1、暖通空调热泵技术主要内容主要内容n第一章 绪论n第二章 热泵的理论循环 n第三章 热泵的低位能源和驱动能源n第四章 空气源热泵空调系统n第五章 水源热泵空调系统 n第六章 土壤耦合热泵空调系统n第七章 水环热泵空调系统 n第八章 变制冷剂流量热泵式多联机空调系统 n第九章 吸收式热泵n第十章 热泵工程案例分析3主要参考书及文献主要参考书及文献1徐邦裕，陆亚俊，马最良编.热泵 中国建筑工业出版社，19882 蒋能照.空调用热泵技术及应用 机械工业出版社，19973徐伟 等.地源热泵技术工程指南中国建筑工业出版社，19884马最良等.暖通空调热泵技术中国建筑工业出版社5暖通空调、制冷学报、Ener
2、gy and building 和Energy等有关的杂志4主要目标主要目标n课程目标1.n了解和掌握热泵的基本理论、基本概念、各种不同的热泵系统的统组成、特征、热泵评价等基本知识，以及不同热泵系统的适用条件、注意事项、设计选用方法，具备基于热泵的能源系统设计和问题分析的专业知识，了解热泵的技术热点、发展趋势及前沿应用。5主要目标主要目标n课程目标2.n了解和掌握热泵及其系统在工业与民用建筑通环境营造中，与其它能源系统的统筹协调应用，具备基于热泵的能源系统问题分析、综合方案设计和解决复杂工程问题的能力n课程目标3.n了解热泵技术及工程的发展现状和趋势，理解热泵技术在营造建筑环境时的节能减排作用
3、，培养环境保护和可持续发展的意识，能够评价基于热泵技术的工程对环境、社会可持续发展的影响。第一章绪 论n1.1 能源与环境n1.2 高位能与低位能n1.3 热泵的定义n1.4 热泵的种类n1.5 热泵空调系统的分类n1.6 热泵工质及其替代问题n1.7 热泵在我国应用与发展的回顾n1.8 热泵的历史第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 能源与环境能源与环境n热泵的研究是基于两个热点问题，即能源问题能源问题和环境污染环境污染问题。n能源的危机和矿物能源燃烧过程产生的有害物对生态环境的污染，是对现代人类生存的严重威胁与挑战。n热泵技术是开发和强化高位能利用率的重要手段，是获取可再生能源及保持生态平
4、衡的有效途径之一。n2010年，我国成为全球第一能源消耗大国，单位GDP能耗是世界平均水平的2.5倍，是美国的3.3倍，是日本的5倍。9n 2010年，我国每年碳排放总量80亿吨，是美国碳排放总量的1.54倍；是欧洲碳排放总量的近两倍。n20132013，世界，世界/中中国国/欧盟欧盟/美国人均美国人均二氧化碳排放量为二氧化碳排放量为5/7.2/6.8/16.55/7.2/6.8/16.5吨。吨。1.1 1.1 能源与环境能源与环境n资源与能源安全问题：n我国“富煤、缺气、少油”现状，石油进口60%，燃气进口35%n能源安全是国家发展建设的基本保障，对外依存度应有上限；n大气污染治理雾霾的需要
5、n目前构成严重雾霾天气时的主要污染物是氮氧化合物：尾气、燃煤、燃气n与燃煤相比，产生同样热量时，燃气排放的NOx是燃煤的60%70%；n低碳发展，缓解气候变化n2015年12月12日，巴黎协定在联合国气候变化大会上通过，成为应对气候变化和适应其影响的国际性条约；n通过减排，导2050年，使地球平均温度上升不超过2K；n按照2K的目标，世界全年总排放量不能超过150亿吨，目前我国年排放100亿；101.1 1.1 能源与环境能源与环境1.1 1.1 能源与环境能源与环境n我国建筑能耗消耗巨大。n建筑能耗是能源消费构成的重要部分，占相当大的比重，在发达国家已占到能源消费总量的3540。n在我国也占
6、到能源消费总量的25以上。其中约有80%的耗能量（约占总耗能量的20%）用于采暖、通风及空调应用。n北方采暖地区已超过三成，呈不断上升趋势；在今后几十年里，暖通空调的发展将会为我国能源供应和环境保护带来巨大压力。n提高能源利用效率已成为我国能源发展战略的基本出发点。n 中国正处于工业化、城市化阶段，在未来20年具有保持GDP年均增长7左右以上的潜力，这就使我国的能源供应面临着必须保持年均递增力4左右的压力。1.1 1.1 能源与环境能源与环境n环境恶化问题。（1）最关注的全球性环境问题有：CO2、甲烷等产生的温室效应；二氧化硫、氮氧化合物等酸性物质引起的酸雨；（2）在过去的100年中，全球已升
