热泵技术在暖通空调中的应用

1、热泵技术在暖通空调中的应用,2,内容提要,热泵技术及评价 热泵技术在暖通空调中的应用形式 热泵技术在暖通空调中应用应注意的问题 热泵技术在暖通空调中的应用实例,1. 热泵技术及评价 1.1 热泵定义,热泵是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 热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热能(如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的,3,热泵定义的理解,热泵虽然需要消耗一定量的高位能，但所供给用户的热量却是消耗的高位热能与吸取的低位热能的总和。因此，热泵是一种节能装置。 热泵可设想为节能装

2、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），然后再由动力机来驱动工作机（如制冷机、喷射器）运转，工作机像泵一样，把低位的热能输送至较高品位，以向用户供热。 热泵既遵循热力学第一定律，在热量传递与转换的过程中，遵循着守恒的数量关系；又遵循热力学第二定律，热量不可能自发的、不付代价的、自动的从低温物体转移至高温物体。在热泵定义中明确指出，热泵是靠高位能拖动，迫使热量由低温物体传递给高温物体。,4,5,6,1.2 热泵供热与传统供热 传统供暖模式示意图,7,两种供暖模式,(a)电供暖 (b)热泵供暖,8,2008年12月17日，欧盟指

3、令认可了空气源热泵和水源热泵为“可再生能源技术”,9,热泵空调系统实现了科学配置能源,1.3 热泵的驱动能源,原则上可用各种发动机来做热泵的驱动装置 用电动机作为热泵的驱动装置 用燃料发动机（柴油机、汽油机或燃气轮机等）作为热泵的驱动装置 用外燃机（斯特林发动机、锅炉）作为热泵的驱动装置 但是，目前小型热泵和大部分大型热泵的驱动装置仍然都以电动机为主。因此，热泵的驱动能源主要是电能，其次是液体燃料（汽油、柴油等）、燃气等,10,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 。只要电动机选配恰当，它就能平稳、可靠和高效率地运转。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

4、动力。 常用的电能驱动装置主要有：单相交流电动机、三相交流异步电动机、直流电动机、变频电动机,11,燃料发动机驱动,燃料发动机按热机工作原理不同有内燃机和燃气轮机两种。从机器结构形式上分有往复式和透平式的。内燃机可以用液体燃料或气体燃料，根据采用的燃料不同，有柴油机、汽油机、燃气机等。 驱动热泵用的燃料发动机主要有：柴油机、汽油机、燃气机、燃气轮机,12,13,蒸汽透平（蒸汽轮机）驱动,14,供给锅炉一次能源为100%（216.1GJ/h）时，经过锅炉损失了10%（21.6 GJ/h），而在凝汽器中被有效利用了65%（140.7 GJ/h），汽轮机驱动热泵用的机械能占初级能源的25%（53.8

5、 GJ/h）；若热泵的制热性能系数为2.53，那么，热泵又可从河水中吸取了相当于初级能源38%的能源。因此，该系统可利用的热量为初级能源的128%（276.6 GJ/h）,15,16,1.4 热泵评价,经济性评价 原则：“节能”与“省钱” 热泵性能系数 注意(1)COP是瞬时值，COP与工况有关 (2)W是何值 热泵的能源利用系数,17,能源利用系数,注意： (1)用季节性能系数、季节能效比才能合理评价热泵经济性 (2)正确评价热泵才能使热泵得到合理的应用和健康的发展 经济性： 回收年限应在5-8年之内,18,能耗费用,1小时内加热10000kcal时所需要的燃料费用,提高热泵的制热性能系数和

6、发电的总效率 能源价格,19,热泵能源费用等于燃煤费用时，煤(元/t)、电(元/kWh)价格比 资料表明： 美国煤电价格比高达4000 原苏联为2000 我国目前约为500左右,20,三种供暖方式vs.电价/燃料价、供暖期,在多年前，瑞典学者劳伦曾（Lorentzen）教授就指出，某一地区适宜采用热泵、电热供暖或是供热锅炉方式，不仅取决于电价X与燃料价Y之比，还和供暖期的长短有关,北欧地区 X电价 Y燃料价 供暖日数占全年天数比例,21,热泵节约燃料的条件,供热系统(锅炉和热泵)，每年向用户供Q(kJ)热量 1. 锅炉每年消耗的标准煤 2. 热泵每年消耗的标准煤,22,3. 两方案燃料消耗量的

