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1、1,第3章 热泵的低位热源和驱动能源 3.1 概述 3.2 空气源 3.3 水源3.3.1 地下水3.3.2 地表水3.3.3 生活废水和工业废水 3.4 土壤源3.4.1 土壤热物性3.4.2 土壤温度的状况分析及变化规律 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3.6.2 电动机驱动3.6.3 燃料发动机驱动3.6.4 蒸汽轮机驱动 3.7 热泵系统中的蓄能3.7.1 蓄能的意义3.7.2 蓄热材料3.7.3 蓄热器3.7.4 热泵蓄热系统,2,3.1 概述低位热源的种类空气源（一般为环境空气）；水源（地表水，地下水，海水，污水等）；土壤源（又称地
2、源）；太阳能（清洁能源）；工业或民用余热和废热（如废水或废气）。,3,低位热源的特点能源的品味较低，但其数量巨大；自然低位热源是再生能源的一部分；低位热源分布较广；部分自然低温热源又属于宝贵的资源，它具有双重性，既是不能直接利用的优良低温热源又是重要的资源。,4,对低位热源的要求要有足够的数量和较高的品位；没有任何附加费用或仅有极少的附加费用；输送热量的载热（冷）剂的动力消耗要尽可能小；载热（冷）剂对金属材料应无（或尽量小）腐蚀作用；热源温度的时间特性和供热的时间特性应尽量一致；热源的载热剂应尽量洁净、无杂质。,5,3.2 空气源空气源热泵的优缺点取之不尽、用之不竭，可无偿地获取，安装方便；热
3、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，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；空气的热容量较小，需要较大的空气量。,6,我国7个采暖区域的分布图,7,区：1月平均温度-10；7月平均气温25；7月平均相对湿度50%；如黑龙江，吉林等。 区：1月平均温度-100；7月平均气温1828；如天津，山东，宁夏等。 区：1月平均温度010；7月平均气温2530；如上海，浙江，湖南等。 区：1月平均温度10；7月平均气温2529；如海南，广东、广西大部分等。 区：1月平均温度013；7月平均
4、气温1825；如云南大 部，贵州、四川西南部等。 区：1月平均温度-220；7月平均气温18；如青海，西藏大部分等。 区：1月平均温度-5-20；7月平均气温18；7月平均相对湿度50%；如新疆大部，甘肃北部等。,8,3.3 水源水源热泵优缺点水的热容量大，传热性能好，换热设备结构紧凑；水温较稳定，故热泵运行工况也较稳定；可使用地表水（河水、湖水、海水），地下水（深井水、泉水、地热水等），生活废水和工业用水（工业冷却水、生产工艺排放的废温水、污水等）；必须靠近水源，应设有蓄水装置；对水质有一定的要求。,9,3.3.1 地下水选用地下水作为低温热源时，应注意以下问题：我国地下水分布的不均匀性；含
5、水层的渗透性；地下水的温度；地下水的水质；我国地下水超采现象严重，已引起一些地质灾害问题。,10,3.3.2 地表水包括江、河、湖、海的水源，要求冬季不结冰。地表水的特点：江河水流量变化大；河流水温的变化小；河流含沙量大；河流天然水质差异明显；热泵长期从河水或湖水中采热，对河流或湖泊的生态有影响。,11,图3-1 日本东京某地区河流水温与空气温度的变化,12,海水源的特殊性：海水含盐量高，腐蚀性强；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；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；取水口应避开泥沙可能淤积的地方；海洋水温会随着其深度的不同而异。,13,3.3.3 生活
6、废水和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，是可以利用的低位热源。城市污水是很好的生活废水热源。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；有的温度较低，则可作为低温热源使用。,14,3.4 土壤源土壤源热泵的优缺点 全年地温波动小，冬季土壤温度比空气温度高，热泵制热性能系数较高； 埋地盘管不需要除霜； 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； 埋地盘管冬季从土壤取出的热量，夏季可通过热传导由地面补充，因此土壤同时起了蓄能的作用；,15,土壤的导热系数小，工质与土壤间的热
7、交换强度小，需增大换热面积，金属耗量大； 土壤对埋地盘管有腐蚀作用，应进行防腐蚀处理； 在运转中因采热而引起地温发生变化，地温变化造成土壤源热泵蒸发温度的变化，使运行工况不稳定； 土壤能源密度为2040W/m2，以土壤为热源的热泵装置不用风机，可减少噪音。,16,3.4.1 土壤热物性 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； 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。,17,3.4.2 土壤温度的状况分析及变化规律 （1）土壤温度的变化规律 土壤温度的两种周期性
