第3章 热泵的低位能源和驱动能源

第三章

热泵的低位能源和驱动热源3.1概述3.2空气3.3水3.4土壤3.5太阳能3.6驱动能源和驱动装置3.7热泵系统中的蓄能3.8热泵的经济性评价第三章热泵的低位能源和驱动热源3.1概述热泵的工作特性及其经济性很大程度上取决于热汇温度（供热温度）和热源温度。保证热泵经济地运行条件应为：供热温度与可获取的热源温度间的温差要小。热源温度尽可能高。在选择低温热源时，既要充分考虑上述原则，又要考虑下列各项要求热源任何时候在可能的最高供热温度下，都能满足供热的要求。用作热源时应该没有任何或者有极少的附加费用。3.1概述输送热量的载热（冷）介质的动力能耗要尽可能的小，以减少输送费用和提高系统的总制热性能系数。载热（冷）介质对热交换设备与管路无物理和化学作用（腐蚀、污染、冻结等）。热源温度的时间特性与供热的时间特性应尽量一致。应该便于把低位热源的介质与批量生产的系列化热泵产品连接起来。3.2空气空气作为热泵的低位热源，取之不尽，用之不竭，处处都有，可以无偿地获取，而且，空气源热泵装置的安装和使用也都比较方便。但是空气作为热泵的低位热源也有缺点：（1）室外空气的状态参数随地区和季节的不同而变化，这对热泵的供热能力和制热性能系数影响很大。（2）冬季室外温度很低时，室外换热器中工质的蒸发温度也很低。当室外换热器表面温度低于周围空气的露点温度且低于0℃时，换热器表面就3.2空气结霜。霜的形成使得换热器传热效果恶化，且增加了空气流动阻力，使得机组的供热能力降低，严重时机组会停止运行。结霜后热泵的制热性能系数下降，机组的可靠性降低；室外换热器热阻增加；空气流动阻力增加。（3）空气的热容量小，如果为了获得足够的热量时，需要较大的空气量。按经验，一般是每1kW的供热量需要0.24m3/s空气，进风温度与蒸发温度之差为5℃。同时由于风机风量的增大，使空气源热泵装置的噪声也增大。3.2空气3.2空气多年运行实践表明，传统的空气源热泵机组在室外空气温度大于-3℃的情况下，均能安全可靠地运行。因此，空气源热泵冷热水机组的应用范围早已由长江流域北扩至黄河流域，即已进入气候区划标准的Ⅱ区的部分地区内。在这些地区以白天运行为主的建筑（如办公楼、商场、银行等建筑）选用空气源热泵，其运行是可行而可靠的。另外这些地区冬季气候干燥，最冷月室外相对湿度在45～65％左右，因此，选用空气源热泵其结霜现象又不太严重。3.3水由于水的热容量大、流动和传热性能好、水温相对于气温而言较稳定。因此，水是一个优良的引人注目的低温热源。目前，在热泵系统中常选用地下水（浅井、深井、泉水、地热尾水等）、地表水（河水、湖水、海水等）、生活废水和工业废水作为低温热源。以水为源的热泵称为水源热泵。但用水作热泵的低温热源应注意下述问题：热泵系统必须靠近水源，或设有一定的蓄水装置。资源仅占全球水资源的0.8%。3.3水注意要通过水质分析，证实所选用的水/水换热设备及管路无腐蚀、无堵塞与结垢问题。选用水源热泵时，应充分认识到：水是人类及一切生物赖以生存的不可缺少的重要物质，也是工农业生产、经济发展与环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源，同时，淡水资源的储量又是十分有限的。全球的淡水资源仅占全球总水量的2.5%，真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球水资源的0.8%。3.3水3.3.1地下水地下水作为热泵的低温热源早在20世纪30年代就已经开始使用。以地下水为源（汇）的热泵系统称为地下水源热泵系统。美国到1940年已安装了15台大型商业用热泵，其中大部分是以井水为热源。通常，井水为潜水或承压水。潜水是指埋藏于地表以下，饱和水带中第一个具有自由表面的含水层的水。承压水是指充满于上下两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水。3.3水选用地下水作为热泵的低温热源时，应注意以下几点：（1）我国地下水分布的不均匀性（2）含水层的渗透性（3）地下水的温度（4）地下水的水质（5）我国地下水超采现象严重，已引起一些地质灾害问题3.3水3.3.2地表水地表水包括江水、河水、湖水、水库水、海水等。一般来说，只要地表水冬季不结冰，均可作为热泵的低温热源。以地表水为源（汇）的热泵系统称为地表水源热泵系统，是地源热泵中最早使用的热泵系统形式之一。由于地表水相对于室外空气来说，可算是温度较高的热源，它不存在结霜现象，冬季水温也较稳定。因此，早期的热泵中就开始使用河水、湖水等做低温热源。3.3水地表水的特点如下：（1）江河水流量变化大（2）河流水温的变化（3）河流含沙量大（4）河流天然水质差异明显（5）热泵长期不停地从河水或湖水中采热，对河流或湖泊的生态有何影响？现难以作出结论3.3水海洋是一个巨大的可再生能源库，非常适合做水源热泵的低温热源与热汇。到目前为止，世界范围内利用海水作热源与热汇的热泵供热、供冷已有一些实例正在运行。海水的特殊性主要有：（1）由于巨大海面时刻接受太阳辐射热，并受大洋环流、海域周围具体气候条件的影响，故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。3.3水（2）海水含盐量高，海水主要含有氯化钠、氯化镁和少量的硫酸钠、硫酸钙，因此海水具有较强的腐蚀性和较高的硬度。（3）海洋生物。（4）潮汐和波浪。（5）泥沙淤积。3.3水3.3.3生活废水与工业废水生活废水