7、温0.30.6，使海平面上升1025 cm。预计到2100年，若CO2增加一倍，地球将升温1.53.5，海平面将上升1595 cm。气温上升，陆地面积减少，将会严重干扰人们的正常生活和生产。1.1 能源与环境n国内城市大气污染严重。1998年世界卫生组织（WHO）公布的世界大气污染最严重的10座城市中，中国占7席，即太原、米兰、北京、乌鲁木齐、墨西哥、兰州、重庆、济南、石家庄和德黑兰。2001年世界银行发展报告列举的世界污染最严重的20个城市中，中国占了16个；中国大气污染造成的损失已经占到GDP的37。近年来，伴随着工业化、城市化、现代化，我国的环境保护问题十分突出。原因：目前我国能源结构中
8、煤占近70%左右，2016年约占（62%）1.1 1.1 能源与环境能源与环境n矿物能源的使用产生大量污染物(CO2、SO2、NOx、粉尘等)，造成严重的环境污染，我们感触最深的便是雾霾雾霾！以哈尔滨为例，以哈尔滨为例，冬季大气冬季大气PM2.5源解析显示源解析显示28.42%26.93%33%11.65%151.1 1.1 能源与环境能源与环境161.1 1.1 能源与环境能源与环境1.1 能源与环境n目前人们公认，采用热泵技术是解决暖通空调系统的能源与环境问题的有效措施之一。n因此发展与应用热泵空调已成为暖通空调制冷可持续发展的基本出发点之一。n基于能源和环境现状、国内外政策和建筑节能的国
9、内外发展趋势，热泵技术发展潜力巨大，应用前景广阔。18从环境看从环境看n热泵的发展始终受到经济问题的制约，在目前的能源价格下，热泵有时是节能不省钱的。但由于环境污染问题的日益严重，使得热泵的发展又遇到了一个良好的机遇。n由于环境问题，而不是经济问题，我们将会经历热泵发展的第二个兴旺期。n从国际政策看从国际政策看n2015年12月12日，巴黎协定在联合国气候变化大会上通过，成为应对气候变化和适应其影响的国际性条约；n通过减排，到2050年，使地球平均温度上升不超过2K；n按照2K的目标，世界全年总排放量不能超过150亿吨，目前我国年排放100亿；n按照减排要求，2050年我国碳排放总量应在35亿
10、吨；n即使届时全部能源改为天然气，碳排放总量仍为70亿吨；n必须实现能源革命，彻底改变能源结构，以可再生能源和核能为主。1.1 1.1 能源与环境能源与环境1.1 能源与环境从国家政策看从国家政策看n我国在中美气候变化联合声明中承诺：n到2030年左右CO2排放达到峰值且将努力早日达峰；n到2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。n国务院办公厅发布的能源发展战略行动计划（2014-2020年）中明确，到2020年，一次能源消费总量控制在48亿吨标准煤左右，煤炭消费总量控制在42亿吨标准煤左右。n到2020年，我国建筑建筑能耗控制在9.3亿吨标煤以内。其中，可再生能源利用占建筑总
11、能耗13%以上（目前5左右）n我国既有建筑面积已超过600亿m2，其中，绿色建筑比例不足0.5%。因此，既有建筑清洁及可再生能源利用任重而道远。1.1 1.1 能源与环境能源与环境从国家政策看从国家政策看n2016年，习近平总书记在中央财经领导小组第14次会议上强调：“推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容”n2017年，李克强总理在政府工作报告中提出：推进北方地区冬季清洁取暖，完成以电代煤、以气代煤300万户以上，全面淘汰地级以上城市建成区燃煤小锅炉；n因此，既有建筑清洁及可再生能源利用任重而道远。n试点
12、示范期为三年，中央财政奖补资金标准根据城市规模分档确定，直辖市每年安排10亿元，省会城市每年安排7亿元，地级城市每年安排5亿元。n将重点支持京津冀及周边地区大气污染传输通道“2+26”城市1.2 高位能与低位能1-水坝中的水；2-供水池；3-湖水中的水；4-水轮机；5-水泵 1.2 1.2 高位能与低位能高位能与低位能n取水方案1 由水坝直接供水假设供水量为10吨/s，且不计机械摩擦损失和管路阻力损失。则方案1不需要外界作功，但将损失掉势能 101001000=106 kg.m/s n取水方案2 用水泵从湖中取水，由坝中的水驱动水轮机，水轮机再拖动水泵。用水坝中的水0.909吨/s,其作功值为
