华中科技大学热泵课件

水源、地源热泵热泵简介热泵式一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的装置历史热泵这个名词最早在欧洲使用约在本世纪初。但就压缩式热泵的理论来说，可追溯到1824年法国物理学家卡诺发表的著名论文。卡诺SadiCarnot历史“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

历史1854年，发表论文，提出了热量倍增器（HeatMultiplier）的概念，首次描述了热泵的设想。开尔文LordKelvin历史汤姆森的热量倍增器汤姆森的热量倍增器是一种开式装置，也可以向建筑物供冷。汤姆森教授预见到了闭式循环的可能性，但当时的技术基础使他没有可能设计出象现代这样的热泵装置。历史与制冷机的发展相比，由于取暖的方式多样化，简单而价廉，因此当时在技术上对热泵的迫需性就不大。这就是热泵的发展明显地滞后于制冷机的原因。历史直至20世纪20~30年代，热泵有了较快的发展。原因：一方面，在这之前工业技术特别是制冷机的发展为热泵的制造奠定了良好的基础。另一方面社会上出现了对热泵的需要。历史——最早的大容量热泵应用美国南加利福尼亚爱迪生公司的洛杉矶办事处（LosAngeles）。在1930~1931年间，它利用制冷设备供热。供热量达1050kw，制热系数达2.5。历史——欧洲第一台较大热泵1938~1939年间，安装于瑞士苏黎世。以河水作低温热源，采用离心式压缩机，R12作工质。向市政厅供热175kw，制热系数为2，输出水温60℃。有蓄热系统，高峰负荷时采用电加热作为辅助加热。历史——日本的热泵试验及应用1930年第一次报导热泵试验1937年在大型建筑物内装备热泵空调系统，采用透平式压缩机，以泉水为低温热源。历史瑞士、英国早期的热泵装置历史1948年小型热泵有了很大的进展，家用热泵和工业建筑用的热泵大批投放市场。在英国50年代也产生了许多小型民用热泵。热泵工业在20世纪50年代到60年代初得到了迅速的成长，而60年代和70初期的美国热泵工业又因可靠性低及设备费用高的问题一度受到抑制。60年代因电价的持续下降，人们更青睐使用电加热器。历史1954~1978年间美国单元式热泵制造台数原理热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象。与制冷机相比相同点：都是按热机逆循环工作不同点：工作温度范围不同原理TA为环境温度，T0为低温物体温度，Th为高温物体温度。原理根据热力学第二定律，当以高位能作补偿条件时，热量是可以从低温物体转移到高温物体的。因而热泵循环中，为了向被加热的对象供热，就必须消耗功。蒸汽压缩蒸汽压缩式热泵的理论循环是在具有温差传热的两相区的逆卡诺循环基础上改造而成。布雷顿（Bragton）热泵循环1844年美国高里（J.Gorrie）制造了利用空气作工质的气体压缩式制冷机。最早的空气制冷机时封闭的布雷顿循环。斯特林（Stirling）循环斯特林1816年提出“外燃机”的专利，最初用于热机。外燃机，又称斯特林发动机

1861年柯克（A.Kirk）提出斯特林制冷循环。斯特林（Stirling）循环斯特林循环由两个等温和两个等容过程组成。斯特林（Stirling）循环斯特林循环是很有意义的一种循环。理想的斯特林能够与同温范围内的逆卡诺循环具有同样的制热性能系数。实际上实现理论斯特林循环有一定困难，主要表现在：活塞的运动应是间歇的，这是难以实现的；回热器应是无阻力的，其换热效率应是100%;与外部热源的热交换认为是无温差的理想过程。吸收式热泵理论循环与蒸汽压缩式热泵不同的是，压缩式热泵靠消耗机械功，而吸收式以消耗热能来完成。吸收式热泵理论循环吸收式热泵理论循环压缩式和吸收式制冷热泵性能系数比较吸收式热泵理论循环有溶液热交换器的吸收式热泵图示吸收式热泵理论循环有无溶液热交换器的吸收式热泵工作热力性能的比较蒸汽喷射式热泵理论循环蒸气喷射式热泵同吸收式热泵一样，是靠消耗热能来提取低位热源中的热量进行供热的设备。