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1、主讲人：张晓亮 学号：1342101922 热泵技术介绍 热泵原理： 在自然界中，水总由高处流向低处，热量也总是从高温传向 低温。但人们可以用水泵把水从低处提升到高处，从而实现 水的由低处向高处流动，热泵同样可以把热量从低温传递到 高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是 从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象，工作 原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的 只是工作温度范围不一样。 空气源热泵又称热泵热水器，由热泵吸收空气热源制取热水 ，节能效率是电热水器的4倍以上，比太阳能热水器还要节能 ，是目前世界上最为先进的节能环保热水系统。 热泵以极少的电能，吸收空气
2、中大量的低温热能， 通过压缩机的压缩变为高温热能，传输至水箱，加热热水 ，能耗低、效率高、速度快、安全性好、环保性强，源源 不断的供应热水。热泵的作用是将空气中或低温水中的热 量取出，连同本身所用的电能转变成的热能，一起送到高 温环境中去应用。 一台压缩式热泵装置，主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和 膨胀阀四部分组成，通过让工质不断完成蒸发 压缩冷 凝节流再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量 转移到水中或空气中。 液态工质首先在蒸发器内吸收空气中的热量而蒸发形成蒸 汽(汽化)，汽化潜热即为所回收热量，而后经压缩机压缩 成高温高压气体，进入冷凝器内冷凝成液态(液化)把吸收 的热量发给需要的加热的
3、水中，液态工质经膨胀阀降压膨 胀后重新回到膨胀阀内，吸收热量蒸发而完成一个循环， 如此往复，不断吸收低温源的热而输出所加热的水中，直 接达到预定温度。 制热时,液态制冷剂在空气换热器中汽化,吸收空气中的热量,低温低 压的气态制冷剂经压缩机压缩后变为高温高压气体送至水换热器。 由于制冷剂的温度高于水的温度。制冷剂从气态冷却为液态,液体 制冷剂经膨胀阀节流后,在压力作用下进入空气换热器,低压气体制 冷剂再次汽化,完成一次循环。在这个循环中,随着制冷剂状态的变 动,实现了热量从空气侧向水侧的转移。 制冷时,液态制冷剂在水换热器中汽化,使水温降低。低温低压的气态 制冷剂经压缩机压缩,变为高温高压气体,
4、进入空气换热器,由于制冷剂 温度高于空气温度,制冷剂向空气传热,制冷剂经气体冷凝为高压液体, 高压液态制冷剂经膨胀阀节流后进入水换热器,低压液体制冷剂再次汽 化,完成一个循环。在这个循环过程中,随着制冷剂状态的变动,实现了 热量从水侧向空气侧的转移. 初始，热泵供暖的对象主要是民用，供暖需求总量小，特 别是对由于采暖方式及其对环境的影响尚没有足够的意识 。人们采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，热泵的发展 长期明显滞后于空调的发展。 上世纪30年代，随着氟利昂制冷机的发展，热泵有了较快 的发展。特别是二战以后，工业经济的长足发展带来的对 供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供热及工业 用热泵
5、的发展。1973年的全球性能源危机，进一步促进了 热泵在全世界范围内的发展。但热泵在世界范围内的大规 模商业应用是最近20年的事，如美国，截止1985年全国共 有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45，000台，到目 前为止已安装了400，000台，而且每年以10的速度稳步 增长。 我国的热泵工业相对于世界上工业发达国家的热泵的发展 应用来说有一段滞后期。早在50年代初，天津大学的一些 学者已开始从事热泵的研究。70年代后期，由于能源危机 所推动的世界性热泵发展也影响了我国学术界。中国制冷 学会、中国建筑科学研究院空调研究所、广州能源研究所 等经常组织有关热泵及低势能利用方面的学术会