13、0.909 1001000=9.09104 kg.m/s。拖动水轮机，从湖中取水9.09吨,即能完成取水任务。由此可见，坝中的水和湖中的水，虽然都是水，但其价值是不同的。坝中的水具有作功能力，其价值也高。能量不仅有数量多少之分，也有质量问题。1.2 高位能与低位能n若向室内供热10 kW，现有两种用电能的供暖方案方案1 直接用电加热，则需要10 kW电能。方案2 采用热泵供热，即用电能拖动热泵机组向室内供热。假定供热温度45，低温物体温度0，如果热泵按理想的逆卡诺循环工作，则所需要的电能为1.145kWn评价能源的价值时，既要看其数量数量，又要看其质量质量。能量按其质量可划分为高位能和低位能两
14、种。同样热源可分为高位高位热源和低位热源热源和低位热源。n合理地使用高位能的问题是十分重要的。因为实际的能量利用过程有两个特性：量的守恒性和质的贬值性。任何用能过程实质上也可以说成能的量与质的利用过程。要使热能得到合理利用，必须合理使用高位能，必须做到按质用能。n基于能量质量的概念，可提炼出合理利用能源的两个重要原则能量的梯级利用和能级的提升，从而克服了传统能量利用的分产分供方式1.2 1.2 高位能与低位能高位能与低位能1.2 1.2 高位能与低位能高位能与低位能n节约能量的途径，过去认为不用能即节能，实际上应该提高能量的利用率，“建筑节能”应更准确地表述为“建筑合理用能”。1.3 1.3
15、热泵的定义热泵的定义n目前,标准、论文、书籍中有关“热泵”的定义与内涵却各不相同，常给人们一种模糊不清的热泵概念。因此,有必要做个概念明确的统一定义，其内涵要更全面、更准确。nGB50155-99暖通空调术语标准 能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机n新国际制冷词典(New International Dictionary of Refrigeration)以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统n热泵徐邦裕、马最良等编 靠高位能拖动，迫使热量从低位热源流向高位热源的装置n热泵的原理与应用郁永章编 把处于低位的热能输送至高位的机械n制冷工程技术词典尉迟斌编 可连续将热量从温度较低的物体（或环境）传递
16、给温度较高物体的机械1.3 热泵的定义把“热泵”理解为制冷机、制冷系统、装置与机械，各不相同。显然热泵不是制冷机，也不是制冷系统，而应该是一种装置或称为机械。热泵概念的引出应从合理的使用高位能的角度引出。制冷机可以作为热泵的工作机。因为制冷循环既制造了低于环境温度的物质，并从环境温度下的物体中吸取热量，又制造了高于环境温度的热量，而获得供热效果，形成了所谓的热泵作用。把“热泵”理解为一种装置或机械还不够，而应明确是一种节能装置或节能机械。热泵：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。顾名思义，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、
17、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。28 热泵可设想如右图所示的节能装置（或称节能机械），由动力机和工作机组成热泵机组热泵机组。利用高位能来推动动力机（如汽轮机、燃气机、燃油机、电机等），然后在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高品位，以向用户供热。低位能环境温度高于环境温度的热源高位能动力机工作机1.3 热泵的定义1.3 热泵的定义热泵系统热泵系统1.4 热泵的种类1.4 热泵的种类1.4 热泵的种类1.4 热泵的种类1.4 热泵的种类1.5 1.5 热泵空调系统的分类热泵空调系统
18、的分类热泵空调系统热泵空调系统1.5 1.5 热泵空调系统的分类热泵空调系统的分类1.6 1.6 热泵工质及其替代问题热泵工质及其替代问题n1.6.1 蒸气压缩式热泵对工质的要求蒸气压缩式热泵是目前在暖通空调领域内应用最为广泛的一种热泵形式。因此，下面仅讨论蒸气压缩式热泵对工质的要求。通常，应满足下列要求。（1）热泵工质应具有优良的热力学特性。（2）热泵工质应具有优良的热物理性能。（3）热泵工质应具有良好的化学稳定性。（4）热泵工质与润滑油的互溶性对系统工作的影响各有利弊。（5）热泵工质应具有安全性。1.6 1.6 热泵工质及其替代问题热泵工质及其替代问题n1.6.1 蒸气压缩式热泵对工质的要
