第五章-热泵节能技术

热泵节能技术,热泵的起源及发展历程,热泵的评价,5.1热泵的基本工作原理与评价,水泵！,把水由低处提升到高处。,把热量从低温处抽到高温处。,热泵？,5.1.1热泵的定义,高位能与低位能,能源因其所处的状态不同，其价值也不同，能量按其质量可划分为高位能和低位能两种。通常以作功的本领来描述能量价值的大小。,例：室温下的4.1868kJ的热量和100下的4.1868kJ的热量相比，数量相等，但其质量却不同。,5.1.1热泵的定义,合理地使用高位能的问题是十分重要的。因为实际的能量利用过程有两个特性：量的守恒性和质的贬值性。任何用能过程实质上也可以说成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，必须做到按质用能。,5.1.1热泵的定义,节约能量的途径，过去认为不用能即节能，实际上应该提高能量的利用率，“建筑节能”应更准确地表述为“建筑合理用能”。,5.1.1热泵的定义,目前,标准、论文、书籍中有关“热泵”的定义与内涵却各不相同，常给人们一种模糊不清的热泵概念。,GB50155-99“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”。(NewInternationalDictionaryofRefrigeration)“热泵”的定义是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。,徐邦裕、马最良等编“热泵”定义为“靠高位能拖动，迫使热量从低位热源流向高位热源的装置。热泵的原理与应用（郁永章编）“热泵”是把处于低位的热能输送至高位的机械”。制冷工程技术词典（尉迟斌编）热泵解释为“可连续将热量从温度较低的物体（或环境）传递给温度较高物体的机械”。,5.1.1热泵的定义,把“热泵”理解为制冷机、制冷系统、装置与机械，各不相同。显然热泵不是制冷机，也不是制冷系统，而应该是一种装置或称为机械。热泵概念的引出应从合理的使用高位能的角度引出。制冷机可以作为热泵的工作机。因为制冷循环既制造了低于环境温度的物质，并从环境温度下的物体中吸取热量，又制造了高于环境温度的热量，而获得供热效果，形成了所谓的热泵作用。把“热泵”理解为一种装置或机械还不够，而应明确是一种节能装置或节能机械。,5.1.1热泵的定义,5.1.1热泵的定义,热泵可以把不能直接利用的低品位热能（如空气、土壤、水、太阳能、工业废热等）转换为可利用的高品位能，从而达到节约部分高位能（煤、石油、天然气、电能等）的目的。,热泵：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。,热泵定义内涵的理解：1）热泵是一种节能装置：虽然消耗一定的高位能，但供给用户的热量是消耗的高位热能与吸取的低温热能的综合。用户获得的热量永远大于消耗的高位能。,5.1.1热泵的定义,2）由动力机和工作机组成热泵机组热泵可设想如右图所示的节能装置（或称节能机械），由动力机和工作机组成热泵机组。利用高位能来推动动力机(如汽轮机、燃气机、燃油机、电机等)，然后由动力机驱动工作机(如制冷机、喷射器)运转，工作机像泵一样，把低位热能送至高品位，以向用户供热。,5.1.1热泵的定义,3）热泵既遵循热力学第一定律（“量”），热量在传递和转换过程中的能量守恒；也遵循第二定律（“质”），热量不可自发的、不付代价的、自动的从低温物体转移至高温物体。热泵是依靠高位能的拖动，迫使热量有低温物体传递给高温物体。,5.1.1热泵的定义,5.1.2热泵的起源及发展,“热泵”这个名词最早在欧洲使用约在十九世纪初。当时，人们对能否可用“泵”将热量从温度较低的介质送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。但就压缩式热泵的理论来说，可追溯到1824年法国物理学家卡诺发表的著名论文。,卡诺SadiCarnot,论证“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”,詹姆斯普雷斯科特焦耳,5.1.2热泵的起源及发展,1852年，英国威廉汤姆逊（后改名开尔文）发表论文，提出了热量倍增器（HeatMultiplier）的概念，首次描述了热泵的设想。,开尔文LordKelvin,5.1.2热泵的起源及发展,室外空气吸入气缸中进行膨胀，降温冷却的空气通过室外换热器吸收环境空气中的热，再进入排出气缸被压缩到大气压力，使其温度升到高于环境温度，送往用户，以供采暖之用。,5.1.2热泵的起源及发展,T,s,T2,T0,3,4,1,2,布雷顿（Bragton）循环,与制冷机的发展相比，由于取暖的方式多样化，简单而价廉，因此当时在技术上对热泵的迫需性就不大。这就是热泵的发展明显地滞后于制冷机的原因。,直至20世纪2030年代，热泵有了较快的发展。原因：一方面，在这之前工业技术特别是制冷机的发展为热泵的制造奠定了良好的基础；另一方面社会上出现了对热泵的需要。,5.1.2热泵的起源及发展,英国的第一台热泵,英国霍尔丹（Haldane）于1930年在他的著作中报导了1927年在苏格兰安装试验的一台家用热泵的安装及试验情况。,这台热泵是以空气为热源作热水供应和采暖用的。,5.1.2热泵的起源及发展,最早的大容量热泵应用,在19301931年间，美国南加利福尼亚爱迪生公司的洛杉矶办事处（LosAngeles）利用制冷设备供热。