6、议。我国 热泵的发展从工业上应用开始，然后才用于空调并逐步进 入家庭，这也与日本及其他国家的热泵发展过程相似。 目前，在世界范围内热泵作为空调商品已处于成熟期，在 我国也处于迅速发展期。热泵，作为一种环保节能的产品 ，它不仅在工业农业应用上，更多的将在空调应用上在我 国发挥越来越重要的作用。 热泵的分类: 热泵的分类多种多样，如果按同热泵的蒸发器和冷凝器换热的 介质不同分类，热泵可以分为： 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 其中空气-水热泵机组，即空气源热泵式冷热水机组在工 程上的应用更为广泛。 空气源热泵的特点: 1、 空调系统冷热源合一，
7、且置于建筑物屋面，不需要设专 门的冷冻机房、锅炉房，也省去了烟囱和冷却水管道所占 有的建筑空间。 2、无冷却水系统，无冷却水系统动力消耗，无冷却水损耗 。空调系统如采用水冷式冷水机组，自来水的损失不仅有 蒸发损失、漂水损失、还有排污损失、冬季防冻排水损失 ，夏季启用时的系统冲洗损失，化学清洗稀释损失等等， 所有这些损失总和约折合冷却水循环水量的25%，根据不 同性质的冷水机组，折合单位制冷量的损耗量为 2-4t/100RTh。另外，相当一部分工程在部分负荷情况下 冷却水循环量保持不变。或根据主机运行台数，只作相应 的台数调节。 3、 由于无锅炉、无相应的燃料供应系统，无烟气，无冷却 水，系统安
8、全、卫生、简洁。对于暖通专业来说，锅炉房最 有可能存在安全隐患，另外，冷却水污染形成的军团菌感染 的病例已有不少报导，从安全卫生的角度，空气源热泵具有 明显优势。 4、 系统设备少而集中，操作、维护管理简单方便。一些小 型系统可以做到通过室内风机盘管的启停控制热泵机组的开 关。 5、单机容量从3RT至400RT， 规格齐全，工程适应性强， 利 于系统细化划分，可分层、分块、分用户单元独立设置系统 等。 6、夏天运行COP值较水冷机组较低，耗电较多，冬季运行节 省能源消耗。 7、造价较高。作为空调系统的冷热源方面的设备投资，空气 源热泵冷热水机组造价较高，比水冷式机组加锅炉的方案的 系统综合造价
9、贵2030%，如只算冷热源设备，热泵的价格约 为水冷机+锅炉的1.5-1.7倍。 8、空气源热泵冷热水机组常年暴露在室外，运行条件比水冷 式冷水机组差，其寿命也相应要比水冷式冷水机组短。 9、热泵机组的噪音较大，对环境及相邻房间有一定影响。热 泵通常直接置于裙楼或顶层屋面，隔振隔音的效果，直接影 响到贴邻房间及周围一些房间的使用。合理的位置设置与隔 振隔音措施的到位，热泵噪音的影响可以基本消除。 10、空气源热泵的性能随室外气候变化明显。室外空气温度 高于40-45或低于-10-15时,热泵机组不能正常工作。 我国空气源热泵的研究的研究现状 空气源热泵是以空气作为高温(低温) 热源来进行供热(
10、供 冷) 的装置。相对于其它热泵类型而言,我国对空气源热泵 的研究起步较早,研究内容也较多。以环境空气作为低品位 热源,可以取之不尽,用之不竭,处处都有,无偿获取。空气 源热泵则安装灵活、使用方便、初投资相对较低,且比较适 用于分户安装,目前我国室内空调器大都采用的是这种形式 。这也就使得我国空气源热泵冷热水机组市场空前繁荣,生 产研制已经比较成型产品规格齐全,品牌繁多。据有关调查 表明,目前我国空气源热泵冷热水机组生产厂家已由1995 年的十几家发展到现在的四十多家,据不完全统计,国内销 售的机组已逾45 个品牌,其中国产机组约占25 %左右,其余 为合资产品,台资产品和进口产品。为了更好地
11、了解我国空 气源热泵方面的发展动态,本文将对近年来我国关于空气源 热泵的研究进行分析,并在此基础上指出空气源热泵所存在 的问题及有待改进的方向. 我国空气源热泵研究状况： 随着空气源热泵在我国应用的日趋广泛和研究的日趋深入，了解 我国空气源热泵的研究状况对于后续研究而言具有重要的意义。 下面重点介绍我国近年来关于空气源热泵的技术进展。 1. 空气源热泵结霜、化霜问题的研究 由于空气源热泵冬季采用空气作为热源，所以，随着室外温度的 降低,其蒸发温度也随之降低，蒸发器表面温度随之下降,甚至低 于0 。此时,当室外空气在流经蒸发器被冷却时,其所含的水分 就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。结霜对热泵
