专题热泵课件

利用中低品位能源的热泵技术2003.9.19内容提要

热泵的研究和应用现状

我们已经和将要进行的工作

尚待解决的问题制冷与热泵q2q2q1q1wwT2T0T0T1

两者的目的和着眼点不同制冷热泵高温高温低温低温

两者的工作温度范围不同工作原理相同主要供暖方式热用户燃煤、燃气锅炉集中供热直接电采暖（蓄热锅炉、地板辐射、电热膜）热泵（空气源、水源）热泵的能量利用系数高直接电100%电厂发电33%损失67%房间33%锅炉100%锅炉效率70%房间70%损失30%热泵热泵100%电厂发电33%损失67%99%房间130%COP=4热泵与能源燃烧供热供冷热水热泵化石燃料热能电能原子能，自然能（水、风、太阳）城市排热自然热源下水、地下铁道、工厂、大楼、变电所、垃圾焚烧空气、地下水、海水、河川水、土壤、生物质气热泵种类循环方式电驱动吸收式热力驱动低端来源空气源水源高端温度常温中高温土壤源地源燃气引擎驱动空气－空气热泵(a)夏季制冷循环(b)冬季热泵循环

制冷与热泵两用装置示意图A四通换向阀，B毛细节流装置，C压缩机制冷制热土壤源热泵地下井水热泵系统热泵地表水热泵系统热泵地热水和余热水热泵系统水环热泵系统示意图大功率水源热泵GWHP-400型R134a,72oC热泵的发展历史

1852年汤姆逊（Thompson）提出设想，1930年，美国爱迪生公司，将制冷设备用于供热，供热量达1050kW

1912年，瑞士Zoelly首次提出水源热泵概念，并申请专利，1938年，欧洲第一台较大的热泵175kW，利用苏黎世河水

1974年，能源危机，出现应用实例

近十几年，特别是近5年，节能与环保压力，得到迅猛发展。

美国单元热泵国外水源热泵装机现状

中、欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国、丹麦等，1999年统计，在家用供暖装置，水源热泵所占比例，瑞士96％，奥地利38％，丹麦27％。

1985年，美国有1.4万台，1997年4.5万台，2001年40万台，每年10％的速度增长，1998年占商用建筑19％，其中新建筑30％国外土壤源热泵的实例

美国较大的土壤源热泵系统，加州斯托克顿州立大学

390多个深度120m孔，地下总长93600m

高强度聚氯乙烯管，冬夏两季

地面上为停车场、花园、建筑、道路

为32000m2多功能建筑群服务

年节约费用45.5万美元，节电25％，节约燃料70％土壤源热泵实例

IEA/HeatPumpCenter,2001全球热泵的使用量

家用热泵：110106台商业和公用热泵:

15106台

工业热泵:30000台全球热泵的年产量

家用热泵：12.3106台商业和公用热泵:

1.5106台

工业热泵:4000台全球热泵每年产热800TWh，减排CO2130Mt

日本的超级热泵计划

1984开始，预算经费100亿日元供热专用出水85°CCOP=8冷热兼用出水45°CCOP=6出水7°CCOP=7高温型出水150°CCOP＝3以上出水300°CCOP＝3以上

日本的超级热泵计划

国内的供暖热泵情况1965年，第1台风冷热泵(3720W)1980年，空气-水热泵(55kW+48kW辅助电加热)国家用电政策限制1996年开始大量空气源90年代后期，50余个水环热泵1996－2000年，130多个地源热泵工程中国空气源热泵产量中国水源热泵应用北京友谊医院共7.6万m2冬天供暖夏天供冷国内土壤源热泵系统中国水源热泵应用北京市海淀区区政府共5.8万m2供暖功率6503kW供冷功率4845kW中国水源热泵应用北京华清地热中心共6千m21台QYHP300H空气源热泵现状和存在的问题

1、技术较简单和成熟2、性能系数比水源热泵低3、-10C以下运行困难4、结霜问题水源热泵的特点1、清洁的可再生能源利用技术2、高效节能3、运行稳定可靠4、环保效益显著5、一机多用，应用范围广6、维护费用低，自动化程度高7、缺点:水源国内目前水源热泵现状

简单采用空调用冷水机组的翻版

缺乏水源热泵的系列技术

缺乏水源热泵的相关数据库和计算方法内容提要

热泵的研究和应用现状

我们已经和将要进行的工作

尚待解决的问题国内现水源热泵技术北京恒有源“中央液态冷热源”：R22清华同方：R22北京金万众：R22东宇制冷：R22济南英特制冷：R407C秦皇岛松普空调：R22(57oC)山东海阳富尔达：R22中科能：R134a（60-65℃）当温度高，压力太高常温与中、高温水源热泵常温：利用10-25度的低温热水产生45-55度的高温热水中、高温：利用30-60度的低温热水产生60-90度的高温热水北京市科委项目技术目标