供热量达1050kw，制热系数达2.5。,5.1.2热泵的起源及发展,欧洲第一台较大热泵,19381939年间，安装于瑞士苏黎世。以河水作低温热源，采用离心式压缩机，R12作工质。向市政厅供热175kw，制热系数为2，输出水温60。有蓄热系统，高峰负荷时采用电加热作为辅助加热。,5.1.2热泵的起源及发展,日本的热泵试验及应用,1930年第一次报导热泵试验1937年在大型建筑物内装备热泵空调系统，采用透平式压缩机，以泉水为低温热源。,5.1.2热泵的起源及发展,热泵工业在20世纪40年代到50年代早期获得迅速发展。40年代后期出现许多更加具有代表性的热泵装置。,5.1.2热泵的起源及发展,1948年小型热泵有了很大的进展，家用热泵和工业建筑用的热泵大批投放市场。在英国50年代也产生了许多小型民用热泵。,热泵工业在20世纪50年代到60年代初得到了迅速的成长，而60年代和70初期的美国热泵工业又因可靠性低及设备费用高的问题一度受到抑制。60年代因电价的持续下降，人们更青睐使用电加热器。,1973年“能源危机”的出现，热泵又以其回收低温废热，节约能源的特点，在产品经改进后，重新登上历史舞台。,5.1.2热泵的起源及发展,5.1.2热泵的起源及发展,我国热泵空调发展,热泵空调在我国的应用与发展始终很缓慢。20世纪70年代末期，世界范围的能源危机，为热泵空调的发展与应用提供了机遇。20世纪80-90年代末，我国暖通空调领域掀起一股“热泵热”。,1980年上海工业局设计室与上海冷气机厂为上海某商场设计了国内第一套空气水热泵空调系统，运行效果良好。90年代开始，热泵空调器开始步入百姓家庭。在北京、上海、广州、深圳四城市普及率达42.8%。90年代，水环热泵空调系统在我国得到广泛应用。据统计，1997年工程共52项。,5.1.2热泵的起源及发展,我国热泵空调发展,5.1.3热泵的工作原理,与制冷机工作原理比较：1）相同：热力学原理-热机的逆循环；2）不同：使用的目的；工作温度范围。,制冷机利用吸收热量而使对象变冷，达到制冷的目的；而热泵则是利用排放热量，向对象供热，达到制热的目的。,5.1.3热泵的工作原理,制冷机与热泵的基本能量转换关系,热泵装置：从环境中吸取热量，传递给高温物体，实现供热目的；制冷机：从低温物体吸取热量传递给环境中去，实现制冷目的；联合循环机：从低温物体吸热，实现制冷，同时又把热量传递给被加热的对象，实现供热目的。,1-压缩机；2-冷凝器；3-节流机构；4-蒸发器；5-地板辐射供热；6-热网的循环水泵；7-热网；8-低温热源水的循环泵；9-河水,热泵供热系统原理图,5.1.3热泵的工作原理,5.1.3热泵的工作原理,热泵系统组成,高位能输配系统,低位能采集系统,热泵机组,热分配系统,问题复杂，影响因素很多。包括：负荷特性、系统特性、地区气候特性、低位热源特性、设备价格、设备使用寿命、燃料价格和电力价格等。“节能效果”与“经济效益”,5.1.4热泵的评价,（1）热泵的制热性能系数h,（2）热泵的能源利用系数E,（3）热泵的效率ex,（4）热泵的经济效益评价,5.1.4热泵的评价,（1）热泵的制热性能系数h,h1,5.1.4热泵的评价,逆卡诺(Carnot)循环,洛伦兹(Lorenz)循环,T,s,1,2,3,4,5,5.1.4热泵的评价,5.1.4热泵的评价,例如：若向室内供热10kw，采用两种用供热方案（1）采用电阻式加热器，直接加热室内空气，则需要供给的电能为10kw（2）用电能拖动热泵供热。,5.1.4热泵的评价,h=TH/（TH-TL）=7.07W=Q/h=1.414kw,假设供热温度为45低温热源温度为0，热泵采用逆卡诺循环，则:,热泵的供热季节性能系数HSPF(HeatingSeasonalPerformanceFactor),5.1.4热泵的评价,评价热泵用于某一地区在整个供暖季节运行时的热力经济性,5.1.4热泵的评价,（2）热泵的能源利用系数E,能源利用系数(E)：即一次能源的利用率，表示供热量与一次能耗的比值。,例：对于以电能驱动的热泵，若热泵制热性能系数为h，发电效率为1，输配电效率为1，则这种热泵的能源利用系数E为：,5.1.4热泵的评价,（3）热泵的效率ex,损失：热力过程中不可逆损失,5.1.4热泵的评价,（4）热泵的经济效益评价-投资回收年限法,：投资回收期（年）；I：热泵系统所需的投资（年）；A：燃料价格（元/J）；QE：热泵系统与传统系统相比，年节约能量（J/年）。,一般回收年限应在35年内为宜,一机多用。一座建筑物要实现冬季采暖、夏季制冷和日常提供生活热水三项功能，如果采用传统方式，一般需要安装各自独立的供暖系统和制冷系统，有的还需再独立安装供热水系统。而如果采用热泵系统，安装一套就可以了。投资项目少。安装热泵系统，不必再建燃料储存场地和运输燃料的通道，不必配备特殊的消防装置，不必对配电系统做大规模的增容。综合上述因素，热泵系统具备了优异的性能价格比，使用户用较少的初始投资，得到较多的实惠。,初始投资少,5.1.4热泵的评价,5.1.4热泵的评价,5.1.4热泵的评价,5.1.4热泵的评价,动态费用年值分析,将参与比较方案的系统造价按资金的时间价值折算为每年的费用，并与年运行费用相加得出费用年值，从若干方案中选取费用年值最小的作为最佳方案。