19、求（1）热泵工质应具有优良的热力学特性。临界温度应比最大冷凝温度高。在热泵的工作温度区间内应有合适的饱和压力。其它的热力学热性也希望如下：工质的比热容要小，以减少节流损失。工质的绝热指数要低，以避免压缩机的排气温度过高（一般情况下，要求压缩机排气温度不超过150）。工质的单位容积制热能力要大，以使热泵机组尺寸紧凑。工质的气相比焓随压力变化小，可降低同样压缩比下的压缩机耗功。1.6 热泵工质及其替代问题4 0 44 0 74 1 0近 共 沸 混 合 工 质 2 0 世 纪 6 0 年 代 研 究 与 试 用 非 共 沸 混 合 工 质。由 两 种 或 多 种 工 质 按 一 定 比 例 混 合
20、 在 一 起 的 工 质，在 一 定 压 力 下 平 衡 的 液 相 和 气 相 的 组 分 不 同，且 沸 点 不 恒 定。2 0 世 纪 5 0 年 代 出 现 共 沸 混 合 工 质，如5 0 2 由 两 种 或 多 种 工 质 按 一 定 比 例 混 合 在 一 起 的 工 质，在 一 定 压 力 下 平 衡 的 液 相 和 气 相 的 组 分 相 同，且 保 持 恒 定 的 沸 点。非 共 沸 混 合 工 质共 沸 混 合 工 质混 合 工 质 八 氟 环 丁 烷 二 氯 环 丁 烷环 状 有 机 化 合 物 丁 烯、丙 烯非 饱 和 碳 氢 化 合 物饱 和 碳 氢 化 合 物卤
21、代 烃有 机 化 合 物无 机 化 合 物单 一 工 质热泵工质目 前，常 用 的 有：R 1 3 4 aR 1 2 3R 1 2 4R 2 2R 3 2R 7 4 4(C O2）R 7 1 7（N H3）早 期 制 冷 剂 1 8 3 4年 采 用 乙 醚 制 冷R 7 1 7、R 7 4 4、R 7 1 8 自 然 工 质 是 解 决 环 境 问 题 的 最 终 方 案1 9 2 8年 合 成R 1 2，开 始 由天 然 工 质 步 入 合 成 工 质 时 代2 0世 纪7 0年 代 发 现 含 氯 或溴 的 合 成 工 质 对 大 气 臭 氧 层有 破 坏 作 用1 9 9 7年（京 都
22、 协 议）将C F C、H C F C、H F C物 质 列入 温 室 气 体 减 排 清 单 当 非 共 沸 混 合 工 质 的 饱 和 液 线 和 干 饱 和 蒸 气 线 非 常 接 近 时，其 泡、露 点 温 度 差 小 于 1 摄 氏 度。氯 氟 烃（C F C）氢 氯 氟 烃(H C F C)氢 氟 烃(H F C）甲 烷、乙 烷1.6 热泵工质及其替代问题1.7 热泵在我国应用与发展的回顾n通过对大量的文献资料的统计、分类、比较和分析，明显地将我国热泵的应用与发展分为以下几个阶段：早期热泵的应用与发展阶段（1966年以前）热泵应用与发展的断裂期（19661977年）热泵应用与发展的
23、全面复苏期（19781988年）热泵应用与发展的兴旺期（19891999年）进入21世纪后热泵发展面临挑战也面临发展的新局面（20002003年）1.7 热泵在我国应用与发展的回顾n始于20世纪50年代 n1963年起原华东建筑设计院与上海冷气机厂就开始研究热泵式空调器n1965年上海冰箱厂研制成功我国第一台热泵型窗式空调器n1965年天津大学与天津冷气机厂研制成国内第一台水冷式热泵空调机n1966年天津大学与铁道部四方车辆研究所共同合作进行干线客车的空气空气式热泵实验n1966年原哈尔滨建筑工程学院与哈尔滨空调机厂研制成功LHR-20恒温恒湿热泵式空调机。1.7 热泵在我国应用与发展的回顾n
24、由于我国能源价格的特殊性，以及其他因素的影响，热泵空调在我国的应用与发展始终很缓慢。n直到20世纪70年代末期，世界范围的经济危机，才又为热泵空调的发展与应用提供了机遇。n20世纪80年代初至90年代末我国暖通空调领域掀起一股“热泵热”。1.7 热泵在我国应用与发展的回顾n 我国暖通空调领域的“热泵热”。主要表现为：n 热泵空调的学术交流活动十分活跃n 有关热泵空调的教材与著作大量出版n 积极开展热泵空调技术的研究工作 n 热泵空调新产品、新技术不断涌现n 热泵空调系统获得广泛的应用 n2016年，中国空气源热泵供热行业按出厂 价格计算的销售额首次突破百亿n2017年全年空气源热泵总销售额为人
