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1、暖通空调热泵技术,HEAT PUMP,王浩 主讲,TEL：13596056432,第三章 热泵的低位热源和驱动能源,3-4 土壤源 ,3-3 水 源 ,3-1 概 述 ,3-2 空气源 ,3-5 太阳能 ,3-7 热泵系统中的蓄热 ,3-6 驱动能源和驱动装置 ,3-8 热泵的经济性评价 ,低温热源被热泵吸收热量的物体一般称为热泵的低温热源，术语为源。,热泵系统,高温热源接受热泵所供出热量的物体一般称为热用户，即为热泵的高温热源，术语为汇。,低位热源,土壤,空气,低位热源指无价值，不能直接利用的热源。,生产的排除物（水或空气）中的热能；,空气、水、大地之中的热能,生活中所排出的废热，如排气和排
2、水。,能量密度较低的太阳能,低位热源,低位热源指无价值，不能直接利用的热源。,低位热源分布广泛，俯拾皆是。,品味较低、数量巨大,自然低位热源是再生能源的一部分。,部分又是宝贵的资源，如：水、空气,可持续发展的必要手段,低位热源特点,没有或极少的附加费用。,2,输送能耗小，费用低,3,载冷（热）介质与管路无化学作用,4,时间特性一致,5,应该便于将低位热源的介质与批量生产的系列化热泵产品连接起来。,6,热源在任何可能的最高供热温度下，都能满足供热的要求。,1,选择低温热源原则,热泵系统设计应注意：,text1,text2,text3,热源的蓄热问题（蓄热装置可减小热泵装置的容量，使热泵能经常在高
3、效率下运行）,低温热源与辅助热源的匹配问题,研究土壤、空气、水、太阳能和蓄热等的综合利用问题,1,2,3,热泵的容量和制热性能系数受室外空气的状态参数（如温度和相对湿度）影响大，容易造成热泵供热量与建筑 物耗热量之间的供需矛盾。,冬季室外温度很低时，室外换热器表面容易结霜，导致热泵制热性能系数和可靠性降低，甚至无法正常供热。,需要较大的空气循环量（空气的热容量较小），因此，风机的容量也相应增大，运行费用和噪音大大增加。,空气作为低温热源的缺点,我国7个采暖区域的分布图,含水层的渗透性,2,地下水的温度,3,地下水的水质,4,我国地下水超采现象严重，已引起一些地质灾害问题,5,我国地下水分布的不
4、均匀性,1,选用地下水作为低温热源时，应注意,夏灌冬用,冬灌夏用,把夏季温度较高的江河水，或经热泵冷凝器使用后的冷却水、太阳能集热器加热后的水通过深井管回灌到地下含水层中储存起来，冬季再从深井中将水抽出作为热泵的热源。,把冬季温度较低的江河水，或经热泵蒸发器冷却后的深井水以及蒸发冷却的水回灌到地下含水层中储存起来，到夏季再抽出作为空调的冷源。,深井回灌,河流水温的变化小,2,河流含沙量大,3,河流天然水质差异明显,4,采用地表水，会对河流和生态产生什么影响,5,江河水流量变化大,1,选用地表水作为低温热源的特点,图3-1 日本东京箱崎地区河流水温与空气温度的变化,海水含盐量高 ，腐蚀性强,2,
5、海洋生物会造成取水构筑物、管道和设备的堵塞，并不易清除,3,海水取水构筑物在设计时，应充分注意到潮汐和海浪的影响,4,取水口应避开泥沙可能淤积的地方，最好设在岩石海岸、海湾或防波堤内,5,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,1,选用海洋水作为低温热源的特点,生活污水与工业废水,工业废温水说明：工业废温水形式很多，数量可观，利用价值很大。有的温度较高，可作为高温热源直接使用；而有的温度较低，则可作为低温热源使用。,1,2,3,全年地温波动小，冬季土壤温度比空气温度高，热泵的制热性能系数较高。以土壤为热源的热泵装置不用风机，可减少噪音。,埋地盘管不需要除霜。土壤对