,f费用年值，元/年；i利率或标准内部收益率，取0.08；m经济寿命，取15年；Csys造价（初投资），元；c年运行成本，元/年。,热泵技术就是一种有效节省能源、减少CO2排放和大气污染的环保技术。把热泵作为空调系统的冷热源，可以把自然界中的低温废热转变为暖通空调系统可利用的再生热能，节约了矿物燃料，进而减少温室气体排放。,热泵的环境效益,5.1.4热泵的评价,1、按工作原理：蒸汽压缩式气体压缩式蒸汽喷射式吸收式热电式化学式,5.2热泵的分类,5.2热泵的分类,2、按热泵的低位热源（HeatSource）可分为：空气源热泵水源热泵（地表水、地下水、生活废水、工业废水）土壤源热泵太阳能热泵,5.2热泵的分类,优点：空气随时随地可以利用，其装置和使用比较方便，对换热设备无害。缺点：空气参数(温、湿度)随地域和季节、昼夜均有很大变化。空气的比热容小，为获得足够的热量以及满足热泵温差的限制，其室外侧蒸发器所需的风量较大，使热泵的体积增大，也造成一定的噪声。,（1）空气,5.2热泵的分类,5.2热泵的分类,空气参数的变化规律对于空气热源热泵有重要影响，主要表现在：1）随着空气温度的降低，蒸发温度下降，热泵温差增大，热泵的效率降低。单级蒸气压缩式热泵虽然在空气温度低到-15至-20C时仍可运行，但此时制热系数将有很大的降低，其供热量可能仅为正常运行时的50以下。2）随着环境空气温度的变化，热泵的供热量往往与建筑物的供热负荷相矛盾，即大多数时间内均存在供需的不平衡现象。,5.2热泵的分类,5.2热泵的分类,）空气具有一定的湿度，空气流经蒸发器被冷却时，在蒸发器表面会凝露甚至结霜。蒸发器表面微量凝露时，可增强传热50-60，但阻力有所增加当蒸发器表面结霜时，不仅流动阻力增大，而且随霜层的增加而热阻提高。热泵除霜过程中,不仅不供热,还会产生除霜损失。,优点：水的比热容大，传热性能好，所以使换热设备较为紧凑。水温一般也较稳定，从而可使热泵运行性能良好。缺点：必须靠近水源，或设有一定的蓄水装置。对水质有一定的要求，输送管路和换热器的选择必先经过水质分析。防止可能出现的腐蚀。,（2）水,5.2热泵的分类,可供热泵作为低位热源用的水有地表水(河川水、湖水、海水等)和地下水(深井水、泉水、地下热水等)。,1）地表水水温随季度、水深度而变。,5.2热泵的分类,2）地下水地下水位于较深的地层中，因隔热和蓄热作用，其水温随季节气温的变化较小，特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵运行十分有利。大量使用深井水导致地面下沉，且逐步造成水源枯竭。因此，如以深井为热源可采用“深井回灌”的方法，并采用“夏灌冬用”和“冬灌夏用”的措施。,3）生活废水生活废水是指洗衣房、浴池、旅馆等的废水，温度较高，是可利用的低位热源。存在问题：如何贮存足够的水量以应付热负荷的波动，以及如何保持换热器表面的清洁和防止水对设备的腐蚀。,4）工业废水工业废水形式颇多，数量大、温度高，有的可直接再利用。,5.2热泵的分类,地表浅层土壤相当于一个巨大的集热器，土壤热源是人类可利用的可再生能源，是热泵的一种良好的低位热源。优点：蓄热性能好、温度稳定，无除霜要求，无热、噪音污染。缺点：热导率小，地下盘管换热器的传热系数小，需要较大的传热面积，因此地下盘管换热器比较大导致占地面积大；,（3）土壤,5.2热泵的分类,地下盘管换热器在土壤中埋得较深，土壤中埋设管道成本较高，运行中发生故障不易检修；用盐水或乙二醇水溶液作中间载热介质时，增大了热泵工质与土壤之间的传热温差和管内介质的流动阻力，影响热泵循环的经济性。,5.2热泵的分类,不同深度土壤温度曲线,太阳辐射穿过地球外围的大气层到达地表，地表接受到的辐射能量已大为减少，且受日、地距离和太阳方位角和高度角的影响，使早、晚和不同季节有很大差别。太阳能的集热和利用比其它几种热源来得复杂，设备投资也较高。太阳能作为热泵热源的应用实际上是指热泵与太阳能供热的联合运行。,5.2热泵的分类,（3）太阳能,空气源热泵系统,水源热泵系统,土壤源热泵系统,5.2热泵的分类,太阳能热泵系统,5.2热泵的分类,3、按热源与供热介质的组合方式可分为：空气空气热泵空气水热泵水水热泵水空气热泵土壤空气热泵土壤水热泵,5.2热泵的分类,空气空气热泵,5.2热泵的分类,分体式热泵空调器VRV热泵系统,空气水热泵,空气源热泵冷热水机组,水空气热泵,5.2热泵的分类,水环热泵空调系统中的小型室内热泵机组,水水热泵,井水源热泵冷热水机组污水源热泵土壤源热泵,土壤水热泵,土壤空气热泵,5.2热泵的分类,4、按热泵的功能分：单纯制热，仅为供暖、热水供应；全年空调，冬夏季交替制冷与制热；同时制冷与制热；热回收热泵空调。,5.2热泵的分类,5、按热泵循环的驱动方式分：电动机驱动热驱动，如吸收式、蒸汽喷射式热泵发动机驱动，如内燃机、汽轮机驱动,5.2热泵的分类,6、按供热温度分：低温热泵，供热温度100,水源热泵,5.3常见的热泵系统介绍,5.3.1.空气源热泵,1、空气源热泵机组特点,2、空气源热泵机组变工况特性,3、空气源热泵空调机组冬季除霜控制,4、空气源热泵系统的平衡点,5、空气源热泵的适用性,5.3.1.空气源热泵,定义：以室外空气为热源，空气源热泵机组也称为风冷热泵机组，是空气/空气热泵和空气/水热泵的总称。