25、民币约180亿元。n2017年空气源热泵供热产业发展回顾，波澜壮阔的一年，世界经济增长率3.0%，中国经济增长率6.9%，空气能（空气源热泵供热产业）增长率54.6%。1.8 1.8 热泵的历史热泵的历史n1824年，热泵压缩式理论 法国物理学家卡诺(S.Carnot)n1852年，热泵的设想 英国汤姆森(W.Thomson)教授，以空气为工质的开式热泵设想 n直至本世纪20-30年代，热泵有了较快的发展 英国美国 欧洲 日本1.8 1.8 热泵的历史热泵的历史n第二次世界大战的爆发，一方面影响与中断了空调用热泵的发展，另一方面战时能源的短缺促进了大型供热和工艺用热泵的发展。（1）1957年，
26、热泵的发展形成了一个高潮。（2）后来，使热泵进入10年左右的调整期。n直至20世纪70年代中期才重新有了快速增长 美国欧洲日本 一些国际组织如国际制冷学会等形成（IEA HP）第二章第二章热泵的理论循环热泵的理论循环n2.1 逆卡诺循环（Reverse Carnot Cycle）n2.2 劳仑兹循环（Lorehz Cycle）n2.3 蒸气压缩式热泵的理论循环n2.4 布雷顿循环（Bragton Cycle）n2.5 斯特林（Stirling）循环n2.6 吸收式热泵理论循环n2.7 温差电热泵n2.8 CO2跨临界热泵循环第二章第二章 热泵的理论循环热泵的理论循环49n热泵的工作原理与制冷的
27、原理相同，但它们工作的温度范围不同。n图中TA是环境温度，Te是低温物体的温度，Th是高温物体的温度。n按热泵驱动功的型式，可把常见的热泵分为多种形式：（1 1）蒸气压缩式热泵；）蒸气压缩式热泵；（2 2）吸收式热泵；）吸收式热泵；（3 3）温差电热泵（热电热泵）；）温差电热泵（热电热泵）；（4）蒸汽喷射式热泵。只讨论前三种型式热泵的理论循环。2.1 2.1 逆卡诺循环（逆卡诺循环（Reverse Carnot CycleReverse Carnot Cycle）2.1 2.1 逆卡诺循环（逆卡诺循环（Reverse Carnot CycleReverse Carnot Cycle）2.2 2
28、.2 劳仑兹循环（劳仑兹循环（Lorehz CycleLorehz Cycle）2.3 2.3 蒸气压缩式热泵的理论循环蒸气压缩式热泵的理论循环n蒸气压缩式热泵同蒸气压缩式制冷一样，其工作原理如图2-8所示。我们知道一台最简单的蒸气压缩式热泵是由压缩机、冷凝器、节流机构、蒸发器组成。2.3 2.3 蒸气压缩式热泵的理论循环蒸气压缩式热泵的理论循环2.4 2.4 布雷顿循环（布雷顿循环（Bragton CycleBragton Cycle）n布雷顿热泵理论循环应具有如下的条件：n（1）气体在压缩机与膨胀机中的压缩和膨胀过程都是等熵过程；n（2）气体与被冷却物体和加热物体之间必须在无温差情况下相互
29、传热；n（3）不计气体在高压热交换器与低压热交换器中流动阻力损失。2.5 2.5 斯特林（斯特林（StirlingStirling）循环）循环2.5 2.5 斯特林（斯特林（StirlingStirling）循环）循环n实际上实现理论斯特林循环有一定困难，主要表现在：n（1）图2-12中活塞的运动应是间歇的，这是难以实现的；n（2）回热器应是无阻力的，其换热效率应是100；n（3）认为与外部热源的热交换是无温差的理想过程2.6 2.6 吸收式热泵理论循环吸收式热泵理论循环2.6 2.6 吸收式热泵理论循环吸收式热泵理论循环60gacghhQQQQQgrQQeemmgeghTTTTTTmax卡诺
30、循环热机效率逆卡诺循环的制热系数2.6 2.6 吸收式热泵理论循环吸收式热泵理论循环n吸收式热泵以热能为动力，利用二元或多元工质对实现循环过程，与蒸气压缩式热泵相比，有如下特点：n（1）可以利用各种热能驱动。除利用锅炉蒸汽的热能、燃气和燃油燃烧产生的热能外，还可利用废热、废气、废水和太阳能等低品位热能，热电站和热电冷联供系统等集中供应的热能，从而节省初级能源的消耗。n（2）可以大量节约用电，平衡热电站的热电负荷。2.6 2.6 吸收式热泵理论循环吸收式热泵理论循环n（3）吸收式热泵结构简单，运动部件少，安全可靠。除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运行时没有振动和噪声，安装时无特殊要求，维护管理