是指洗衣房、浴池、旅馆等的废水，温度较高（冬季接近日最高温度的平均值），是可利用的低位热源。但存在问题是：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（换热器传热管设有自动清洗刷以及经四通换向阀定期进行清洗）和防止水对设备的腐蚀。3.3水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，每天排放大量的净化后的污水。污水温度较高，北京地区以高碑店污水处理厂为例，二级出水温度在冬季为13.5～16.5℃；夏季出水温度为22～25℃。黄河及长江流域，污水处理厂的二级出水温度为17～28℃；且在整个采暖期内水温波动不大。工业废水形式颇多，数量大、温度高，有的可直接利用，有的可作为水源热泵的低位热源，如冶金和铸造工业的冷却水；又如从牛奶厂冷却器中排出的废水可以回收，用来加热清洗牛奶器皿的热水；溜冰场制冷装置中吸取的热量经热泵提高温度后可以用于游泳池水加热等。3.4土壤3.4.1土壤热物性3.4土壤3.4.2土壤温度的状况分析及变化规律3.4土壤3.5太阳能在太阳能利用系统中，最先具有实用性的系统是太阳能供热。3.5太阳能但是，在技术上和经济上都存在一定问题。（1）太阳能辐射热量有季节、昼夜规律的变化，同时还受阴晴云雨等随机因素的强烈影响，故太阳能辐射热量具有很大不稳定性。（2）集热器是太阳能供热、供冷中最重要的组成部分，其性能与成本对整个系统的成败起着决定性作用。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。另外，由于集热器的集热面积与散热面积相等，所以集热器效率随集热温度的增加而急剧降低。3.5太阳能3.6驱动能源和驱动装置3.6.1热泵的驱动能源和能源利用系数3.6驱动能源和驱动装置3.6.2电动机驱动单相或三相交流电动机是热泵中用的最普遍的驱动装置，从最小的旋转式压缩机到最大的离心式压缩机都采用电动机驱动。只要电动机选配恰当，它就能平稳地、可靠地和高效率地运转。因此，在可预见的一段时间内电能将继续是各类热泵的主要动力。（1）单相交流电动机（2）三相交流异步电动机（3）直流电动机（4）变频电动机3.6.3燃料发动机驱动3.6.4蒸汽透平（蒸汽轮机）驱动3.7热泵系统中的蓄能热泵系统中采用蓄热器的优点有：（1）蓄热器贮存低峰负荷时的热能，并提供给高峰负荷时使用。热泵系统中蓄热能使热泵装置经常在高效下运行，既提高了热泵装置的利用率，又可减少设备的能量消耗。（2）由于设备容量减小，故减小了设备费和基建投资。（3）电动热泵中蓄热还有调节电负荷作用。如夜间蓄、白天释，能平衡电量高峰及低峰负荷。（4）热泵装置采用蓄热器可弥补低位热源（如太阳能等）的不可靠性和间断性。3.7热泵系统中的蓄能蓄热器一般由蓄热材料和容器组成。蓄热材料有两大类—单相蓄热材料和相变蓄热材料。单相蓄热材料利用材料的温度变化储存显热，属于这类材料的有水、岩石、土壤等。相变蓄热材料利用材料的相变储存潜热，属于这类材料的有冰、石蜡等。对单相蓄热材料的要求有：比热大、密度大、价格低廉，有良好的热稳定性，对容器无腐蚀作用，无毒无爆炸燃烧危险，容易得到。水是一种优良的单相蓄热材料，其容积比热为4187kJ/m3·℃，能满足上述一系列的要求，是目前常用的蓄热材料。3.7热泵系统中的蓄能3.7热泵系统中的蓄能热泵系统中的蓄热器可以用于储存低温热源的能量。例如，太阳能热泵的系统中，由于太阳能是一个强度多变的低位热源，一般都设太阳能蓄热器，将由集热器获得的低位热量储存起来。常用的有蓄热水槽、岩石蓄热器等。3.7热泵系统中的蓄能储存冷凝热量而作低温热源使用的热泵系统别墅热泵空调水蓄能系统3.8热泵的经济性评价3.8.1额外投资回收年限法采用热泵系统时，设额外投资将增加ΔK，而每年带来的节约燃料等运行费用为ΔS，假设投资回收期不超过允许的