 设计要点包括建筑物内的空调系统的设计和水井系统 地下水换热系统 的设计两大部分说明 空调系统的设计同空气调节 地下水换热系统设计包括 工程场区调查与地下水水文地质勘 编写勘察报告 P132 地下水间接供水和直接供水系统系统形式的选择 水质要求 P132 工程项目所需的地下水总水量的确定 公式5 1 5 2 P133 热源井 抽水井和回灌井的总称 主要有管井 大口井 辐射井等 表5 1 5 2 P133 三 地下水回灌技术1 目的保护地下水资源改善和提高浅层地能 热 的利用效率保持含水层内的压力2 方法与灌抽比重力回灌 无压自流回灌 压力回灌 加压回灌 灌抽比 同一井的回灌水量与其抽水量之比 3 问题与对策说明 回灌能力下降原因 井孔 岩石表面和地层结构内发生堵塞 分析 引起堵塞的因素有 悬浮物堵塞 气泡堵塞 化学沉淀堵塞 微生物的生长 含水层细颗粒介质重组 对策 监测 回扬 维护与管理 再生与处理 5 3地表水源热泵空调系一 地表水换热系统的形式1 开式地表水换热系统通过取水口 并经简单污物过滤装置处理 然后在循环泵的驱动下 将处理后的地表水直接送入热泵机组或通过中间换热器进行换热的系统 图5 7 2 闭式地表水换热系统将封闭的换热盘管按照特定的排列方式放入具有一定深度的地表水体中 传热介质通过换热盘管管壁与地表水进行热交换的系统 图5 8 3 比较闭式循环介质较清洁 可避免内部堵塞 但盘管外部可能会结垢 闭式环路系统水泵扬程只需克服系统中的流动阻力 可减少泵功率 闭式循环机组的EER或COP相对开式系统略低 二 地表水的特点及影响水温随季度而变 类似空气源热泵 为避免盘管换热器结冰 水温应保持较高 否则 在冬季运行时 应选用防冻剂水溶液作为换热盘管的换热介质 如氯化钙水溶液 乙醇或乙二醇水溶液等 选用湖水与池水时 其表面面积和深度要与热负荷相适应 要根据地表水水质的不同采用合理的水处理方式 江河的径流特征值 水位 流量 流速等 是确定地表水源热泵取水位置 取水构筑物形式与结构的主要依据 三 地表水换热系统勘察地表水水源性质 水面用途 深度 面积及其分布不同深度的地表水水温以及水位动态变化地表水流速和流量动态变化地表水水质及其动态变化地表水利用现状地表水取水和回水的适宜地点及路线 5 4海水源热泵空调系统说明 是地表水源热泵空调系统中的一种 海水源热泵空调系统设计和运行中应充分注意防止海水的腐蚀 防治和清除海生物 冬季海水温度过低 3 采取一些特殊的技术措施 一 大型海水源热泵站1 组成海水取水构筑物 海水泵站 热泵站 供热与供冷管网 用户末端供热供冷系统2 原理图 图5 12 二 特殊技术措施1 防止海水腐蚀的主要措施采用耐腐蚀材料及设备 铜 钛合金 非金属材料等 表面涂敷防护 环氧树脂漆 环氧沥青涂料 硅酸锌漆等 采用阴极保护 牺牲阳极保护法 外加电流的阴极保护法 采用抗硅酸盐水泥及制品 或采用混凝土表面涂敷防腐技术 2 防治和清除海生生物的主要方法设置过滤装置 拦污栅 隔栅 筛网等 投放药物 氯气 二氧化氯 臭氧 异氰尿酸酯等 电解海水法 产生次氯酸钠可杀死海洋生物幼虫或虫卵 含毒涂料防护法安装换热器和管道自动清洗装置3 海水温度过低可采取的措施机组采用双级运行增加海水流量 减小海水的供回水温差 5 5污水源热泵空调系统一 污水源热泵的特殊问题污水流经管道和设备造成污水的流动阻塞和由于热阻的增加而恶化传热过程污水引起管道和设备的腐蚀运行稳定性相对于其他水源热泵差 其供热量随运行时间的延长而衰减运行管理和维修工作量大由于设备结垢导致机组耗功增加 二 污水源热泵站说明 为了提高系统的经济性 常在远离市区的污水处理厂附近建立大型污水源热泵站 MW级 