12、是极其不利 的。随着霜层的形成,蒸发器传热热阻增加,蒸发温度下降,机组的 性能下降,工况恶化,制热量也将下降,这将严重影响压缩机以及热 泵整体的性能,同时,除霜带来的额外费用还将降低空气源热泵的 经济性,这也就是为什么空气源热泵在寒冷、潮湿地区的应用受 到限制的原因。所以说,结霜机理、化霜方法一直是空气源热泵 研究与应用中要解决的重点与难点。 目前,有不少关于空气源热泵机组冬季运行状况的研究 ,主要分析供热 时不同工况下空气盘管表面湿空气结霜、结露及干冷却特性,并结合结 霜过程进行试验和模拟,分析了迎面风速、环境温湿度、翅片间距、管 排数等参数对结霜性能的影响及其所可能产生的一系列后果。了解结
13、 霜的机理的主要目的是要解决如何除霜的问题。传统的除霜控制方法 主要包括:定时除霜法,时间温度(压力) 法,空气压差控制除霜法,霜 层传感器控制除霜法,声音震荡器控制除霜法,最大平均供热量控制除 霜法,最佳除霜时间控制法等。这些方法各有利弊,有待完善。近年来 由于计算机技术的发展,将模糊控制技术引入空气源热泵除霜问题的研 究作为一项先进可行的新技术,逐渐引起了人们的注意。这主要是因为 空气源热泵结霜问题的影响是多因素,非线性的,而模糊控制技术的优 势就是处理多维、非线性、时变问题。这样一来,将模糊控制技术引入 空气源热泵的除霜控制,通过对除霜过程的系统响应分析，可以使除霜 控制能够自动适应机组
14、工作环境的变化,达到智能除霜的控制要求。此 外,还有考虑环境工况变化的双温度传感器智能化除霜控制方法等。 尽管空气源热泵具有很多优点,但受室外环境的限制也比较大, 这也是空气源热泵目前仅在我国黄河以南地区得到了广泛应用 的主要原因。而在黄河以北地区,应用空气源热泵则根据所处地 区不同有其特殊要求。目前,关于西安、胶东以及寒冷地区空气 源热泵的实际应用情况已有研究 ,并就所遇到的如压缩比过大 等具体问题提出了一些相应的改进措施,可在相应地区的实际应 用中作为参考。此外,为了对空气源热泵结霜除霜所带来的损失 进行量化的分析,有研究提出了不同地区、不同使用情况下的平 均结霜除霜损失系数的概念,平均结
15、霜除霜损失系数越大的地区 应用空气源热泵越不经济。据此,将我国空气源热泵使用地区根 据平均结霜损失系数分成4 类:低温结霜区: 如济南、北京、郑 州、西安、兰州等;轻霜区:如成都、桂林、重庆等;重霜区:如 长沙;一般结霜区:如杭州、武汉、上海、南京、南昌、宜昌等 。这些都可以作为热泵设计选用中重要的参考依据。 2 . 空气源热泵节能问题的研究 火用是对系统能的质与量的综合评价。对系统进行火用分析可 以揭示出系统中火用损失的部位、类型和数量,以便设法减少这 些损失。通过火用计算分析可知,压缩功只有20 %被利用,而有 80 %被损失,其中,压缩机火用损失占30. 7 % ,冷凝器占20.14 %
16、 ,蒸发器占17.15 % ,毛细管占10 %。由此我们可以看出,空气 源热泵系统节能的主要部件是压缩机,提高压缩机本身的技术指 标,是提高整个系统火用效率的关键,而冷凝器和蒸发器火用优 化措施主要是设法降低传热温差。当然,系统的节能改进与经济 性是相互制约的,仅从能效进行分析有一定的局限性。从这个角 度出发,有关研究人员提出供热最佳经济平衡点的概念,以期在 此最佳经济平衡点温度条件下, 整个供热系统(热泵+ 辅助热源 ) 的初投资与运行费最少,从而合理实现热泵节能优化。此外, 通过空气源热泵机组与水冷冷水+ 锅炉机组、溴化锂吸收式机 组( + 锅炉) 这3 种方案的经济性比较可以得出,空气源热泵相 对于其它两种形式而言,经济性上具有显著的优越性。 3. 计算机模拟在空气源热泵系统中的应用 随着计算机技术的不断普及,计算机在暖通空调中的应用也 日益广泛。前面所述及的一些研究中有很多也都