它具有结构简单，几乎没有机械运动部件，价格低廉，操作方便，经久耐用等优点，因此，尽管喷射式热泵热效率低，仍引起了人们的兴趣。蒸汽喷射式热泵理论循环蒸汽喷射式热泵系统蒸汽喷射式热泵理论循环喷射式热泵理论循环压焓图温差电热泵温差电热泵（又称热电热泵、珀尔帖热泵）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）和一块型导体（空穴型）联结成电偶，在这个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。这种现象叫做珀尔帖效应。温差电热泵热电式热泵示意图化学热泵化学热泵是一种新型热泵。所谓化学热泵，广义来说是指利用化学现象的热泵。狭义来说则是指利用热化学反应的热泵。实际的化学热泵一般有三种型式。蓄热型增热型升温型化学热泵蓄热型热泵的工作状态图（a）吸热过程；（b）放热过程化学热泵增热型化学热泵（a）吸热循环；（b）供热循环化学热泵升温型化学热泵工作原理图分类按工作原理分蒸汽压缩式通常在由压缩机、冷凝器、节流装置及蒸发器等部件组成的系统中进行循环，并通过工质的状态变化及相变实现低品位热能“泵”送至高品位的温度区。气体压缩式与蒸汽压缩式热泵的区别在于这类热泵中工质始终以气态进行循环而不发生相变。分类蒸汽喷射式以蒸汽喷射泵代替机械压缩机，其余工作原理同蒸汽压缩式。吸收式消耗较高品位的热能来实现将低品位的热能向高品位传送的目的。第一类（增热型）：供热的温度低于驱动热源，以增大制热量为目的。第二类（升温型）：供热的温度高于驱动热源，以升高温度为目的。分类热电式利用破尔帖（Peltier）效应，即当直流电通过由两种不同导体组成的回路时，会在回路的两个连结端产生温差的现象。优点：无运动件、工作可靠、寿命长、控制调节方便、振动小、噪声低、无环境污染。缺点：热电堆元件成本高、效率较低分类化学热泵利用化学反应吸收、吸附、浓度差等现象或化学反应等原理制成的热泵。目前尚处研究阶段。按热源分热泵的热源（HeatSource）往往是低品位的，可分为空气地表水、地下水、城市自来水土壤太阳能废热（水、气）按用途分住宅用，制热量为1~70kw商业及农业用，制热量为2~120kw工业用，制热量为0.1~10MW（工业用还可以进一步划分为干燥用，工艺过程浓缩，蒸馏等用）按供热温度分低温热泵，供热温度<100℃高温热泵，供热温度>100℃按驱动方式分电动机驱动热驱动如吸收式、蒸汽喷射式热泵发动机驱动如内燃机、汽轮机驱动按热源与供热介质的组合方式分空气—空气热泵空气—水热泵水—水热泵水—空气热泵土壤—空气热泵土壤—水热泵按热泵的功能分单纯制热交替制冷与制热同时制冷与制热按压缩机类型分往复活塞式涡旋式滚动转子式螺杆式离心式按热泵机组的安装形式分单元式热泵机组分体式热泵机组现场安装式热泵机组按热量的提升分初级热泵（Primaryheatpump）利用天然能源和室外空气、地表水、地下水或土壤等为热源次级热泵（Secondaryheatpump）以排出的废水、废气、废热等为热源第三级热泵（Tertiaryheatpump）与初级或次级热泵联合使用，将前一级热泵制取的热量再升温。系统基本图式热泵基本循环闭式蒸汽压缩循环带有换热器的机械蒸汽再压缩循环开式蒸汽再压缩循环热驱动郎肯循环闭式蒸汽压缩循环在暖通及工业过程中最普遍，使用一种常规的独立制冷循环。带有换热器的机械蒸汽再压缩循环工艺蒸气被压缩至温度与压力达到足以在工艺过程中直接使用。该循环的典型应用如蒸发器（浓缩器）和蒸馏塔。该循环的典型应用是在工业装置中将一些多余的较低压力的蒸气泵送至所需较高的压力值。开式蒸汽再压缩循环热驱动郎肯循环适用于大量废热而能量较昂贵的场合。通常是闭式的。热泵的几种型式空气—空气热泵空气—空气热泵最普通的热泵型式，特别适用于由工厂制造的单元式热泵。也被极广泛地用于住宅和商业中。