Air-sourceHeatPump（ASHP）,（1）优点：用空气作为低位热源，取之不尽，用之不竭，可无偿地获取；一机两用，具有夏季供冷和冬季供热的双重功能；不需要冷却水系统，省去了冷却塔、水泵及其连接管道；安装方便，机组可放在建筑物顶层或室外平台上，省去了专用的机房。,1、空气源热泵机组特点,（2）缺点：由于空气的传热性能差，所以空气侧换热器的传热系数小，换热器的体积较为庞大，增加了整机的制造成本。由于空气的比热容小，为了交换足够多的热量，空气侧换热器所需的风量较大，风机功率也就大，造成了一定的噪音污染。,5.3.1.空气源热泵,当空气侧换热器表面温度低于0时，空气中的水蒸气会在换热器表面结霜，换热器的传热阻力增加使得制热量减小，所以风冷热泵机组在制热工况下工作时要定期除霜。除霜时热泵停止供热，影响空调系统的供暖效果。冬季随着室外气温的降低，机组的供热量逐渐下降，此时必须依靠辅助热源来补足所需的热量，这就降低了空调系统的经济性。,5.3.1.空气源热泵,窗式热泵空调系统原理图,5.3.1.空气源热泵,分体式热泵空调机组,5.3.1.空气源热泵,5.3.1.空气源热泵,空气源热泵冷热水热泵机组,空气源热泵热水器,5.3.1.空气源热泵,5.3.1.空气源热泵,2、空气源热泵机组变工况特性,热源温度变化对机组供热能力的影响,（1）制热量随室内温度的增高而减少,（2）输入功率随室内温度的增高而增加,（3）制热量随环境温度的降低而减少,（4）输入功率随环境温度的降低而下降,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,蒸发温度的影响,冷凝温度的影响,2,2,5.3.1.空气源热泵,（1）制热量随室内温度的增高而减少,5.3.1.空气源热泵,主要是由于室内温度的增高相应提高了冷凝温度，当冷凝温度提高后的工质液体节流以后其干度增加，液体量的减少必然导致系统从环境中吸收的汽化潜热减少，制热量也就相应减少。,（2）输入功率随室内温度的增高而增加,由于冷凝压力相应提高后压缩机的压力比增加，压缩机对每千克工质的耗功增加，导致压缩机的输入功率增加。,5.3.1.空气源热泵,这主要是由于环境温度的降低相应降低了蒸发温度，当蒸发温度降低后的压缩机吸气温度也会下降，吸气比容增加使得系统的工质流量下降，制热量也就相应减少。当环境温度降低到0左右时，空气侧换热器表面结霜加快，此时蒸发温度下降速率增加，机组制热量下降加剧。,（4）输入功率随环境温度的降低而下降,当环境温度降低时系统的蒸发温度降低，使压缩机的制冷剂流量减小，压缩机的输入功率也就下降。,（3）制热量随环境温度的降低而减少,5.3.1.空气源热泵,3、空气源热泵空调机组冬季除霜控制,（1）结霜过程及其影响因素,霜层的形成是一个非常复杂的热质传递过程，与所经历的时间、霜层形成时的初始状态和霜层的各个阶段密切相关。根据霜层结构不同将霜层形成过程分为霜层晶体形成过程、霜层生长过程和霜层的充分发展过程三个不同阶段换热器结霜过程研究表明，影响换热器上霜层形成速度的因素主要有换热器结构、结霜位置、空气流速、壁面温度和空气参数。,在结霜工况下热泵系统性能系数在恶性循环中迅速衰减：霜层厚度不断增加使得霜层热阻增加，使蒸发器的换热量大大减少导致蒸发温度下降，蒸发温度下降使得结霜加剧，结霜加剧又导致霜层热阻进一步加剧。,5.3.1.空气源热泵,（2）除霜过程及其控制方法,5.3.1.空气源热泵,除霜方法：空气除霜：室外空气温度高于23采用；电热除霜：将电加热器放置在蒸发器上；热气除霜：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。,（2）除霜过程及其控制方法,5.3.1.空气源热泵,目前，空气源热泵机组都采用热气冲霜，即通过四通阀切换改变工质的流向进入制冷工况，让压缩机排出的热蒸气直接进入翅片管换热器以除去翅片表面的霜层。从实际效果来看，往往导致室内温度波动过大，用户有明显的吹冷风感觉。另外，当机组除霜结束恢复制热时，有可能出现启动困难甚至发生压缩机电机烧毁的现象。,空气源热泵的除霜控制方法：1）定时除霜法2）时间温度法3）模糊智能控制除霜法,5.3.1.空气源热泵,5.3.1.空气源热泵,1）定时除霜法,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。,5.3.1.空气源热泵,2）时间温度法,用换热器盘管温度(或蒸发压力)、除霜时间以及除霜周期，来控制除霜的开始和结束。,a）当室外侧换热器表面开始结霜时，盘管温度就会不断下降，压缩机吸气温度以及吸气压力也会不断下降。当盘管温度(或吸气压力)下降到设定值t1时，绑在盘管上的温度传感器将信号输入时间继电器开始计时，同时四通换向阀动作，机组进入除霜模式(制冷工况)。室外风机停止转动，压缩机的高温排气进入室外翅片管换热器，使盘管表面霜层融化，盘管温度也随之上升。,b）当盘管温度(或排气压力)上升到设定值t2时或除霜执行时间达到设定的最长除霜时间b(min)时除霜结束，风机启动，四通换向阀动作，机组恢复制热工况。室外换热器表面又开始结霜使得盘管的温度又会不断下降，当盘管温度第二次下降到设定值t1且超过设定的除霜周期a(min)时进入第二次除霜模式。,5.3.1.空气源热泵,5.3.1.空气源热泵,3）模糊智能控制法,模糊智能控制除霜系统一般是由数据采集与AID转换、输入量模化、模糊推理、除霜控制、除霜监控及控制规则调整五个功能模块组成。