热泵的驱动热源及性能评价指标-上

第二章热泵的驱动热源及性能评价指标-上2．1热泵的热源

热泵的作用是将低品位热源的热量提升为高品位的热量。热泵的供热温度取决于用热对象的要求。对于暖通空调领域，根据系统末端形式不同，供热介质的温度一般在40～60℃，因而供热温度(即冷凝温度)应在45～65℃。热泵系统的经济性和可能提供的热能品质都与热源的特性有关，而热泵应用的关键之一就是寻找并巧妙地利用合适热源。热泵的热源应满足如下一些要求①供热工况时，热源温度应尽可能高，使热泵的工作温升尽可能小，以提高热泵的制热系数。②热源应尽可能提供必要的热量，最好不需附加装置，即附加投资应尽量少。③用以分配热源热量的辅助设备(如风机、水泵等)的能耗应尽可能小，以减少热泵的运行费用。④热源对换热器设备应无腐蚀作用，且尽可能不产生污染和结垢现象。热泵可利用的热源可分为两大类：1）其一为自然能源，热源温度较低，如空气、水(地下水、海水、河川水等)、土壤、太阳能等；2）另一种为生产或生活中的排热，如建筑物内部的排热，工厂生产过程中的废热，下水、地下铁道、变电所、垃圾焚烧工厂的排热，这类热源中有的温度较高。这两大类均属“未利用能”，通过热泵的作用加以利用，可以获得很好的效益。2．1．1自然能源

2．1．1．1空气

空气随时随地可以利用，其装置和使用比较方便，故目前成为热泵装置的主要热源。空气在各种不同温度下都能提供一定数量的热量。但由于空气的比热容小，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。空气热源的主要缺点:空气参数(温度、湿度)随地域和季节、昼夜均有很大变化。空气参数的变化规律对于空气热源热泵的设计与运行有重要影响，主要表现在以下几方面: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。尽管目前已开发出压缩比大或中间喷射的单级蒸气压缩式热泵，可使热泵在空气温度低到一20～一15℃时仍可运行，但此时制热系数将大大降低，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。③空气热源的另一个缺点是，由于空气有一定湿度，当空气流经蒸发器被冷却时，在蒸发器表面会凝露甚至结霜(低温时)。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，而且随霜层的增加热阻提高。环境气温低而相对湿度高时易结霜。除霜时，热泵不仅不供热，还要消耗除霜所需耗的热量。根据现有的工程实践，在我国长江中下游地区，空气源热泵有广泛的应用前景。2．1．1．2水

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)、地下水(深井水、泉水、地下热水等)、电厂冷却循环水、矿井水及工业余热。水的比热容大且传热性能好，水温一般也较稳定，所以换热设备较为紧凑，热泵运行性能良好。

其缺点是：首先，热用户一般需靠近水源或设有一定的蓄水装置；其次，对水质也有一定的要求，输送管路和换热器的选择必须先经过水质分析，否则可能出现腐蚀和微生物热阻。

水源热泵空调系统是一种高效、节能、环保型产品，但并不是在任何条件下都可以应用，其制约条件是电源和水源。目前，我国电力供应较充足，容易解决。而水源则是其主要限制条件，没有适合可靠的水源就不能使用水源热泵。(1)地表水一般来说，只要地表水冬季不结冰，均可作为低温热源使用。海水吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，海水的温度一般十分稳定。海水源热泵机组工作原理就是以海水作为提取和贮存能量的基本“源体”，它借助压缩机系统，消耗少量电能，在冬季把存于海水中的低品位能量“取”出来，给建筑物供热，夏季则把建筑物内的能量“取”出来释放到海水中，以达到调节室内温度的目的。这种机组的最大优势在于对资源的高效利用。首先，它虽然以海水为“源体”，但不消耗海水，也不对海水造成污染；其次，它的热效率高，消耗1kw的电能可以获得3～4kw的热量或冷量，从根本上改变了传统的能源利用方式。地表水的取水构筑物和水处理工艺是保障系统正常运行的最关键环节之一

