第一章 导论与基础-热泵技术及其应用20150327

第一章：导论与基础

热泵技术及其应用2015.03.28§1-1能源与环境第一节能源与环境§1-1能源与环境1.1.1

能源的开发和利用1.1.1.1、能源与环境污染问题能源消耗的急剧增加将导致环境的严重污染，因此，一方面要充分利用能源（提高能源利用率）以减少对环境的污染；另一方面，要寻找无公害的新能源。§1-1能源与环境1.1.1.2、能源的消耗及未来能源§1-1能源与环境世界近30年内的能耗图§1-1能源与环境中国近30年总能耗§1-1能源与环境2010年世界能耗前10国家排名§1-1能源与环境1.1.1.2、能源的消耗及未来新能源说明：目前世界能源消耗主要还是来自不可再生能源，但是地球上的资源越来越少，环境为题越来越严重，这促使对新能源的开发和利用迫在眉睫。新能源的种类：太阳能、核能（核裂变及核变）、生物能、风能、潮汐能、地热能等。§1-1能源与环境1.1.1.3、能源利用与环境保护说明：限制和减少化石燃料燃烧产生的CO2等温室气体的排放，是保护环境的重要措施，采用热泵技术是最有效手段之一。§1-1能源与环境1.1.2

能源的节约问题1.1.2.1

能源利用率说明：我国单位产量的能耗高以及能源利用率低。1.1.2.2节能的重要性强调：对环境的影响（如大气污染对人类健康的影响及温室气体对地球生态环境的影响）§1-1能源与环境1.1.2.3热泵节能的方法和意义

能回收和利用低位热能，充分利用大量废弃的低温余热资源。即能量二次利用。

同时，可以提高一次能源的利用效率。

§1-1能源与环境

注意：我国国内各部门的余热资源情况§1-1能源与环境

所以，研究和推广应用热泵技术对于约能量、提高经济效益以及保护环境有重要意义。§1-2热泵的低位热源第二节热泵的低位热源§1-2热泵的低位热源1.2.1能源的品位（能质）

能源所含有用成分的百分率越高则品位越高。1.2.1.1高品位能（高位能）

在理论上可以完全转化为功的能量，又称高质量能，如电能、机械能、化学能、高位的水力和风力、高温的物质等。§1-2热泵的低位热源1.2.1.2低品位能（低位能）

不能全部而只能部分转化为功的量，又称低质量能，如物质的内能、低温的物质等。§1-2热泵的低位热源1.2.1.3高位热源

指温度较高而能直接应用的热源，如蒸汽、热水、燃气以及燃料化学能、生物能。1.2.1.4低位热源

指无价值、不能直接应用的热源，如环境空气、水、地热(土壤热)、太阳能、废热、余热。§1-2热泵的低位热源说明：

能量的质量高低表示作功的能力大小，如高位能变为低位能，表明能量作功能力变小，质量降低或贬值。§1-2热泵的低位热源1.2.2热泵对低位热源的要求热源的载热剂应尽量洁净、无杂质热源与系列化的热泵产品应匹配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注意：要有足够的数量和较高的品位§1-2热泵的低位热源1.2.3待研究和探讨的问题热源的蓄热问题（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热泵的低位热源1.2.4热泵的低位热源1.2.4.1空气源的优缺点取之不尽、用之不竭，可无偿地获取，安装使用方便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。§1-2热泵的低位热源注意：

使用空气源时，一定注意当地的气候条件，我国疆域辽阔，气候涵盖了寒、湿、热带。在进行空气源热泵的设计和计算时，各地区有显著不同。

关于气候的区域划分，请参考《建筑气候区划标准》（GB_50178—93）§1-2热泵的低位热源1.2.4.2水源的优缺点一、水源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），来源广阔。必须靠近水源，应设有蓄水装置对水质有一定的要求（洁净度、防腐蚀等问题）§1-2热泵的低位热源二、地下水介绍优点：无论是深井水还是地热水，都是热泵良好的低位热源。地下水位于较深的地方，随季节气温的波动很小；特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵的运行十分有利。§1-2热泵的低位热源注意：我国地下水分布的不均匀性含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总之地下水不是取之不尽，用之不竭的，一定不要过度开采，为子孙后代留着点！！！！§1-2热泵的低位热源深井回灌技术介绍：夏灌冬用：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。冬灌夏用：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。把大地作为一个保温水箱！！！§1-2热泵的低位热源三、地表水介绍包括江、河、湖、海的水源，要求冬季不结冰。1、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§1-2热泵的低位热源2、海水源的特殊性