31、方便。n（4）以水或氨等为制冷剂，其消耗臭氧潜能值ODP（Ozone Depletion Potential）和全球变暖潜能值GWP（Global Warming Potential）均为零，对环境和大气臭氧层无害。n（5）吸收式热泵的性能系数低于蒸气压缩式热泵2.7 2.7 温差电热泵温差电热泵RIITTTTRIIThhlhh2002)()(21 两接头之间的总导热系数电路中的电流电偶得温差电动系数电偶的电阻2.7 2.7 温差电热泵温差电热泵n温差电热泵（又称热电热泵、珀尔帖热泵）n是建立在珀尔帖效应的原理上的。当一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）联结成电偶（如图），在这个
32、电路中接上一个直流电源，并流过电流时，就发生能量的转移，在一个接头上放出热量，而在另一个接头上吸收热量。这种现象称为珀尔帖效应。2.8 CO2.8 CO2 2跨临界热泵循环跨临界热泵循环n CO2的临界温度接近环境温度，根据循环的外部条件，可实现三种循环。n（1）亚临界循环（Subcritical Cycle）n（2）跨临界循环（Transcritical Cycle）n（3）超临界循环（Hypercritical Cycle）2.8 CO2.8 CO2 2跨临界热泵循环跨临界热泵循环2.8.1 2.8.1 COCO2 2性能分析性能分析n COCO2 2是一种无毒、无害且不可燃是一种无毒、无
33、害且不可燃的天然物质的天然物质n ODPODP值为值为0 0，其，其GWPGWP值为值为1 1，是，是一种环境友好型的制冷剂一种环境友好型的制冷剂671 1 安全性安全性n COCO2 2的饱和压力值较高的饱和压力值较高682 2 热物理性能热物理性能不同制冷剂在不同温度下的不同制冷剂在不同温度下的饱和压力饱和压力2.8.1 2.8.1 COCO2 2性能分析性能分析n COCO2 2的单位容积制冷量的单位容积制冷量相当大相当大692 2 热物理性能热物理性能不同制冷剂在不同温度下的单位容不同制冷剂在不同温度下的单位容积制冷量积制冷量2.8.1 2.8.1 COCO2 2性能分析性能分析n 在
34、在-30-30至至-10-10时，时，COCO2 2的的压降最小压降最小n 当高于当高于00时，只有氨的压时，只有氨的压降略小于降略小于COCO2 2 702 2 热物理性能热物理性能不同制冷剂在不同温度下的压力降与不同制冷剂在不同温度下的压力降与COCO2 2的压的压力降的比值力降的比值2.8.1 2.8.1 COCO2 2性能分析性能分析n 从从-50-50到到3030，液态，液态NHNH3 3的粘度比液态的粘度比液态COCO2 2的粘度平的粘度平均高出均高出89%89%n 随着温度的升高，两者相差比例越来越大随着温度的升高，两者相差比例越来越大712 2 热物理性能热物理性能温度（温度（
35、）-50-50-40-40-30-30-20-20-10-100 0101020203030粘度粘度（厘泊）（厘泊）NHNH3 30.3570.3570.3050.3050.2640.2640.2310.2310.2050.2050.1830.1830.1640.1640.1490.1490.1360.136COCO2 20.1960.1960.1810.1810.1590.1590.1380.1380.120.120.1020.1020.08610.08610.07150.07150.05080.0508液态下液态下COCO2 2和和NHNH3 3的粘度对比的粘度对比2.8.1 2.8.1
36、COCO2 2性能分析性能分析n COCO2 2三相点的压力为三相点的压力为0.518MPa0.518MPa，温度为，温度为-56.6-56.6n 临界温度为临界温度为31.131.1，临界压，临界压力为力为7.38MPa7.38MPa722 2 热物理性能热物理性能COCO2 2三相图三相图2.8.1 2.8.1 COCO2 2性能分析性能分析n 鉴于鉴于COCO2 2的性质，一般来的性质，一般来说，当环境温度高于说，当环境温度高于3030左右时，左右时，COCO2 2循环过程就循环过程就是一个跨临界过程是一个跨临界过程n COCO2 2在跨临界循环过程中，在跨临界循环过程中，会造成制冷量的
