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随着工业革命的发展，19世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。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室外空气吸入气缸中进行膨胀，降温冷却的空气通过室外换热器吸收环境空气中的热，再进入排出气缸被压缩到大气压力，使其温度升到高于环境温度，送往用户，以供采暖之用。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——英国的第一台热泵英国霍尔丹（Haldane）于1930年在他的著作中报导了1927年在苏格兰安装试验的一台家用热泵的安装及试验情况。这台热泵是以空气为热源作热水供应和采暖用的。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热泵工业在20世纪40年代到50年代早期获得迅速发展。40年代后期出现许多更加具有代表性的热泵装置。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历史尽管在这10年左右的时间里，热泵的发展受到了限制，但是在全世界范围内，其应用却在扩大。1973年“能源危机”的出现，热泵又以其回收低温废热，节约能源的特点，在产品经改进后，重新登上历史舞台。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。蒸汽压缩式热泵的工作原理图蒸汽压缩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。布雷顿循环封闭的布雷顿热泵循环流程图布雷顿热泵理论循环的P-V图与T-S图布雷顿热泵循环布雷顿热泵理论循环应具有如下条件：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；气体与被冷却物和加热物体之间必须在无温差情况下相互传热；不计气体在高压热交换器与抵押热交换器中流动阻力损失。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。