6、埋地盘管有腐蚀作用，应进行防腐蚀处理。,在采暖季节，当室外气温最低时（此时采暖需热量最大）。土壤的温度并不是最低，所以，热泵的供热能力也不会降到最低。,土壤作为低温热源的缺点,4,5,6,埋地盘管冬季从土壤中取出的热量，在夏季可通过热传导由地面补充。因此，土壤同时也起了蓄能的作用。,土壤的导热系数小，工质与土壤之间的热交换强度小，需要增大换热面积，金属耗量大。,在运转过程中因采热而引起地温发生变化，地温变化又造成土壤源热泵蒸发温度的变化，使运行工况不稳定。,土壤作为低温热源的缺点,土壤性质随地区不同和季节的变化而异,土壤主要热力参数是导热系数和比热c,土壤含湿量和密度对热力参数影响很大。,土壤
7、的性质,土壤的热物性对地源热泵系统的性能影响较大。土壤属多孔介质，描述其热物性的基本参数主要包括土壤的密度，含水率，空隙比，饱和度，比热容及导热系数等。,图3-3 不同深度的土壤温度年变化情况,1-地面温度；2-气温；3-地面以下0.8m处的温度；4-地面以下3.2m处的温度；5-地面以下14m处的温度,图3-4 水平地埋管年温度变化图,土壤源热泵在运行时，首先在埋地管周围出现冻土层现象。由于湿土壤冻结而膨胀，使得盘管与周围土壤接触的更紧密，传热系数增大。,土壤源热泵停止运行后，土壤冻结部分又开始融化，而移位的土壤不能回复原处，使盘管与周围土壤之间产生空隙，于是传热系数又大大降低。,防止产生空
8、隙的主要方法：在埋地管周围填细沙；采用柔性盘管，使它随周围土壤一起移动而与土壤有紧密的结合；创造人工湿土壤，并使它冻结。,盘管与土壤之间间隙对热泵性能的影响,3-5 太阳能热泵一、太阳能热泵的优缺点太阳能是地球上一切能源的主要来源，是取之不尽、无公害、环保和洁净的能源。太阳辐射热具有很大的不稳定性。因此，要利用太阳能，必须要解决太阳能的间歇性和不可靠性问题。,集热器是太阳能供热、制冷中最重要的组成部分，其性能与成本对整个系统起决定性作用。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。热泵装置可采用结构简单的低温平板集热器，其集热器效率较高，图3-10，且成本较低，常
9、与建筑物做成一体，是利用太阳能的较好的方案，图3-11。热泵上可不设除霜装置。,图3-11 与建筑构造为一体的集热器 a)敞开下降式(铝波纹板) ，b)停车场等的地下集热器,图3-13 太阳能热泵热源侧的蓄热式集热器1-双层玻璃 2-蒸发器平板 3-隔热层,二、太阳能热泵的蓄热说明：为了解决太阳能利用的间歇性和不可靠性问题，太阳能热泵系统应设蓄热装置。（卵石床蓄热）设置：可分别装在热泵低温侧和高温侧两边，也可只装在低温侧，图3-13。强调： 太阳能热泵虽然在经济性方面存在问题较大，但是从能源的现状和未来新能源开发的趋势看，它作为热泵热源的发展前景是广阔的。,3-6 驱动能源和驱动装置 一、热泵
10、的驱动能源和能源利用系数1、驱动能源电动机驱动燃料发动机驱动（柴油机、汽油机、燃气机和燃气轮机等）外燃机驱动（斯特林发动机、锅炉等） 说明：压缩式热泵的驱动能源主要是电能，其次是液体燃料（如汽油、柴油）和煤气等。,图3-14 电能驱动热泵和带热回收的内燃机驱动热泵的能流图 (a)电能驱动的热泵 (b)带热回收的内燃机驱动热泵,2、能源利用系数（E）定义：供热量与消耗的初级能源之比说明：电能、液体燃料、气体燃料虽 虽然同是能源，但其价值不同，电能通常是由其他初级能源转变而来，在转变过程中必然有损失。因此，对于有同样制热性能系数的热泵，若采用的驱动能源不同，则其节能意义及经济性均不同。,二、电动机