7、比值 可见只要R1，热泵方案就能节约原料，而且值越大，节约燃料也越多 (1) (2) (3),23,R值,环境效益评价,24,25,26,国际能源机构(IEA)热泵中心评估资料 电动热泵耗电CO2排放量以欧洲发电的CO2排放量为基数计算，平均为0.55kg CO2/kWh 热泵减排的潜力极大 进入21世纪后，热泵的快速发展不单是为了解决能源问题，而更主要的是为了改善环境问题,2. 热泵技术在暖通空调中的应用形式,27,28,2.1 空气源热泵,29,空气源热泵种类,30,空气源热泵系统的特点,空气取之不尽，用之不绝，处处都有，随时无偿可用。使机组具有安装地点的灵活性，使用的连续性 空气气温的变

8、化，使机组 的变化，制约了机组的使用 恶劣工况下，机组运行稳定性变差 出现结霜,31,空气源热泵系统的特点,空气的单位容积比热容很小 空气：1.21kJ/m3 水：4186kJ/m3 室外风机风量很大，引起噪声 一机冬夏两用，一机多功能(制冷、供热、供热水) 与常规空调相比 省了一套冷却水系统和锅炉 可布置在室外，不占用建筑物的有效面积 安装方便，便于运行管理 不污染空气，有利于环保,32,2.2 地源热泵,地表水源热泵 关键技术：取水工程、水净化工程 地下水源热泵 关键技术：地下水的回灌技术 土壤耦合热泵 关键技术：地下埋管换热器,地表水源热泵系统,33,稳定的季节 水位变化,适宜的水质,要

9、求,充足的水量,指高品质的,适宜的水温,适宜于水源热泵的水量,而不是指湖泊或水库水体的总水量,开式地表水换热系统就是通过取水口，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。 闭式地表水换热系统就是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。,34,35,特点,1. 地表水的温度变化比地下水的水温、埋管换热器出水水温的变化大，其变化主要体现在： 地表水的水温随着全年各个季度的不同而变化。 地表水的水温随着湖泊，池塘的水深度的不同而变化。 地表水源热泵的一些特点

10、与空气源热泵相似。如冬季要求热负荷最大时，对应的蒸发温度最低，而夏季要求供冷负荷最大时，对应的冷凝温度最高 2. 开式地表水热泵空调系统的费用是地源热泵空调系统中最低的。而选用闭式地表水源热泵空调系统也比土壤耦合热泵空调系统费用低,36,特点,3. 闭式地表水源热泵系统相对于开式地表水热泵系统，具有如下特点： 闭式环路内的循环介质（水或添加防冻剂的水溶液）清洁，避免了系统内的堵塞现象。 闭式环路系统中的循环水泵只须克服系统的流动阻力。 由于闭式环路内的循环介质与地表水之间换热的要求，循环介质的温度一般要比地表水的水温度低27，由此将会引起水源热泵机组的EER（或COP）略有下降,37,特点,4

11、. 要注意和防止地表水源热泵系统的腐蚀、生长藻类等问题，以避免频繁的清洗而造成系统运行的中断和较高的清洗费用。 5. 地表水源热泵系统的性能系数较高。德国阿伦文化及管理中心的河水源热泵平均性能系数可达4.5。河水温度在6时，其性能系数可达3.1。 6. 冬季地表水的温度会显著下降，因此，地表水源热泵系统在冬季可考虑能增加地表水的水量。 7. 热泵长期不停地从河水或湖水中采热或放热，对湖泊或河流的生态有何影响，仍是值得我们进一步在运行中注意与研究的问题。,38,39,地下水源热泵系统,循环单井使用的是基岩中的裸井；抽灌同井采用的是过滤器井(井孔直径和井管直径相同)；填砾抽灌同井采用的是填砾井(井

12、孔直径较井管直径大，其孔隙采用分选性较好的砾石回填)。,循环单井 抽灌同井 填砾抽灌同井,40,特点,1、一机两用或一机三用 两用：冬季供热水，夏季供冷水； 三用：供冷、供暖、供生活用水。 2、节能效果显著 与分体式空调加直接电采暖相比，节电可达50%75%。 3、 环保效益显著，供暖区无污染，环保效益好。 4、 合理利用高品位能量，综合能源效率高。 5、 以地下水作低位热源，非常诱人。在北方地区，井水水温大部分地区高于10。,41,土壤源热泵,42,埋管方式 根据布置形式的不同，地下埋管换热器可分为水平埋管与竖直埋管换热器两大类。 水平埋管方式的优点是在软土地区造价较低，但它的缺点是传热条件

