建筑节能教案 第8章 热泵技术及其在建筑中的应用

第八章热泵技术及其在建筑中的应用第一节热泵的基本知识一、热泵的定义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、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。图8-1热泵原理二、热泵机组与热泵系统图8-2热泵系统框图浅层低能采集系统水源热泵机组建筑物采暖空调系统图8-3典型地下水源热泵系统图1-制冷压缩机；2-冷凝器；3-节流机构；4-蒸发器；5-循环水泵；6-深井泵；7-板式换热器；8-热用户；9-抽水井；10-回灌井；11-电动机；V1～V8-阀门三、热泵空调系统图8-4热泵空调系统四、热泵的评价（1）热泵的设计工况（或额定工况）制热性能系数对于蒸气压缩式热泵，其设计工况制热性能系数定义为（8-1）（2）季节制热性能系数（8-2）（8-3）第二节热泵系统的分类1．根据热泵在建筑物中的用途分类（1）仅用作供热的热泵。这种热泵只为建筑物采暖、热水供应服务；（2）全年空调的热泵。冬季供热，夏季供冷；（3）同时供冷与供热的热泵；（4）热回收热泵空调。它可以用来回收建筑物的余热（内区的热负荷，南朝向房间的多余太阳辐射热等）。2．按低位热源的种类分类空气源热泵系统、水源热泵系统、土壤源热泵系统、太阳能热源热泵系统、废热源的热泵系统、多热源的热泵系统。3．按驱动能源的种类分类电动热泵系统，其驱动能源为电能，驱动装置为电动机；燃气热泵系统，其驱动装置是燃气发动机。4．在热泵空调系统中常按低温端与高温端所使用的载热介质分类空气/空气热泵系统、空气/水热泵系统、水/水热泵系统、水/空气热泵系统、土壤/水热泵系统、土壤/空气热泵系统。这几种热泵所采用的载热介质、低位热源和简图列入表17-1。第三节热泵的节能效益和环保效益一、热泵的节能效益热泵空调系统及典型图示表17-1热泵系统名称低温端载热介质高温端载热介质主要热源的种类典型图示国内代表性产品空气/空气热泵空气空气空气排风太阳能分体式热泵空调器；VRV热泵系统空气/水热泵空气水空气排风太阳能空气源热泵冷热水机组水/水热泵水、盐水乙二醇水溶液水水太阳能土壤井水源热泵冷热水机组；污水源热泵；大地耦合热泵水/空气热泵水、乙二醇水溶液空气水太阳能土壤水环热泵空调系统中的小型室内热泵机组（常称小型水/空气热泵或室内水源热泵机组）土壤/水热泵土壤水土壤土壤/空气热泵土壤空气土壤二、热泵的环保效益第四节空气源热泵系统一、空气源热泵及其特点Qh.fQh.eDCBtatO室外温度℃热泵的特性曲线建筑物热损失O供热量Qh.fQh.eDCBtatO室外温度℃热泵的特性曲线建筑物热损失O供热量图8-5空气源热泵供热系统的特性二、空气源热泵在我国应用的适应性三、空气源热泵热水器冷水入冷水入图8-6空气源热泵热水器的工作原理四、空气源热泵在寒冷地区应用与发展中的关键技术10～20oC水热量环境（大气）室温20oC10～20oC水热量环境（大气）室温20oC(水／空气热泵)电水源热泵热量热量建筑物空气源热泵（空气／水热泵）电电图8-7双级耦合热泵供暖系统示意图第五节地源热泵空调系统一、地源热泵空调系统的分类地源热泵空调系统的分类如图8-8所示，系统型式见表17-4。图8-8地源热泵的分类地源热泵系统型式表17-4热泵形式系统名称图式说明地表水源热泵闭式环路系统将盘管直接至于水中，通常盘管有二种形式，一是松散捆卷盘管，即从紧密运输捆卷拆散盘管，重新卸成松散捆卷，并加重物；二是伸展开盘管或“Slinky”盘管。开式环路系统通过取水装置直接将湖水或河水送至换热器与热泵低温水进行热交换，释热后的湖水或河水直接返回湖或河内，但注意不要与取水短路。地下水源热泵同井回灌同井回灌热泵技术是我国发明的新技术。取水和回灌水在同一口井内进行，通过隔板把井分成二部分，一部分是低压（吸水）区，另一部分是高压（回水）区。当潜水泵运行时，地下水被抽至井口换热器中，与热泵低温水换热，地下水释放热量后，再由同井返回到回水区。异井回灌异井回灌热泵技术是地下水源热泵最早的应用形式。