11、驱动说明：单相或三相交流电动机是热泵中最普遍的驱动装置，从最小的旋转式压缩机到最大的离心式压缩机一般都采用电动机驱动。缺点：电动机作为热泵驱动装置的主要缺点是一次能源利用率低。,1、单相交流电动机单相交流电动机是压缩机常用的电动机，大多数借助于电容器来完成相移（移相电容器），也有靠电感器来完成的。其启动扭矩和效率不及三相交流电动机高，所以，对于启动频繁的中大型热泵，并不适宜采用。家用小型热泵都希望采用单相机，因 为三相380V的电源线间短路触电的危险性较大，而且费用较高。,2、三相交流异步电动机结构可靠、保养简单，热泵压缩机大都用此类电动机（鼠笼式感应电动机），其缺点是调速比较困难。3、直流电
12、动机使用直流电源，能无级调速、启动转矩大和适宜于频繁启动。4、变频电动机通过改变电源频率调整电机转速，节能效果好。交流变频电动机的容量和转速需适应变频器最高频率下的功率和转速。,三、燃料发动机驱动1、分类根据热机工作原理：分为内燃机和燃气轮机根据机器结构形式：分为往复式和透平式（回转式）2、内燃机驱动 说明：内燃机可以用液体燃料或气体燃料，根据燃料不同有柴油机、汽油机、燃气机等。如充分利用燃料发动机的排气、汽缸冷却水套等的废热，就可得到较高的能源利用系数，具有明显的节能效果。（图3-17）,图3-17 具有热回收的燃料发动机的热泵,3、燃气轮机驱动讲解：需要装设回热设备（如余热锅炉等）（图3-
13、18 ） 。4、电动压缩式热泵与燃气压缩式热泵技术经济比较说明：采用燃气发动机比用电动机具有技术优势，当热泵额定功率较大时，还具有经济优势；柴油机驱动的热泵，比其他燃料发动机的热泵效率高、寿命长、可靠性好；天然气和液化石油气的价格比汽油便宜，比电价也便宜，故用燃气发动机驱动，节能又经济。技术经济分析表,图3-18燃气轮机热泵的原理系统图 1-燃烧空气压缩机；2-燃烧室；3-燃气轮机；4-废气热交换器；5-离心压缩机；6-冷凝器；7-节流阀；8-蒸发器,图3-19 燃气轮机热泵的热平衡,图3-20 汽轮机驱动热泵方案1-锅炉；2-汽轮机；3-压缩机；4-蒸发器；5-节流阀；6-冷凝器；7-凝汽器
14、；8-凝结水箱；9-水泵；10-预热器；11-热用户,汽轮机驱动热泵的改进方案1-蒸汽锅炉 2-汽轮机 3-发电机 4-凝气机(一级加热器) 5-二级加热器 6-凝结水箱7-水泵 8-预热器 9-压缩机 10-蒸发器 11-节流阀 12-冷凝器 13-蒸汽调节阀,四、蒸汽透平（蒸汽轮机）驱动1、蒸汽轮机驱动热泵方案说明：以河水为低温热源，热泵由蒸汽轮机驱动，从河水中吸取部分热量，用户采暖系统的回水先进入热泵装置，进行第一次加热，然后再进入蒸汽轮机的凝气器中，用蒸汽加热，提高其给水温度，最后通过热网送至热用户。 （图3-20）2、改进方案讲解：（图示）,3-7 热泵系统中的蓄热一、蓄热的意义原因
15、：由于有些热泵低温热源的温度和能 量是变化的（如空气源的温度、太阳能的辐射强度等），所以，热泵的制热量将随之而变，同时需热量也不均衡因此，供需之间总存在不一致的矛盾。设置：解决该问题比较节能的方法是在系 统内设置蓄热器，当热泵制热量供过于求时，将多余的热量储存起来，反之，供不应求时把热量释放出来使用。,蓄热的优点： 蓄热器储存低峰负荷时的热能，并提供给高峰负荷时使用。使热泵装置在高效下运行，既提高热泵装置的利用率，又减少设备的能量消耗。 由于设备容量减小，减小了设备费和基建投资。 电动热泵中蓄热还有调节电负荷的作用，可平衡电量的高峰及低峰负荷，实现削峰平谷。 弥补低位热源的不可靠性和间歇性。,二、蓄热材料1、单相蓄热材料利用材料的温度变化储存显热，如水、岩石、土壤等。要求比热大、密度大、有良好的热稳定性、不燃不爆、无毒无腐蚀性、价廉易得。说明：水是一种良好的单相蓄热材料。,2、相变蓄热材料利用材料的相变储存潜热，如冰、石蜡等为常用相变蓄热材料。10点要求（P85）,三、蓄热器用于储存低温热源能量的热容器主要有岩石蓄热器、蓄热水槽等,图3-25 热泵蓄热系统1-压缩机 2-冷凝器 3-三通阀 4-节流阀 5-蓄热器 6-蒸发器,四、热泵蓄热系统说明：其中“蓄热器”的“充热”和“放热”过程。（图3-25）,