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，最好设在岩石海岸、海湾或防波堤内

§1-2热泵的低位热源四、生活废水介绍说明：生活废水量大面广，作为热泵的低位热源，可使热泵具有较高的制热性能系数。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，每天排放的大量污水经初步净化后，是水源热泵理想的低位热源。存在的问题：如何贮存足够量的水以应付供热负荷的波动，以及如何保持换热器表面的清洁和防止水的腐蚀。§1-2热泵的低位热源五、工业废水介绍说明：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热泵的低位热源1.2.4.4土壤热源的优缺点全年地温波动小，冬季土壤温度比空气温度高，热泵的制热性能系数较高。埋地盘管不需要除霜在采暖季节，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。§1-2热泵的低位热源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，金属耗量大土壤对埋地盘管有腐蚀作用，应进行防腐蚀处理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§1-2热泵的低位热源§1-2热泵的低位热源1.2.4.5太阳能的优缺点介绍一、太阳能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。§1-2热泵的低位热源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，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。热泵上可不设除霜装置。§1-2热泵的低位热源二、太阳能的蓄热说明：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）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。§1-2热泵的低位热源暖石床卵石床蓄热1-集热器2-蒸发器3-风机4-进蓄热器的空气5-离开蓄热器的空气6-空气分配器7-保温8-卵石§1-3能源的合理利用第三节能源的合理利用§1-3能源的合理利用任何用能过程是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，必须按质用能。量的守恒性和质的衰减性。§1-3能源的合理利用说明：

所谓的“节约能量”之说，严格而言是不十分确切的。因为仅仅节约了高位能，利用了很大部分低位热能，也就是说，能量是守恒的。

热泵也仅仅是一种泵热的装置，不产生能量，而是利用少量高位能和大量低位能。一切能量使用到最后，都成废热传递给环境了，虽然它在数量上看是守恒的，但质量上已经越来越不中用，最后降级到无用。所以，要把能量贬值作为重要的问题来对待。§1-4热泵技术第四节热泵技术§1-4热泵技术1.4.1热泵的定义靠高位能拖动，迫使热量从低位热源流向高位热源的装置，称为热泵（又称“温度升高器”）。§1-4热泵技术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（如汽轮机、燃气机、燃油机、电机等）（如制冷机、喷射器）§1-4热泵技术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。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(高位能)装置。§1-4热泵技术1.4.2热泵的驱动能源

目前，绝大多数热泵都是由电能驱动。除此之外，热泵还可以利用石油、天然气的燃烧以及蒸汽或热水来驱动，故称为热驱动热泵。电能是属于二次能源范畴，而煤、石油天然气等属于一次能源范畴。因此热泵的驱动能源不同时，必须用一次能源利用率来评价热泵的效率。§1-4热泵技术1.4.3热泵的驱动装置

一、电动机(普遍形式)

电动机是一种方便可靠、技术成熟和价格较低的原动机。家用热泵均采用单相电机，中大型热泵一般采用三相电动机。后者效率高，如果采用变频电机，更节能。

将电动机和压缩机装在一个壳体里面，做成全密封式压缩机，可以提高热泵装置运行的安全性。§1-4热泵技术二、燃料发动机

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。其效率在百分之三十左右，当电力短缺而有燃料时，使用燃料发动机对城市的能源平衡有着积极的意义。§1-4热泵技术三、燃烧器

燃烧器是热驱动热泵达到良好使用性能的最重要器件。燃烧器由燃料喷嘴、调风器、火焰检测器、程序控制器、自动点火装置、稳焰装置、风机、燃气阀等组成。由程序控制器控制燃烧器的整个工作过程。

液体、气体燃料的主要成分是烃类。§1-4热泵技术1.4.4热泵的蓄热

一、蓄热的意义

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。

§1-4热泵技术

二、蓄热的优点

①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。②由于设备容量减小，减小了设备费和基建投资。③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。④弥补低位热源的不可靠性和间歇性。

§1-4热泵技术三、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。

§1-4热泵技术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。相变：物质从一种相转变为另一种相的过程。物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。与固、液、气三态对应，物质有固相、液相、气相。

§1-4热泵技术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§1-4热泵技术岩石蓄热器§1-4热泵技术1.4.5热泵的经济性分析一、额外投资回收年限法热泵常用的技术经济比较方法是额外投资回收年限法一般情况下，回收年限为3~5年。