通过对除霜过程的相应分析，修正除霜的控制规则，可以使除霜控制自动适应空气源热泵机组工作环境的变化，实现智能除霜的目标。,4、空气源热泵系统的平衡点,5.3.1.空气源热泵,（1）热泵供热量与建筑物耗热量的供需矛盾,空气源热泵空调系统设计中需要解决的重要问题，就是机组供热量与建筑物耗热量的供需矛盾。应从三方面着手：经济合理地选择平衡点温度，合理选取辅助热源及其容量，热泵的能量调节方式。,5.3.1.空气源热泵,（2）最佳平衡点温度,以空气源热泵系统冬季运行耗能最少为目标确定的平衡点温度，称为最佳能量平衡点温度。如果按此平衡点选择热泵机组，就能够使整个系统获得最大的供热季节性能系数HSPF，即输入相应的功可获得最大的季节供热量。,5.3.1.空气源热泵,对于某一具体的建筑物，平衡点温度取得低，要求配置的热泵容量就大，则选用的辅助热源较小，甚至可以不设辅助加热器。虽然辅助热源的初投资和运行费用较低，但这样热泵容量过大，机组的初投资较高且运行效率降低，经济上不一定是合理的。平衡点温度取得高，所选择的热泵机组较小，初投资和运行费用较低，但所必需的辅助热源较大，辅助热源的初投资和运行费用较高，亦不利于节能。,图中O点称平衡点，tO为平衡点温度,5.3.1.空气源热泵,（3）辅助加热,辅助加热源有三种：电加热燃烧燃料加热非峰值电力储存的热量加热,5.3.1.空气源热泵,5.3.1.空气源热泵,（4）空气源热泵机组的能量调节,热泵机组的制热量与建筑物的耗热量匹配运行对空调系统的节能运行至关紧要。当空气源热泵空调系统在高于平衡点温度的条件下运行时，热泵机组制热能力大于建筑物的耗热量，这就要求调节机组的制热能力以减少运行中的能耗。,调节方式:分级能量调节与变容量柔性调节1）分级能量调节空气源热泵机组一般采用多台封闭式压缩机，当室内负荷减小或机组出水温度达设定值后，自动停止部分压缩机运行，以此实现分级调节运行。,5.3.1.空气源热泵,5.3.1.空气源热泵,2）压缩机的变容量柔性调节目前常用的变容量压缩机有两种，即变频压缩机和数码涡旋压缩机。,5.3.1.空气源热泵,5、空气源热泵的适用性,先进科学的化霜技术是空气源热泵机组冬季运行的可靠保障。寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障碍；但在冬季气候较温和的地区，如我国长江中下游地区，己得到相当广泛的应用；,5.3.1.空气源热泵,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：,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26kg，te-8的运行时间大于250小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26kg，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）,5.3.1.空气源热泵,3）全年累计除霜时间为5001000小时，每kg湿空气累计除霜量为720kg，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）,5.3.1.空气源热泵,6、空气源热泵设计要点,（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。,5.3.1.空气源热泵,（2）辅助热源形式1）电加热器，分档开、关；2）燃油、燃气热水锅炉。（3）防止结霜与除霜选择设备时，要注意：1）设备要有良好的除霜措施；2）要考虑除霜的额外能耗，将设备容量增大510%。,5.3.1.空气源热泵,（4）冷（热）水系统,（5）设备安装在通风良好的地方,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。,1）机组与四周建筑物的距离。2）机组之间的距离。,5.3.2.水源热泵,1、水源热泵机组特点和分类,2、地表水源热泵,3、地下水源热泵,4、污水源热泵,5、水环热泵,水源热泵机组是指以水为热源(汇)的可进行制冷/制热的一种整体式热泵机组，通常是水/空气或水/水两种水源热泵机组。Water-SourceHeatPump,5.3.2.水源热泵,（1）优点：水的比热容大，传热性能好，所以使换热设备较为紧凑；水温一般也较稳定，从而可使热泵运行性能良好。1）属可再生能源利用技术：利用的是清洁的可再生能源的一种技术；,1、水源热泵机组特点和分类,5.3.2.水源热泵,2）高效节能：冬季，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高；夏季，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和水冷却塔式，机组效率提高；3）运行稳定可靠：水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性，不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。,5.3.2.水源热泵,2）环境效益显著：水源热泵机组的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量；3）一机多用：一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。