13、受外界气候条件的影响、占地面积大，通常不太适合中国地少人多的国情。当可利用地表面积较大、地表层不是坚硬的岩石、建筑物规模小时宜采用水平地埋管换热器。否则，宜采用竖直地埋管换热器。水平埋管时根据一条沟中埋管的多少和方式又分为单管、双管、多管和螺旋管等多种形式。 根据在竖直钻孔中布置的埋管形式的不同，竖直地埋管换热器又可分为U形地埋管换热器与套管式地埋管换热器。,43,水平式换热器 典型安装,44,水平式埋管换热器在水平沟内敷设，埋深1.23.0m。每沟埋16根管子。根据埋管形式可分为水平管换热器和螺旋管换热器水平式埋管换热器的成本低、安装灵活，但它占地面积大。,垂直式热交换器,垂直式热交换器的结

14、构,45,施工工艺流程,46,土壤耦合热泵应用关键,设计前,设计中,施工,运行,地质 勘探,热响应 测试,动态负 荷计算,土壤热 平衡,调节,监测,检测,试压,下管,回填,47,2.3 海水源热泵,一般来说，大型海水源热泵站供热、供冷系统是由海水取水构筑物、海水泵站、热泵站、供热与供冷管网、用户末端供热、供冷系统组成。,48,2.4 污水源热泵,49,流程,50,取水装置及初级处理,51,3 热泵技术应用应注意的问题,3.1 空气源热泵 机组的性能随室外空气状态参数（随地区和季节的不同）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 有结霜问题，结霜后热泵的制热性能系数下降，机组的可靠性

15、降低；室外换热器热阻增加；空气流动阻力增加 低温适应性,52,平衡点温度,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Tb称为平衡点温度。 合理确定平衡点对于选择热泵机组容量的大小、其运行的经济效益、节能效果都有很大的影响,53,最佳能量平衡点,所谓最佳能量平衡点，即在该平衡点温度下，所选取的空气源热泵机组的供热季节性能系数HSPF最大。,54,最小能耗平衡点 最小能耗平衡点，即寻求在整个运行季节的一次能源利用率最高的温度，作为热泵机组和辅助热源的开停转换点。这样，就可以保证热泵在较高的效率下

16、运行，使整个供热季节获得较高的一次能源利用率，从而减少了一次能源的消耗。在供热期中，热泵的能源利用系数永不会低于辅助热源的能源利用系数。 最佳经济平衡点 最佳经济平衡点，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。,55,结霜和除霜,56,结霜的气象条件,相对湿度,干球温度,57,解决结霜问题的途径,延缓结霜 除霜方法 除霜控制方法,58,延缓结霜,改变蒸发器周围环境参数 对于翅片管式蒸发器，空气湿度对结霜量和结霜速率的影响最明显，其次是温度和流速。因此如果把蒸发器周围空气的湿度降低， 将会大大延迟结霜时间。在蒸发器 空气入口处安装一个吸附床

17、，吸附 床内装有固体除湿剂来降低入口空 气含湿量，而且在吸附床上装有蓄 热管，吸收太阳能以提高入口空气 温度，从而抑制蒸发器表面的结霜,59,为了让除湿剂能够再生，设计了一套液体除湿系统，该系统可以连续工作，在抑制结霜方面获得了良好的效果。该系统由传统空气源热泵循环、空气除湿循环和除湿剂再生循环三个循环组成。,60,带辅助室外换热器的热泵系统，在供热工况运行时，该辅助室外换热器可以提高主室外换热器周围的空气温度，从而起到延缓结霜的效果；在空调工况运行时，这个辅助室外换热器可以起到过冷器的作用，以提高机组运行效率。,61,改变空气源热泵机组系统 在压缩机出口与蒸发器入口之间加一旁通管的方法来抑制