8、变化土壤温度的日变化和年变化。 （2）热泵运行工况下土壤的温度变化 离地表越近，温度变化幅度也越大，越深温度变化幅度越小，50m以下基本无变化。以下是不同深度土壤温度年变化的曲线图及水平地埋管年温度变化曲线图：,18,图3-2 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,19,图3-3 水平地埋管年温度变化图,20,3.5 太阳能太阳能热泵的优缺点是取之不尽、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；高、中温平板集热器和聚光型集热器价格昂贵；热泵上可不设除霜装置；热泵装置可采用结构简
9、单的低温平板集热器，其集热器效率较高，且成本较低，常与建筑物做成一体，是利用太阳能的较好的方案。,21,太阳能热泵的蓄热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；蓄热装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；可以将集热器与蒸发器组合在一起，集成太阳能热泵直膨式集热器。,22,图3-4 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,23,3.6 驱动能源与驱动装置 3.6.1 热泵的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）；蒸汽轮机驱动。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
10、油）和煤气等。,24,图3-5 电能驱动热泵和带热回收的内燃机驱动热泵的流程图(a)电能驱动的热泵 (b)带热回收的内燃机驱动热泵,25,3.6.2 电动机驱动 单相或三相交流电动机是热泵中最普遍的驱动装置 目前常用的电能驱动装置：单向交流电动机 ；三相交流异步电动机；直流电动机；变频电动机。,26,3.6.3 燃料发动机驱动 按热机工作原理不同有内燃机和燃气轮机两种； 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。,27,图3-6 具有热回收的燃料发动机的热泵 1-燃料发动机；2-压缩机；3-蒸发器；4-膨胀阀；5-冷凝器 6-排气；7-发动机冷却水；8-供热系统回水；9-
11、供热系统给水,28,图3-7 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,29,30,3.6.4 蒸汽轮机驱动热泵由汽轮机驱动，从低位热源中吸收部分热量，该种汽轮机驱动热泵的供热系统可节约大量的初级燃料，燃料消耗量要比普通热力站燃料消耗量少很多，下图给出了一蒸汽轮机驱动原理图。,31,图3-8 蒸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；8-凝结水箱；9-水泵；10-预热器；11-热用户,32,3.7 热泵系统中的蓄能 3.7.1 蓄
12、热的意义 蓄热的原因：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），所以热泵的制热量也将随之而变，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。,33,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； 电动热泵中蓄热还有调节电力负荷的作用，如夜间蓄、白天释，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； 由于设备容量减小，减小了设备费和基建投资。,34,3.7.2 蓄热材料 （1）单相蓄热材料： 利用材料的温度变
13、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； 水是一种良好的单相蓄热材料。,35,（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。,36,3.7.3 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3-9 岩石蓄热器,37,3.7.4 热泵蓄热系统,图3-10 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,38,本章重点： 了解热泵常用的一些低位热源（如空气、水、土壤、太阳能）的优缺点、典型特点、温度范围以及常用的使用地区等。 了解热泵压缩机常用的驱动装置（电动机驱动、燃料发动机驱动、蒸汽轮机驱动等）和它们的分类以及各种驱动装置组成的热泵装置原理图。 了解在热泵系统中设置蓄热的原因、意义、材料以及常用的蓄热器等。,