在采用地表水作为热源的热泵系统的实际工程中，为了清除浮游垃圾及海洋生成物，防止污泥进入而影响换热器的传热效率，以及采用防蚀的管材或换热器材料避免海水对普通金属的腐蚀，所以地表水的取水构筑物和水处理工艺是保障系统正常运行的最关键环节之一，在系统初投资和运行费用中占有相当大的比例。(2)地下水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，水温范围为10～22℃。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。富含地下水的地热异常区可形成地热田。“深井回灌”技术“夏灌冬用”就是把夏季温度较高的城市上水或经冷凝器排出的热水回灌到有一定距离的另一个深井中去，即将热量贮存在地下含水层中，冬季再从该井中抽出使用，作为热泵的水热源。“冬灌夏用”则与之相反。这样不仅实现了地下含水层的蓄热作用，而且可防止地面的沉降。采用这一方法时，应注意回灌水对地下水有无污染的问题。考虑到上述情况，我国一些工业发达的城市大多限制使用深井水。2．1．1．3土壤土壤源热泵是一种利用地下浅层地热资源(地表下5～400m)中土壤的既可制热又可制冷的高效节能空调系统。与空气热源相比，土壤是一种较好的低温热源。土壤热源优点：①全年土壤温度波动小且数值相对稳定，冬季土壤温度高于对应气候条件下的地面空气温度，所以冬季供热系数较高，其COP值一般为2．5～3；②埋地热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的能耗；③土壤具有较好的蓄热性能，冬季从土壤中取出的热量可在夏季得到补偿；④在室外空气温度处于极端状态，用户对能源需求量处于高峰期，而由于土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟作用，可以提供较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，节能效果非常明显；⑤土壤热源热泵系统的换热器设在地下，换热效率高且不占用地面用地，没有空气源热泵的风扇耗能及产生的大量噪声，转动部件相对较少，运行可靠。土壤源热泵的主要缺点是：①埋地换热器受土壤性质影响较大；②连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化影响而发生波动；③土壤热导率较小，换热量较小，当系统供冷供热量一定时换热器占地面积较大。土壤源热泵应用的关键是地下换热器的换热性能。影响地下换热器换热性能的是地下换热器的设计。2．1．1．4太阳能太阳能利用技术与热泵技术的结合非常灵活，系统形式也多种多样，一般可分为太阳能驱动热泵(solarpoweI·edheatpump，SPHP)和太阳能辅助热泵solarassistedoraidedheatpump，SAHP)两大类。太阳能驱动热泵

太阳能驱动热泵主要是指以太阳能光电或热电驱动的压缩式热泵以及以太阳辐射热直接驱动的吸收式热泵、吸附式热泵、喷射式热泵和化学热泵等，这类热泵大多以实现太阳能制冷空调为主要目的，一般对太阳能集热温度要求较高，而且普遍存在体积大、成本高、效率低等问题，较难实现小型化和商业化发展。太阳能辅助热泵太阳能辅助热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统，包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵，这类热泵多数以供热为主，涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域，对太阳能集热温度要求不高，具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能和良好的商业实用化前景。根据集热介质的不同，太阳能辅助热泵一般可分为直膨式和非直膨式两大类。

直膨式系统中，制冷剂作为太阳能集热介质直接在太阳能集热／蒸发器中吸热蒸发，然后通过热泵循环将冷凝热释放给被加热物体。这种系统极具小型化和商品化发展潜力，但是由于太阳能辐射条件受地理纬度、季节转换、昼夜更替及各种复杂气象因素的影响随时处于变化中，而工况的不稳定必将导致系统性能的波动。非直膨式系统中，太阳能集热介质通常采用水、空气或防冻溶液等流体，它们在太阳能集热器中吸收热量，然后将此热量直接传递给加热对象，或作为蒸发器热源经热泵循环升温后再加热物体。根据太阳能集热循环与热泵循环的连接形式不同，非直膨式太阳能辅助热泵又可分为串联式、并联式和双热源式3种基本形式。2．2热泵排热热源2．2．1建筑物内部热源

水环热泵空调系统是回收建筑物内余热的系统。水环热泵也称水源热泵式冷热风机组，是水源热泵的一种.

它主要用在有内区和周边区的建筑物，一般内区需要供冷而周边区需要供热，所以内区制冷的同时排掉的热用于给周边区加热，当冷热负荷不匹配时通过锅炉或冷却塔来补充。水环热泵的适用场合水环热泵的适用范围很窄，它的节能效果和环保效益与气象条件、建筑特点及辅助热泵形式(电锅炉、燃煤锅炉等)等因素有关。一般仅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、外区需要用热二者接近的场合，其节能效果才好，而且这种情况持续的时间越长的地区越适合应用水环热泵空调系统。所以，我国夏热冬暖地区(如广州、福州等城市)不适宜采用该技术，而我国北方和长江流域地区(如北京、哈尔滨、上海、重庆等城市)适宜应用这一技术。2．2．2生活废水及工业废水2．2．2．1生活废水目前我国的大中小城市遍布着众多的生活污水处理场，根据污水处理工艺的要求，经过处理的二次水全年水温一般在10～23℃，直接排放将是对能源的浪费。目前已有一些城市如北京、天津等开始开发利用污水处理场处理的二