18、蒸发器表面结霜。结果表明，通过增加旁通管内的制冷剂流量，可以抑制蒸发器表面结霜，不过由于蒸发器入口温度的提高，系统的制热量也会下降。,62,带有制冷剂电加热器的热泵系统。在热泵系统的室内换热器中设置一个制冷剂电加热器。当接通电加热器时，该系统工质压力、温度较普通系统为高，使室外换热器表面温度比一般热泵系统高12，从而可以有效的延缓结霜。,63,改变蒸发器结构 主要研究了蒸发器面积、翅片结构与间距、以及沿气流方向的管排数等对蒸发器表面结霜的影响。 改变蒸发器表面特性 利用表面处理技术（疏水性涂层或亲水性涂层）进行抑制结霜的研究。疏水性越好的表面，其表面能越小，液滴脱离过程中需要克服的粘附力越小，

19、脱落就越快越容易，从而可以有效的抑制结霜。,64,除霜方法,（1）空气除霜，室外空气温度高于23采用； （2）电热除霜，将电加热器放置在蒸发器上； （3）热气除霜，是经常采用的方法，可把一部分高压制冷剂旁通到蒸发器进行除霜，也可以利用四通换向阀将供热工况转变为制冷工况进行除霜。 （4）蓄能除霜,65,66,除霜控制方法,定时除霜 温度（压力）时间法 温差时间法 空气压差控制法 自组织模糊控制除霜,67,低温适应性,当需要的热量比较大的时候，空气源热泵的制热量不足。 在低温环境下，空气源热泵的能效比（EER）会急速下降。 空气源热泵在保证供一定温度热水时，由于室外温度低，必然会引起压缩机压缩比变

20、大，使空气源热泵机组无法正常运行。 由于室外气温低，会出现压缩机排气温度过高，而使机组无法正常运行。,68,会出现失油问题。引起失油问题的具体原因，一是吸气管回油困难；二是在低温工况下，使得大量的润滑油积存在气液分离器内而造成压缩机的缺油；三是润滑油在低温下粘度增加，引起启动时失油，可能会降低润滑效果。 润滑油在低温下，其粘度变大，会在毛细管等节流装置里形成“蜡”状膜或油“弹”，引起毛细管不畅，而影响空气源热泵的正常运行。 由于蒸发温度越来越低，制冷剂质量流量也会越来越小，这样半封闭压缩机或全封闭压缩机的电机冷却不足而出现电机过热，甚至烧毁电机。,69,改善空气源热泵低温运行特性的技术措施,在

21、低温工况下，加大压缩机的容量 热泵机组在低温工况下运行时，通过加大压缩机的容量来提高机组的制热能力是一种十分有效的方法。这是因为在蒸发温度和冷凝温度一定时，系统内工质的质量流量会随着压缩机容量的增加而增大。 加大室外换热器的面积和风量 加大室外换热器的面积和风量，可以提高空气源热泵的蒸发温度。在冷凝温度不变的情况下，蒸发温度升高，压缩机的吸气比容变小，热泵工质的质量流量变大，单位质量的制冷量也变大。因此，热泵的制热能力也会提高。,70,采用喷液旁通技术,旁通部分液体来冷却吸气温度，从而达到降低排气温度的目的 旁通部分液体来补偿低压，以保证热泵的正常运行,71,液体喷射制热循环,72,散发蒸汽喷

22、射制热循环,73,74,单、双级混合式热泵供暖系统,75,不同运行工况下压缩比与容积效率比较,76,适用范围,适用范围是我国西北、华北和东北地区 采暖室外计算温度在-5至-15之间的地区，如北京、西安、济南、兰州、石家庄、太原、西宁和银川等，完全适合 采暖室外计算温度在-15至-20之间的地区，如呼和浩特和沈阳等可以应用 采暖室外计算温度低于-20的地区，如哈尔滨、长春和乌鲁木齐等城市在有条件时可以采用,77,中试工程,北京市海淀区某单位综合楼，位于北京市西北郊凤凰岭自然风景区内，总建筑面积2200m2,78,技术推广应用情况,2003年在北京海淀区某单位综合楼(2200m2)进行了中试应用，

23、测试表明，系统的EER值均高于2.5，其平均值为3.2，最高可达4.4，采暖费用低于电采暖、燃气供暖、燃油供暖等供暖方式。该系统现已高效、可靠地运行了5年 2005年该系统又应用于北京良乡金香阁饭店(6500m2)，为其提供供暖、空调和热水供应 现又应用于北京门头沟检察院(10000m2) 均取得了令人满意的供暖系统，拓展了空气源热泵的应用区域。,3.2 地下水源热泵系统,在目前的技术条件下，回灌井堵塞仍是一种普遍存在的问题 。 据Dillon等人对40个回灌事例的调查，发现80的回灌井出现堵塞现象，其中65的井的堵塞原因已经查明，其余15的原因尚不清楚。 文献中明确指出：地热水回灌已成为地热