制备热水通过城市管网向用户供热 三 原生污水源热泵设计应注意的问题应在取水设施中设置适当的水处理设备 P145 图5 14 应注意利用城市原生污水余热对后续水处理工艺的影响 污水水温降低过大 将影响市政曝气站的正常运行 应适当加大污水泵的扬程 或采取技术措施减少污水流动阻力损失应适当选用较大的换热器面积 或采取技术措施强化其传热过程 四 污水源热泵形式说明 根据热泵是否直接从污水中取热量污水源热泵 可分为直接式和间接式两种 直接式 污水直接通过热泵 或热泵的蒸发器直接设置在污水池中 通过制冷剂汽化吸取污水中的热量 间接式 热泵低位热源环路与污水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 比较 形式框图 图5 15 间接式运行条件较好 热泵机组不会堵塞 腐蚀 但中间换热器容易堵塞和腐蚀 间接式系统较复杂 设备 换热器 水泵等 多造价高直接式蒸发温度比间接式高2 3 较节能 五 防堵塞与防腐蚀技术措施在可能的条件下 宜选用二级出水或中水作污水源热泵的热源和热汇宜选用便于清污物的淋激式蒸发器和浸没式蒸发器在原生污水源热泵系统中要采取防堵塞的措施 设置筛滤器 自动清洗装置 加热清洁系统 在原生污水源热泵系统中 宜选用钛质传热器和铝塑传热管加强日常运行的维护保修工作 图5 1水源热泵工作原理图 a 制冷方式运行 b 供热方式运行1 全封闭压缩机 2 制冷剂 空气热交换器 3 制冷剂 水热交换器 4 四通换向阀 5 毛细管 6 过滤器 7 风机 图5 5典型地下水源热泵系统图示1 压缩机 2 冷凝器 3 节流机构 4 蒸发器 5 循环水泵 6 深井泵 7 板式换热器 8 热用户 9 抽水井 10 回灌井 V1 V8 阀门 图5 7开式地表水换热系统 图5 8闭式地表水换热系统 图5 12供热能力13MW热泵机组的原理图1 取水泵 2 蒸发器 3 离心式压缩机 4 电动机 5 变速装置 6 冷凝器 7 过冷器 8 管网循环泵 9 管网 10 高压节流阀 11 闪发器 12 低压节流阀 图5 15污水源热泵形式框图 在夏季 地下水源热泵机组按制冷工况运行时 地下水总水量为 在冬季 地下水源热泵机组按制热工况运行时 地下水总水量为 5 2 5 1 表5 1地下水取水构筑物的形式及适用范围 第六章土壤耦合热泵空调系统 6 4地埋管换热器的布置形式 6 3地埋管换热器的管材与传热介质 6 1土壤耦合热泵空调系统简介 6 2现场调查与工程勘察 6 5直接膨胀式土壤源热泵系统 6 1土壤耦合热泵空调系统简介说明 土壤耦合热泵空调系统是地源热泵系统的一种型式 又称地埋管地源热泵系统 土壤源热泵空调系统等 一 系统组成土壤耦合热泵空调系统通过中间传热介质 水或以水为主要成分的防冻液 在封闭的地下埋管中流动 实现系统与大地之间的传热 土壤耦合热泵空调系统一般由三个环路组成 室外环路 制冷剂环路 室内环路 图6 1 第六章土壤耦合热泵空调系统 二 系统分类图6 2根据是否存在中间传热介质 通常是水或添加防冻剂的水溶液 土壤耦合热泵还可以分为直接膨胀式 Directexpansionground coupledheatpump 简称DX GCHP 和间接膨胀式 又称第二环路土壤耦合热泵系统 Secondaryloopground coupledheatpump 简称SL GCHP 两种类型 6 2现场调查与工程勘察说明 土壤耦合热泵空调系统设计计算前的准备工作是通过现场勘察 水文地质调查 设置测试孔和监测孔以及热响应试验等 为方案选择与决策提供依据 同时也为设计计算提供设计材料和基础依据 之后进行的是地埋管换热器的传热分