,5.3.2.水源热泵,（2）缺点：1）可利用的水源条件限制：水源热泵理论上可以利用一切的水资源，其实在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当大的。所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。而且水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度；2）水层的地理结构的限制：对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质的结构，确保可以在经济条件下打井找到合适的水源，同时还应当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用后尾水的回灌可以实现；,5.3.2.水源热泵,3）投资的经济性：由于受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响，水源的基本条件的不同；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同，虽然总体来说，水源热泵的运行效率较高、费用较低。但与传统的空调制冷取暖方式相比，在不同地区不同需求的条件下，水源热泵的投资经济性会有所不同。,（3）分类目前常用的有两类：一是小型的水/空气热泵机组和水/水热泵机组(四通换向阀功能转换)；二是可用于集中供热、供冷的水/水热泵机组，它以地下水、地表水、城市污水为热源。,5.3.2.水源热泵,地下水源热泵,地表水源热泵,污水源热泵,水环热泵,一般可分为：,5.3.2.水源热泵,（4）影响水源热泵系统运行性能的因素,影响水源热泵系统运行效果的重要因素：1）水量：满足用户热负荷和冷负荷的要求2）水温：水温适度，应适合机组运行工况要求，（热泵工况1222，不低于10；制冷工况1830）3）水质：防止腐蚀、磨损、堵塞4）供水稳定性,水源系统的原则要求,5.3.2.水源热泵,1）水量,水量是影响水源热泵系统工作效果的关键因素，一项工程所需水量多少由该工程负荷与机组性能确定，所选择的水源水量应满足负荷要求。如果其他各种条件均具备，但水量略有不足，其缺口可采取一定辅助弥补措施解决。如水量缺口较大，不能满足负荷要求，就应考虑其他方案。不同工程的场地环境和水文地质条件千差万别，可利用的水源各不相同，应因地制宜地选择适用水源。当有不同水源可供选择时，应通过技术经济分析比较，择优确定。,5.3.2.水源热泵,2）水温,地表水水温随季节、纬度和深度不同而变化。长江以北和高原地区，冬季地表水结冰，无法利用于制热供暖。夏季水温一般低于30，可用于制冷空调。,地下水水温随自然地理环境、地质条件及循环深度不同而变化。近地表处为变温带，变温带之下的一定深度为恒温带，地下水温不受太阳辐射影响。不同纬度地区的恒温带深度不同，水温范围1022。恒温带向下，地下水温随深度增加而升高，升高多少取决于不同地域和不同岩性的地热增温率。,5.3.2.水源热泵,西湖水温,长江水温,5.3.2.水源热泵,3）水质,应用水源热泵时，除应关心水源水量、水温外，还应关注、化学成分、浑浊度、硬度、矿化度和腐蚀性等因素。,含砂量与浑浊度,有些水源含有泥沙、有机物与胶体悬浮物，使水变得浑浊。水源含砂量高对机组和管阀会造成磨损。含砂量和浑浊度高的水用于地下水回灌会造成含水层堵塞。,西湖水含砂量,长江水含砂量,5.3.2.水源热泵,5.3.2.水源热泵,水的化学成分及其化学性质,自然界水中溶有不同离子、分子、化合物和气体，使得水具有有酸碱度、硬度、矿化度和腐蚀性等化学性质，对机组材质有一定影响。酸碱度：水的pH值小于7时，呈酸性，反之呈碱性。水源热泵的水源pH值应为6.5-8.5。硬度：水中Ca2+、Mg2+总量称为总硬度。硬度大，易生垢。水源热泵水源水中的CaO含量应200mg/L。矿化度：单位容积水中所含各种离子、分子、化合物的总量称为总矿化度，用于水源热泵系统的水源水矿化度应3g/L。腐蚀性：水中Cl-、游离CO2等都具腐蚀性，溶解氧的存在加大了对金属管道的腐蚀破坏作用。应用水源热泵系统时，对腐蚀性、硬度高的水源，应在系统中加装抗腐蚀的不锈钢换热器或鈦板换热器。,地表及浅层的水源一般都是生水，这些非标准水质的水对水循环系统的危害：1）结垢：水在循环过程中由于水分蒸发，热分解，二氧化碳气体吹失等因素，不稳定溶解盐的平衡遭到破坏，使部分离子在水中呈结晶析出，附在管壁结成水垢；2）生物污染：水中的细菌霉、藻类等微生物体与灰尘，泥沙混合在一起，形成泥状污浊物；3）腐蚀：水中存在的溶解氧及其它腐蚀性离子与管壁金属发生化学反应，形成腐蚀。,5.3.2.水源热泵,（5）热源(热汇)循环水系统的水处理,5.3.2.水源热泵,非标准水质的水对水循环系统的危害具体表现以下三个方面：1）降低了传热效率，大量浪费能源。2）污垢的积聚导致局部腐蚀，该种腐蚀的速度为正常腐蚀速度的45倍，会使设备在短期内穿孔而损坏。3）污垢在管内沉积，降低了水流通的截面积，增大了水流的阻力，增加了设备运行费用。,所以，对空调系统中的水循环进行水处理十分必要,5.3.2.