24、开发急需解决的问题。现统计数据表明地热回灌井仅占总钻井的5.7%，回灌程度低。 我国地下水源热泵回灌井运行短则数月，长则2-3年后，出现回灌水量明显减少，甚至报废的现象比较普遍，如某调查61个项目中15个项目正常回灌,79,100回灌是正确使用地下水源热泵的基本标志,评价一个运行的地下水源热泵系统的优劣，应该首先看它是否能100的回灌地下水。必须符合地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2005)中5.1.1的规定 地下水源热泵回灌的目的 保护地下水资源，避免出现地质灾害 改善和提高浅层地能(热)的利用效率 回灌保持含水层内的压力，维护浅层地能(热)的开采条件 地下水回灌技术现已成为诸多领

25、域中的热门研究课题 水资源管理 地热资源的开发与利用 地下水源热泵技术,80,热贯通问题,热贯通定义为热泵运行期间抽水温度发生改变的现象 地源热泵，热贯通现象时有发生 热贯通产生的原因与含水层特性、井的设计、井间距、井的运行方式和负荷特性有关 轻微的热贯通是可以接受的 热贯通的强弱也是关系到地下换热系统健康运行的标志之一,81,3.3 土壤源热泵,热量来源与平衡问题 土壤热物性测试 换热器设计 辅助热源（热汇）配比 运行策略,82,3.4 污水源热泵,注意利用城市原生污水余热对后续水处理工艺的影响。若原生污水水温降低过大，将会影响市政曝气站的正常运行 由初步的工程实测数据表明，与清水同样的流速

26、、管径条件下，污水流动阻力为清水的24倍。因此，在设计中对这点应当充分认识，要适当加大污水泵的扬程，或采取技术措施适当减少污水流动阻力损失。 以哈尔滨某实际工程为对象，经3个月（2003年12月2004年2月）的现场测试，基于实测数据，得到污水/水换热器总传热系数。而水/水换热器当管内水流速为1.22.5m/s，管外水流速为1.02.5 m/s时，其传热系数为17403490W/（）。污水/水换热器换热系数约为清水的25%50%。因此，在设计中，所选用的换热器面积比清水时大得多，或采取技术措施强化其换热过程,83,3.5 海水源热泵,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

27、候条件的影响，故仅海域水温会因地、因时而异，同时，海洋水温也会随着其深度的不同而异。 海水含盐高。具有较强的腐蚀性和较高的硬度。因此，防止海水腐蚀的问题是十分重要的。 海洋生物。海洋附着生物十分丰富：有海藻、细菌、微生物等。他们在适当的条件下大量繁殖，附着在取水构筑物、管道与设备上，会造成取水构筑物、管道与设备上的堵塞，并不易清除，对海水源热泵的安全运行构成大的威胁。 潮汐和波浪。具有很大的破坏力。 泥沙淤积。取水口应避开泥沙可能淤积的地方，最好设在岩石海岸、海湾或防堤内。,84,防止海水腐蚀的主要措施, 采用耐腐蚀的材料及设备：如采用铝黄铜、镍铜、铸铁、钛合金以及非金属材料制作的管道、管件、

28、阀件等；专门设计的耐海水腐蚀的循环泵等。 表面涂敷防护：如管内壁涂防腐涂料，采用有内衬防腐材料的管件、阀件等；涂料有环氧树脂漆、环氧沥青涂料、硅酸锌漆等。 采用阴极保护，通常的做法有牺牲阳极保护法和外加电流的阴极保护法。 宜采用标号较高的抗硫酸盐水泥及制品，或采用混凝土表面涂敷防腐技术。,85,防治和清除海生生物的主要方法, 设置过滤装置。如拦污栅、格栅、筛网等粗过滤和精过滤。 投放药物。如氧化型杀生剂（氯气、二氧化氯、臭氧）和非氧化型杀生剂（十六烷基化吡啶、异氰尿酸酯等）。 电解海水法。电解产生的次氯酸钠可杀死海洋生物幼虫或虫卵。 含毒涂料防护法等。 在系统上安装换热器和管道的自动清洗装置。,86,冬季海水温度过低可采取的技术措施, 海水源热泵机组可按单、双级压缩循环运行。当海水