取水和回水在不同的井内进行，从一口抽取地下水，送至井口换热器中，与热泵低温水换热，地下水释放热量后，再从其它的回灌井内回到同一地下含水层中。若地下水水质好，地下水可直接进入热泵，然后再由另一口回灌井回灌回去。大地耦合热泵水平式埋管换热器水平式埋管换热器在水平沟内敷设，埋深1.2～3.0m。每沟埋1～垂直式埋管换热器单竖井、单U型管垂直式埋管换热器的埋管形式有U形管、套管和螺旋管等。垂直埋深分浅埋和深埋两种，浅埋埋深为8～10m，深埋埋深为33～180m，一般埋深为为23～92m。它与水平式埋管换热器相比，所需的管材较少，流动阻力损失小，土壤温度不易受季节变化的影响，所需的地表面积小，因此，一般用于地表面积受限制的场合。图（a）是较为普遍的一种形式，每个竖井布置一根U形管，各U形管并联在环路集管上，环路采用同程系统。图（b）环路采用异程系统。双竖井、单U形管每个竖井内布置一根U形管，由两个竖井U形管串联组成一个小环路，各个小环路并联在环路集管上。单井循环系统单井循环系统是土壤源热泵同轴套管换热器的一种变形。相对于土壤源热泵套管换热器而言，取消了套管的外管，水直接在井孔内循环，与井壁岩土进行热交换。井孔直径为150mm，井深152.5～457.5m，井与井之间理想的间距15～23m二、地表水源热泵的特点三、地下水源热泵系统的特点四、大地耦合热泵系统的特点第六节污水源热泵系统一、污水源热泵的型式污水源热泵型式繁多，根据热泵是否直接从污水中取热量，可分为直接式和间接式两种。所谓的间接式污水源热泵是指热泵低位热源环路与污水热量抽取环路之间设有中间换热器或热泵低位热源环路通过水/污水浸没式换热器在污水池中直接吸取污水中的热量。而直接式污水源是城市污水可以直接通过热泵或热泵的蒸发器直接设置在污水池中，通过制冷剂气化吸取污水中的热量。二、污水的特殊性及对污水源热泵的影响（1）污水流经管道和设备（换热设备、水泵等）时，在换热表面上易发生积垢、微生物贴附生长形成生物膜、污水中油贴附在换热面上形成油膜、漂浮物和悬浮固形物等堵塞管道和设备的入口。其最终的结果是出现污水的流动阻塞和由于热阻的增加恶化传热过程。（2）污水引起管道和设备的腐蚀问题，尤其是污水中的硫化氢使管道和设备腐蚀生锈。（3）由于污水流动阻塞使换热设备流动阻力不断增大，引起污水量的不断减少，同时传热热阻的不断增大又引起传热系数的不断减小。基于此，污水源热泵运行稳定性差，其供热量随运行时间延长而衰减。图8-9污水源热泵型式框图（4）由于污水的流动阻塞和换热量的衰减，使污水源热泵的运行管理和维修工作量大，例如，为了改善污水源热泵运行特性，换热面需要每日3～6次水力冲洗。文献[30]指出污水流动过程中，流量呈周期性变化，周期为一个月，周期末对污水换热器进行高压反冲洗。也就是说每月需对换热器进行一次高压反冲洗。三、污水源热泵站四、原生污水水源热泵设计中应注意的问题图8-10污水干渠取水设施1-污水干渠；2-过滤网；3-蓄水池；4-污水泵；5-旋转式筛分器；6-已过滤污水水泵；7-污水/制冷剂换热器；8-回水和排水管五、防堵塞与防腐蚀的技术措施第七节水环热泵空调系统一、水环热泵空调系统的组成图8-11水环热泵空调系统原理图1-水/空气热泵机组；2-闭式冷却塔；3-加热设备（如燃油、气、电锅炉）；4-蓄热容器；5-水环路的循环水泵；6-水处理装置；7-补给水水箱；8-补给水泵；9-定压装置；10-新风机组；11-排风机组；12-热回收装置二、水环热泵空调系统的运行特点图8-12运行工况（a）冷却塔全部运行；（b）冷却塔部分运行；（c）热收支平衡；（d）辅助热源部分运行；（e）辅助热源全部运行1-水/空气热泵机组；2-冷却塔；3-辅助热源；4-循环泵机组供暖；机组供冷三、水环热泵空调系统的特点（1）水环热泵空调系统具有回收建筑内余热的特有功能（2）水环热泵空调系统具有灵活性（3）水环热泵空调系统虽然水环路是双管系统，但与四管制风机盘管系统一样，可达到同时供冷供热的效果。（4）设计简单、安装方便。（5）小型的水/空气热泵机组的性能系数不如大型的冷水机组，一般来说，小型的水/空气热泵机组制冷能效比EE