37、减少以及会造成制冷量的减少以及压缩机功耗的增加。从而压缩机功耗的增加。从而降低系统降低系统COPCOP。733 3 跨临界跨临界COCO2 2制冷循环制冷循环跨临界跨临界COCO2 2制冷循环制冷循环压焓图压焓图2.8.1 2.8.1 COCO2 2性能分析性能分析742.3 2.3 跨临界跨临界COCO2 2制冷循环制冷循环典型冰场跨临界典型冰场跨临界COCO2 2制冷循环压焓图制冷循环压焓图2.8.1 2.8.1 COCO2 2性能分析性能分析第三章第三章热泵的低位能源和驱动热源热泵的低位能源和驱动热源n3.1 概述n3.2 空气n3.3 水n3.4 土壤n3.5 太阳能n3.6 驱动能源
38、和驱动装置n3.7 热泵系统中的蓄能n3.8 热泵的经济性评价第三章第三章 热泵的低位能源和驱动热源热泵的低位能源和驱动热源3.1 3.1 概述概述n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：n供热温度与可获取的热源温度间的温差要小。n热源温度尽可能高。n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 3.1 概述概述 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
39、）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 3.2 空气空气n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。n但是空气作为热泵的低位热源也有缺点：n（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。n（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 3.2 空气空气 结
40、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。n（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0.24 m3/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 3.2 空气空气3.2 3.2 空气空气n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
41、域，即已进入气候区划标准的区的部分地区内。n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4565左右，因此，选用空气源热泵其结霜现象又不太严重。3.3 3.3 水水n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。n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。n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
42、水装置。资源仅占全球水资源的0.8%。3.3 3.3 水水 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 3.3 水水n3.3.1 地下水n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