合同要求：制热量：200kW能效比：3.0外供热水温度：85℃低品位来水温度：55℃实际达到：制热量：300kW左右能效比：3.6左右外供热水温度：60

90℃低品位来水温度：30

60℃研究的指导思想

符合出水温度85℃的要求

高温工质兼顾环保和安全性能

尽量使用技术成熟的R22压缩机

尽量使用矿物冷冻油

尽量低的成本

机组能达到商业化生产要求THR01(发明专利)的压焓图

HTR01材料相容性实验综合ASHRAE标准的密封玻璃管法和美国保险商实验室(UL)标准的高压釜法搭建实验台

材料相容性试验台示意图1．不锈钢高压釜2．热敏电阻测温探头3．温度控制器4．压力表5．阀门 6．恒温器金属材料相容性实验材料：曲轴、铜、阀片、漆包线、硅钢片

试验工况：参照美国MCLR计划的规定，金属材料试验温度为150℃，试验压力为1.03～2.42MPa，试验时间为14天。

金属材料相容性实验结果R22与硅钢片

HTR01与硅钢片

实验前

实验前

实验后

实验后

塑胶材料相容性实验结果材料：聚四氟乙烯、硬聚酯薄膜、软聚酯薄膜、硬套管、软套管、引出线、线圈绑线

试验工况：参照美国MCLR计划的规定，塑胶材料试验温度为70℃，试验压力为1.03～2.42MPa，试验时间为14天。

实验前

实验后

HTR01与软套管

制冷剂和矿物油的比例约为1：5HTR01油溶性实验0℃不溶5℃微溶10℃相溶20℃相溶HTR01与矿物油≥10℃时完全相溶，满足需要

HTR01可燃性实验在按照美国试验与材料协会标准ASTM681搭建的一套制冷剂的可燃性试验装置上进行实验。

小型实验系统图高温水源热泵小型实验装置小型实验机组循环水系统小型实验机组自动控制系统

压缩机：德国比泽尔半封闭式双螺杆CSH8561-125Y，额定电功率92kW

蒸发器和冷凝器：采用卧式壳管换热器内螺纹铜管高效强化换热技术水侧设计压力为1.6MPa

双膨胀阀。便于能量调节

机组采用星角启动。便于根据负荷变化自动调节运转负荷样机特点和功能

全自动控制功能。西门子6ES7-214可编程控制器；TD200操作显示器；6ES7-235输入输出模块显示运行参数、参数设定、故障自诊断、报警等

完善的安全保护系统。

压缩机排气压力过高保护、压缩机吸气压力过低保护、电机保护、断水保护、冷水温度过低（防冻）保护、热水温度过高保护等

自动控制的油加热回路和油冷却回路。

能量调节功能。可根据回水温度自动加卸和卸载样机特点和功能（续）样机实体样机实体用户现场试验系统

用户现场试验系统

用户现场试验系统用户现场部分试验结果

冷凝器进水温度℃冷凝器出水温度℃蒸发器进水温度℃蒸发器出水温度℃耗功W（kJ）制热量Qh（kJ）COPh63.770.850.645.366.29297.264.4874.180.950.846.377.90284.703.6578.485.855.750.987.07296.193.4256.965.257.851.960.66337.875.5761.169.357.652.164.82334.445.1661.069.757.652.265.85353.885.3766.374.757.752.467.45342.855.0873.781.257.853.277.48313.834.0572.779.758.453.874.66293.733.9377.584.759.454.781.09302.523.7381.288.359.655.489.27295.243.3172.380.555.250.884.7341.504.03将要进行的工作

性能的进一步优化匹配

出水70C左右的机组

10－75C的复叠式机组

大功率（2000kW)冷、热、生活热水联供

用于木材干燥的热泵

中央空调冷凝热回收热泵

热泵与太阳能、生物质能的优化组合

油田污水热泵替代燃油锅炉复叠式双效水源热泵2、高温级冷凝器6、冷凝蒸发器4、高温级膨胀阀5高温级压缩机9、低温级蒸发器7、低温级膨胀阀8、低温级压缩机主机部分12、抽水井13、回灌井11、空调用户1、供热用户3、供热循环泵10、空调循环泵14、单独制冷冷却水供水阀15、单独制冷冷却水回水阀16、深井水回水阀17、深井水供水阀18、冷冻水供水阀19、冷冻水回水阀20、深井泵图1、高温双效复叠式热泵系统图三用热泵电磁阀组2电磁阀组1电磁阀组3电磁阀组4自来水生活热水蒸发器主冷凝器副冷凝器过冷器膨胀阀压缩机冷、热循环水冷却、低温热源水冷凝热回收热泵系统图内容提要

热泵的研究和应用现状

我们已经和将要进行的工作

尚待解决的问题待解决的技术问题

不同用途需要的优化匹配：单热、冷热、冷热生活用水三用

不同热源的特殊性：地表水、地热水、余热水、土壤热

不同温度范围要求：高温、中温、低温

与建筑物的协调，与工业过程的协调

与其他低品位能量的结合：太阳能、生物质能等例：土壤源热泵地下盘管的串联和并联并联串联地下盘管的水平布置管径20~40mm，管埋深0.5~2.5m单层双层四层地下盘管的垂直布置单孔单管单孔双管浅埋8~10m，深埋33~180m土壤热特性土壤由固体颗粒、水、空气组成。热特性主要与组成土壤地固体颗粒成分、导热性能、土壤地含水量、密度有关。常见土壤的热阻：

疏松干砂：1.75oC.m/W

潮湿粘土：0.8~0.9oC.m/W

含砂潮湿粘土：0.8~0.9oC.m/W

结实的砂：0.9oC.m/W