在该类热泵中，热源（制冷运行时为冷却介质）和用作供热（冷）的介质均为空气。可通过电机驱动和手动操作的换向阀来进行内部切换，以使被调空间获得热量或冷量。在该系统中，一个换热盘管作为蒸发器而另一个作为冷凝器。在制热循环时，被调的空气流过冷凝器而室外空气流过蒸发器。工质换向后则成了制冷循环，被调空气流过蒸发器而室外空气流过冷凝器。空气—水热泵热泵型冷水机组的常见型式。制热与制冷循环的切换通过换向阀改变热泵工质的流向来实现。水—空气热泵热源为水（制冷运行时为冷源），用作供热（冷）的介质为空气。水—水热泵利用切换工质回路来实现制热或制冷运行。为了避免污染封闭冷水系统，需要间接地通过一个换热器来供水，或利用封闭回路的冷凝器水系统。大地耦合式利用土壤作为热源和冷却物。热泵工质—水换热器大地耦合式热泵工质在埋于地下的盘管中直接膨胀的形式大地耦合式大地耦合式热泵供热介质为空气，热交换效果与砂土类型、含湿量、成分、密度和是否均匀地紧贴换热面有关。管子材料和当地砂土及地下水的腐蚀作用会影响传热和使用寿命。水源热泵的工作原理制冷工况时，利用制冷剂蒸发将空调空间中的热量取出，放热给封闭环流中的水。制热工况时利用制冷剂蒸发吸收封闭环流中水的热量，而在冷凝器中放热给空调空间。水源热泵的工作原理1-制冷剂-水换热器2-换向阀制热模式3-毛细管4-制冷剂-空气换热器5-过滤器6-风机制冷工况制热工况水源热泵运行原理闭式水源热泵系统闭式系统—地表水作冷热源开式系统地下水热泵系统，也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。单井换热热井，也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为“热井”。水源热泵空调系统优缺点优点节约能源水源热泵机组具有比空气—空气热泵机组更高的效率，可降低电耗。对同时供冷和供热时可实现系统的内部能量平衡，减少了冷却塔和加热设备的运行时间。投资成本低水源热泵系统较传统的中央空调系统经济，且节约空间与材料。水源热泵空调系统优缺点优点应用上的灵活性水源热泵系统适用于各种新建成改建的大楼空调。可满足用户的各种需要水系统不会受室外温度的变化而影响其热效率。不受大楼中央空调系统关闭的限制，允许各个用户随意地进行调节。维修成本低水源热泵空调系统优缺点缺点制冷量较大（10kw以上）的水源热泵空调机组噪声较大。利用新风比较麻烦，对于要求较高的房间，附加措施复杂。热泵空调多数属安装，维护较麻烦。由于机组分散，每一空调区内的热泵空调机均要有稍许余量，当空调数较多时总用电量可能偏高。水源热泵空调系统的应用水源热泵空调系统是以节能和经济性为目的来考虑的。水源热泵空调系统最适用于适中气温下的空调，冬季不太冷又需供暖的地区，在温暖的冬季白天，往往向阳房间需供冷，而背阳房间需供热的地方。水源热泵空调系统的应用从建筑规模来看，建筑规模要大，核心区空调面积要大于周边区或相当。这样核心区的冷负荷大体与周边区的总热负荷相等，无需由加热装置加热，以达到最大限度的节能。最适用于冬季核心区内热负荷较大的商场与办公楼，可利用内部发热来抵消周边区的热损失。水源热泵空调系统的应用从业主经济角度来考虑，适用于用户单位需要分别计费的大楼。尤其对于旧建筑改造工程，采用水源热泵空调系统影响较小，而且周期短、速度快。水源热泵空调系统的应用从建筑物功能上来看，功能分区较多，隶属于不同业主的综合楼，适合采用水源热泵空调系统。水源热泵空调系统的应用对于资金一时不到位的业主来说采用投资周期短，回报率高的水源热泵空调系统比较适合。地源热泵应用地源热泵大致分为三类，即土壤热泵、地下水源热泵和地表水源热泵。地源热泵工作原理盘管埋设地源热泵应用高效节能，实现能源再生利用夏季高温差的散热和冬季低温差的取热，使得地源热泵系统换热效率很高。只需小功率的压缩机就可实现，从而达到节能的目的，其耗电量仅为普通中央空调与锅炉系统的40%~60%。