§1-4热泵技术二、能耗费用对比§1-4热泵技术1.4.6热泵的优点节能

热效率高，运行费用低环保

无废热、废水、废气适用

环境温度要求不高§1-4热泵技术节能热泵的制热性能系数制热的效率，不受能量转换效率(100%为其极限)的制约，而是受到逆向卡诺循环效率的制约，这就是其制热系数可以达到300～500%甚至更高的原因。§1-4热泵技术环保无废热、废水、废气而且能回收利用废水、废气等中的废热§1-4热泵技术适用一般的传热工质常压下其沸点为-41℃，凝固点为-100℃实际运行中，压缩机将工质的压力和温度升高，在绝对压力0.25Mpa下，主机中传热工质的蒸发温度在零下20℃左右因此适用温度范围很广§1-4热泵技术1.4.8热泵的分类及应用按常用的供热介质分类：空气源热泵水源热泵土壤源热泵太阳能热源热泵§1-4热泵技术按用途分类：小型热水器大型的集中采暖热泵同时供热供冷热泵废热利用热泵§1-4热泵技术小型热水器

热效率400%以上,运行费用是电热水器的1/4，比太阳能低40%。空气源热泵热水器经历了几年的起步阶段后，已经步入快速成长时期。据《中央空调市场》杂志市场调研显示，2008年上半年，空气源热泵热水器市场呈现持续快速增长的态势。2007年热泵热水器行业的总销售额约为7亿元，2008年全年销售额有望突破12亿元，增长幅度超过70%，市场前景相当广阔。§1-4热泵技术大型的集中采暖热泵§1-4热泵技术同时供热供冷热泵装置的用途用热用冷鱼类加工厂清洗用温水制冷肉类加工厂清洗用温水冷却和制冷农舍清洗机器和清洁用温水牛奶冷却、空调用冷乳品厂清洗用温水牛奶冷却、储存室冷却屠宰场清洗用温水冷藏库及速冻间溜冰场采暖、游泳池冰场制冷大型冷库供热、出售热量冷藏间啤酒厂温水啤酒窖及麦芽汁冷却工业能源中心温水和热水冷盐水、冰、冰水§1-4热泵技术废热利用热泵装置用途用热废热来源洗衣房热水废水旅馆、医院温水废水印染和其他纺织工业热水、热碱水废水造纸和其他加工工业热水、干燥过程排气、废水麦芽作坊干燥室蒸气农用空调装置采暖、热水马棚、孵化室等香蕉催熟装置催熟间冷藏室干燥装置干燥空气排气、排出的空气去湿§1-4热泵技术1755年，爱丁堡的化学教授WilliamCullen利用乙醚使水结冰。他的学生Black从本质上解释了融化和气化现象，导出了潜热的概念，并发明了冰量热器。标志着现代制冷技术的开始。1834年，美国人Perkins造出了第一台以乙醚为工质的压缩式制冷机。1.4.7热泵的发展史§1-4热泵技术热泵的工作原理虽然与制冷机相同，但热泵的发展却远不如制冷机顺利。在很长的一段时间内，热泵的历史几乎是空白。1852年，W.Thomson教授发表论文指出：制冷剂也可以用于供热。第一个提出了正式的热泵系统，当时称为“热量倍增器”。§1-4热泵技术1930年，Haldane报道了他1927年在苏格兰安装与试用的家用热泵，其工质为氨，用空气作热源，供室内采暖及热水之用。1938年~1939年，瑞士苏黎世议会大厦安装了欧洲第一个大型热泵采暖装置，以河水为热源，输出热量达175Kw。§1-4热泵技术20世纪40年代到50年代早期，热泵工业得到迅速发展，家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场，热泵进入了早期发展阶段。20世纪70年代能源危机以来，热泵工业进入了黄金时期，世界各国对热泵的研究工作都十分重视，诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制定了大型热泵发展计划，热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断的开拓，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。§1-4热泵技术21世纪，随着“能源危机”的再度出现和人们环保节能意识的增强，经过改进发展成熟的热泵以其高效回收低温环境热能，节能环保的特点，进一步引起了人们的广泛关注。§1-4热泵技术

我国热泵的发展概况：我国热泵工业相对于世界上工业发达国家来说，有一段明显的滞后期。1950年代初，天津大学的一些学者最早开始从事热泵的研究。1965年上海电冰箱厂研制成我国第一台制热量3720w的热泵型窗式空调器，但因换向阀的工