43、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。井水为潜水或承压水。n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。n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 3.3 水水n选用地下水作为热泵的低温热源时，应注意以下几点：n（1）我国地下水分布的不均匀性n（2）含水层的渗透性n（3）地下水的温度n（4）地下水的水质n（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 3.3 水水n3.3.2 地表水n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
44、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 3.3 水水n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 3.3 水水n 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。n海水的特殊性主要有
45、：n（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 3.3 水水（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 3.3 水水n3.3.3 生活废水与工业废水n生活废水生活废水 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
46、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 3.3 水水城市污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13.516.5；夏季出水温度为2225。黄河及长江流域，污水处理厂的二级出水温度为1728；且在整个采暖期内水温波动不大。工业废水工业废水形式颇多，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
47、热泵提高温度后可以用于游泳池水加热等。3.4 3.4 土壤土壤n3.4.1土壤热物性3.4 3.4 土壤土壤n3.4.2 土壤温度的状况分析及变化规律3.4 3.4 土壤土壤3.5 3.5 太阳能太阳能n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 3.5 太阳能太阳能n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
48、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 3.5 太阳能太阳能3.6 3.6 驱动能源和驱动装置驱动能源和驱动装置n3.6.1 热泵的驱动能源和能源利用系数3.6 3.6 驱动能源和驱动装置驱动能源和驱动装置n3.6.2 电动机驱动n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。n（1）单相交流电动机n（2）三相交流异步电动机n（3）直流电动机 n（4）变频电动
49、机n3.6.3 燃料发动机驱动n3.6.4 蒸汽透平（蒸汽轮机）驱动3.7 3.7 热泵系统中的蓄能热泵系统中的蓄能n热泵系统中采用蓄热器的优点有：n（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。n（2）由于设备容量减小，故减小了设备费和基建投资。n（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。n（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 3.7 热泵系统中的蓄能热泵系统中的蓄能n蓄热器一般由蓄热材料和容器组成。蓄热
50、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。n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 3.7 热泵系统中的蓄能热泵系统中的蓄能3.7 3.7 热泵系统中的蓄能热泵系统中的蓄能n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