水源热泵,水处理方法主要有：,1）除砂：除砂器与沉淀池，当水源水中含砂量较高时，可在水源水管路系统中加装旋流除砂器，降低水中含砂量，避免机组和管阀遭受磨损和堵塞；如果工程场地面积较大，也可修建沉淀池除砂。2）除铁：进入冷却水，冷水和温水系统的铁是造成沉淀、污染或水垢危害的原因，也是二次腐蚀的原因。一般当水中含铁量0.3mg/L时，应在水系统中安装除铁处理设备。,5.3.2.水源热泵,3）净水过滤器：有些水源，浑浊度较大，用于回灌时容易造成管井滤水管和含水层堵塞，影响供水系统的稳定性和使用寿命。对浑浊度大的水源，可以安装净水器进行过滤。4）电子水处理仪：在水源中央空调系统运行过程中，冷凝器中的循环水温度较高，特别是在冬季制热工况下，水温常常在50以上，水中的钙、镁离子容易析出结垢，影响换热效果。通常在冷凝器循环水管路中安装电子水处理仪，防止管路结垢。5）化学方法(俗称加药)：一般是加入3种不同作用的水处理药剂：缓蚀剂、阻垢剂及杀菌灭藻剂。,2、地表水源热泵Surface-WaterHeatPump,5.3.2.水源热泵,地表水地源热泵是利用江、河、湖、海的水作为热源或热汇的热泵系统。,（1）地表水的特点：1）河流水温的变化：随季节、纬度和深度不同而变化2）江河水流量变化大3）河流含沙量大4）河流天然水质差异明显,5.3.2.水源热泵,与空气源热泵相似，地表水源热泵的热源温度受气候的影响较大，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。,总的来说，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。,地表水源热泵系统要求具有足够体积的地表水源可供使用而且地理位置便利，且换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。,根据热泵机组与地表水的连接式不同，地表水热泵系统可分为开式和闭式两种系统。,5.3.2.水源热泵,开式,闭式,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。,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。,（2）地表水源热泵的分类,开式地表水换热系统,5.3.2.水源热泵,5.3.2.水源热泵,闭式地表水换热系统,5.3.2.水源热泵,开式和闭式系统性能比较：,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；闭式循环机组循环介质的温度一般要比地表水的水温低27，闭式循环热泵的EER或COP相对开式系统略低。,5.3.2.水源热泵,地表水源热泵系统,（3）地表水换热系统勘察,5.3.2.水源热泵,勘察内容：1）地表水水源性质、水面用途、深度、面积及其分布；2）不同深度的地表水水温以及水位动态变化3）地表水流速和流量动态变化4）地表水水质及其动态变化5）地表水利用现状6）地表水取水和回水的适宜地点及路线,地表水取水设计应考虑环境保护问题，冷热交替问题，冷热平衡问题。取水温差过大会破坏生态环境取水、排水口位置不当机组运行效率会降低取水区域不当会损坏换热盘管,（4）地表水取水设计,5.3.2.水源热泵,5.3.2.水源热泵,（5）海水源热泵空调系统,地表水源热泵空调系统中的一种，其特点：海水温度差异较大海水含盐高海洋生物潮汐和波浪泥砂淤积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。,特殊技术措施：,5.3.2.水源热泵,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。,5.3.2.水源热泵,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。,5.3.2.水源热泵,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。,5.3.2.水源热泵,3、地下水源热泵Ground-WaterHeatPump,地下水位于较深的地层中，因隔热和蓄热作用，其水温随季节气温的变化较小，特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵运行十分有利。与传统及空气源热泵比较，其特点：1）具有较好的节能性：地下水温稳定，冬暖夏凉，机组的供热季节性能系数和能效比高；2）显著的环保效益：地下水为清洁能源；3）具有良好的经济性：节约运行费用；4）能够减少高峰需电量；5）回灌是地下水源热泵的关键技术：生态问题,5.2热泵的分类,1）按回灌井的设置，地下水源热泵系统可分为两种，一种为同井回灌，另一种为异井回灌。,（2）地下水源热泵系统分类,5.3.2.水源热泵,取水和回水在不同的井内进行，从一口抽取地下水，送至井口换热器中，与热泵低温水换热，地下水释放热量后，再从其它的回灌井内回到同一地下含水层中。若地下水水质好，地下水可直接进入热泵，然后再由另一口回灌井回灌回去。,异井回灌,5.3.2.水源热泵,取水和回灌水在同一口井内进行，通过隔板把井分成二部分，一部分是低压（吸水）区，另一部分是高压（回水）区。当潜水泵运行时，地下水被抽至井口换热器中，与热泵低温水换热，地下水释放热量后，再由同井返回到回水区。,同井回灌,5.3.2.水源热泵,2）地下水地源热泵系统可分为开式系统和闭式系统。