地源热泵应用绿色、环保无污染地源热泵的污染物排放，与空气源泉热泵相比，减少40%以上，与电供暖相比，减少70%以上，如果结合其他节能措施节能减排量会更明显。地源热泵系统在冬季供暖时，不需要锅炉，无燃烧产物排放，可大幅度降低颗粒物等污染物的排放量，保护了环境。地源热泵应用初投资增加，但运行维护费用低廉地源热泵系统初投资费用，比目前常规燃煤锅炉供暖系统要高出1~3倍。但其可用于供暖和制冷，并提供新风、热风、热水等带来了成本上的节约。地源热泵应用地源热泵系统对土壤换热器的材质的要求较高，埋设换热器需要较大的场所，系统投资也较其它方式要高，这种系统一般应用于面积比较小的居住类单体建筑，在大型工程中应用相对困难。地源热泵应用地源热泵系统要有丰富和稳定的地下水资源。采用地下水热泵系统之前，应进行详细的水文地质调查，并先打勘测井，以获取地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据。地源热泵应用地表水源热泵系统受丰水、枯水等自然条件的影响较大。由于地表水温度受气候的影响较大。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。热泵技术发展目前我国热泵发展有三种趋势：风冷热泵型热水机组发展迅速，1996年比1995年增长近二倍。直燃式溴化锂冷热水机组发展较快，占全部溴化锂吸收式热水机组的56%。房间空调器比重最大。热泵型窗式、分体式和10kW冷量以下的单元空调机占总冷量的45%。热泵技术发展但技术上存在以下几方面的问题：风冷热泵型机组存在体型较大，噪声较高，除霜技术尚不完善等问题。主要应用风冷热泵的地区是长江流域，该地区夏季闷热,冬季湿冷,1月份平均气温0℃~10℃，相对湿度大于75%。因此，要求热泵必须适应0℃以下低温高湿气候环境。吸收式溴化锂制冷机组效率偏低。房间空调器存在噪声污染、热污染(大量电机功率转化的热量排入住宅)和制冷剂污染，特别是(分体式空调机安装和使用时的泄漏)。1996年我国大约安装300万台分体机和40万台单元空调机，以每台安装时的排放量为50g计算，则泄漏总量达170t/年。热泵技术发展技术发展总趋势是发展高效率的供热、供冷热泵和超级热泵系统。机械压缩式热泵的发展：制冷剂侧的热泵控制。压缩机能量控制。压缩机设计新工质技术。吸收式热泵和吸收式热变换器、压缩-吸收式热泵、高温热泵等空调热泵的新技术日本开发超级热泵日本在通产省工业技术院的主持下于1984~1992年期间进行了超级热泵的研究开发工作。所谓超级热泵是超性能压缩式热泵的简称。日本超级热泵超性能压缩式热泵研制目标如下表所示日本超级热泵由荏原制作所开发的高效升温专用热泵制冷、采暖、供应热水组合空调日本开发的“三用”组合热泵，可以高效地利用电能，又可免除排烟对空气的污染。且其经济性极佳，可以夜间蓄热，白天供热水。制冷、采暖、供应热水组合空调蓄热变频热泵式空调器蓄热变频热泵式空调器减小除霜过程中室内空气的温降，除霜过程中室内温度波动小。由于起动时可利用压缩机所积蓄的热量，其送风温度的升高速度显著高于普通空调器。噪声低，能量高，效率高。内燃机驱动型热泵由燃气发动机驱动，且轴的转速变化的热泵在欧美和日本得到广泛应用，但迄今为止还没有关于其性能的标准测试方法。所编制的临时建议可用于确定热泵的试验工况、热泵特性、季空气型、节特性偏差、能耗和运转费用的计算式。内燃机驱动型热泵在ASHRAE的加拿大渥太华会议上讨论了对内燃机热泵的要求，论证了工业生产准备及市场销售问题。据推测，热泵运转寿命为10年，资金回收期不超过3年。其他热泵研究SunpowerInc公司正在研究涉及同磁元件和压缩机配合的斯特林循环热泵。国外空调用热泵应用实例法国的排风余热回收热泵简单且廉价，可以在外界温度达8℃的情况下，完全满足所需要的热量。国外空调用热泵应用实例汉堡波佩比特尔地区集中供给地下水的分散式热泵该热泵采暖装置原理图卡尔斯鲁厄“森林之湖”体育宫热泵空调系统苏黎世室内游泳池热泵