,开式系统：将地下水直接供应到每台热泵机组，经换热后将井水回灌到地下或直接定点排放。由于可能导致管路阻塞，更重要的是可能导致腐蚀的发生，通常不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。,闭式系统：通过一个板式换热器将地下水与建筑物内的水系统分隔开，避免了建筑内热泵系统设备的腐蚀。,5.3.2.水源热泵,5.3.2.水源热泵,1）地下水回灌目的：补充地下水源，调节水位，维持储量平衡回灌蓄能，如冬灌夏用，夏灌冬用保持含水层水头压力，防止地面下沉,（3）人工回灌,地下水人工补给即回灌，就是将被水源热泵机组交换热量后排出的水再注入地下含水层中去。,5.3.2.水源热泵,2）回灌水的水质,目前，尚无回灌水水质的国家标准，各地区和各部门制定的标准不尽相同。应坚守一个准则：回灌水质要好于或等于原地下水水质，回灌后不会引起区域性地下水水质污染。,5.3.2.水源热泵,3）回灌类型,根据工程场地的实际情况，可采用地面渗入补给，诱导补给和注入补给。,1）地面渗水法：人为地引补给水至入渗池等地面工程，使之渗入地下，补给地下水；2）诱导补给法：在地表水体附近，通过抽取地下水使其水头低于地表水水位，达到地表水入渗补给地下水的目的；3)注入式：一般利用管井进行（故也称为井回灌法），常采用无压（自流，重力）、负压（真空）和加压（正压，压力）回灌等方法。,a）真空回灌在管路密封装置下,利用真空虹吸原理产生水头差进行回灌。适于地下水位埋藏深（静水位埋深在10米以下），含水层渗透性好。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。,5.3.2.水源热泵,b）重力回灌,5.3.2.水源热泵,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%。,c）压力回灌,5.3.2.水源热泵,即用压力注水的回灌方法。适用于地下水位高、透水性差的含水层。缺点：回灌时对井冲击力强。,4）回灌量,回灌量大小与水文地质条件、成井工艺、回灌方法等因素有关，其中水文地质条件是影响回灌量的主要因素。采灌比是确定抽灌井数的主要依据。采灌比Rateofexploitationtoinjection：开采水量与回灌水量的比值。,5.3.2.水源热泵,要求是等量回灌。但是，由于成井质量、回灌技术等原因，很难保证达到100%回灌。通过对地下水源热泵的实例调查发现，回灌率最高的可达到80%，最低的仅有20%，在回灌率较差的地方已经出现较为严重的地面沉降。,5.3.2.水源热泵,不同水文地质条件下的地下水系统设计参数,目前大多数国家的地下水回灌技术尚不成熟特别在含水层砂粒较细的情况下,回灌井极易被堵。,5.3.2.水源热泵,5）回扬,回灌井的堵塞是造成系统运行灌抽比降低的原因。国内普遍认为，在回灌过程中，井的堵塞是不可避免的。造成井堵塞的原因是多种多样的，大致可以归纳为6种：悬浮物堵塞、微生物的生长、化学沉淀、气泡阻塞、黏粒膨胀和扩散、含水层细颗粒重组。为预防和处理管井堵塞主要采用回扬的方法。,5.3.2.水源热泵,回扬：回灌管井堵塞到一定程度后，不再回灌水，而改为抽水，将堵塞过滤器的堵塞物抽出，将浑水排放。每口回灌井回扬次数和回扬持续时间主要由含水层颗粒大小和渗透性而定。在岩溶裂隙含水层进行管井回灌，长期不回扬，回灌能力仍能维持；在松散粗大颗粒含水层进行管井回灌，回扬时间约一周12次；在中、细颗粒含水层里进行管井回灌，回扬间隔时间应进一步缩短，每天应12次。,5.3.2.水源热泵,在回灌过程中，掌握适当回扬次数和时间，才能获得好的回灌效果，如果怕回扬多占时间，少回扬甚至不回扬，结果管井和含水层受堵，反而得不偿失。回扬持续时间以浑水出完，见到清水为止。,（4）井水的老化,5.3.2.水源热泵,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。,5.3.2.水源热泵,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.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；,5.3.2.水源热泵,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；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,5.3.2.水源热泵,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.每一口井必须设有井窝，井窝直径约为1m，深约1.3m，用以安装井口装置。,5.3.2.水源热泵,地下水热泵系统受到许多限制。首先，这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。因此在决定采用地下水热泵系统之前，一定要做详细的水文地质调查，并先打勘测井，以获取地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据。地下水热泵系统的经济性与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低，不仅钻井的费用增加，运行中水泵