第5讲-热泵技术及其在建筑中的应用

第5讲热泵技术及其在建筑中的应用第5讲热泵技术及其在建筑中的应用第一节热泵的基础知识第二节热泵系统的分类第三节热泵的节能效益和环保效益第四节空气源热泵系统第五节地源热泵空调系统第六节污水源热泵系统第七节水环热泵空调系统第八节热泵在建筑中的应用第一节热泵的基础知识第5讲热泵技术及其在建筑中的应用第一节热泵的基本知识1.1热泵的定义1.2热泵机组与热泵系统1.3热泵空调系统1.4热泵的评价第5讲热泵技术及其在建筑中的应用1.1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1热泵原理第一节热泵的基本知识1.2热泵机组与热泵系统图2热泵系统框图第一节热泵的基本知识1.2热泵机组与热泵系统图3典型地下水源热泵系统图118512673452314571096～低压电网配电变电站高压电网8浅层低能采集系统水源热泵机组建筑物采暖空调系统第一节热泵的基本知识1.3热泵空调系统图4热泵空调系统第一节热泵的基本知识热泵的评价（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（2）季节制热性能系数sh.第一节热泵的基本知识第二节热泵系统的分类第5讲热泵技术及其在建筑中的应用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）。第二节热泵系统的分类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。第二节热泵系统的分类第二节热泵系统的分类热泵空调系统及典型图示热泵空调系统及典型图示热泵空调系统及典型图示第二节热泵系统的分类热泵空调系统及典型图示第三节热泵的节能效益和环保效益第5讲热泵技术及其在建筑中的应用热泵作为高效集热并转移热量的装置，它以消耗少量高质能（机械能、电能等）或高温位热能为代价，通过热力循环，把热能由低温位移至高温位，它最适合用于低位热能的回收和利用。由于热泵运转所需要的能量只是它提供的全部能量的一小部分，因此，它具有显著的节能效果，并对于合理利用能源、减轻环境污染具有重大的意义。3.1热泵的节能效益第三节热泵的节能效益和环保效益热泵作为热源，其用能合理，可以利用一切自然能源和排热能源，提高能源的利用效率，节省矿物燃料等常规能源，减少矿物燃料燃烧过程对生态环境的污染，对改进城市卫生，利于生态平衡有重大意义。热泵作为一种建筑节能新技术，它的广泛应用符合城市发展和环境保护的可持续发展要求。热泵在民用建筑中的应用就是综合利用太阳能、地热能、风能等绿色能源及其复合系统，全面解决建筑物供热、采暖、制冷空调等能耗问题。第5讲热泵技术及其在建筑中的应用3.1热泵的节能效益第三节热泵的节能效益和环保效益3.2热泵的环保效益热泵作为热源，其用能合理，可以利用一切自然能源和排热能源，提高能源的利用效率，节省矿物燃料等常规能源，减少矿物燃料燃烧过程对生态环境的污染，对改进城市卫生，利于生态平衡有重大意义。第四节空气源热泵系统第5讲热泵技术及其在建筑中的应用第四节空气源热泵系统4.1空气源热泵及其特点4.2空气源热泵在我国应用的适应性4.3空气源热泵热水器4.4空气源热泵在寒冷地区应用与发展中的关键技术第5讲热泵技术及其在建筑中的应用4.1空气源热泵及其特点图5空气源热泵供热系统的特性第四节空气源热泵系统4.2空气源热泵在我国应用的适应性要想研究最适合于北方寒冷地区使用的空气源热泵系统，就必须了解北方地区的实际气候特点，黄河流域、华北地区冬季采暖期间的气候特点见下表。第四节空气源热泵系统由表可以看出：这些地区冬季采暖期较长，而且室外气温较低，空气源热泵要想不依靠辅助热源满足这一地区的冬季采暖需要，一般而言必须能够在-15℃左右的大气环境中长期高效、安全运行。但是这一段气温特别低的室外环境温度持续时间又特别短，系统大部分时间还是运行在一个相对较高的室外温度环境下。4.2空气源热泵在我国应用的适应性第四节空气源热泵系统综合考虑空气源热泵的冬、夏季的性能，压缩机的最佳压缩比一般均在3.5～4.0的水平，一般不超过7，这样在进行系统优化设计时，出于热泵系统安全性、经济性的考虑，现行的设计方案均存在一个供暖不保证时间，当外界温度低于一定值时，热泵系统停运，启动备用热源。应该说，相对于目前的热泵技术现状而言，这是一种较为合理的技术方案，问题是由于这一过程持续时间很短，备用热源（辅助电加热或者锅炉房）的存在对于用户而言实在是一块鸡肋，如果能够开发出一种空气源热泵既能保证在其冬季最大运行时段所对应的效率最高，同时当室外温度较低时，仍能安全、经济运行，这样就可以省去后备热源，这样无论从初投资还是实际运行费用来看都是用户最希望看到的。4.2空气源热泵在我国应用的适应性第四节空气源热泵系统近年来，在华北地区出现了一些使用空气源热泵系统的工程实例，这些实例均宣称能够在低温寒冷地区正常运行，但是由于这些地区冬季室外温度变化范围较大，为保证安全，系统设计一般均选用高压缩比（＞10）的压缩机，虽然这种系统在低温工况下制热效果良好，经济性也还不错，但是在室外温度稍高的条件下，或者夏季制冷运行时由于过压缩会导致系统效率下降较多，空调机组全年经济指标（SEER）有很大程度的降低，这种做法并不能使用户真正地实惠，这种舍本逐末的做法对于热泵行业的持久发展是非常有害的。4.2空气源热泵在我国应用的适应性第四节空气源热泵系统4.3空气源热泵热水器图8-6空气源热泵热水器的工作原理第四节空气源热泵系统第五节地源热泵空调系统第5讲热泵技术及其在建筑中的应用第五节地源热泵空调系统5.1地源热泵空调系统的分类5.2地表水源热泵的特点5.3地下水源热泵系统的特点5.4大地耦合热泵系统的特点第5讲热泵技术及其在建筑中的应用5.1地源热泵空调系统的分类图8-8地源热泵的分类地源热泵系统型式表17-45.1地源热泵空调系统的分类5.1地源热泵空调系统的分类5.1地源热泵空调系统的分类5.2地表水源热泵的特点地表水包括江水、河水、湖水、海水、水库水等。热泵与地表水的换热方式有开路循环和闭路循环两种。开路循环是用水泵抽取地表水在换热器中与热泵的循环液进行热交换，然后再排入水体。其优点是系统简单，造价低，缺点是水质较差时在换热器中易产生污垢，影响传热，甚至影响系统的正常运行。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。闭路循环是把多组塑料盘管沉入水体中，热泵的循环液通过盘管与水体进行热交换。这样，可以避免水质不良引起的污垢和腐蚀问题。但这种系统也受到自然条件的限制。此外，由于地表水温度受气候的影响较大，当环境温度越低时，水源热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也越低。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。这种热泵的换热也需要考虑对水体中生态环境的影响。深水湖在夏季会产生温度的分层，湖底保持较低的温度，冬季湖面结冰后会限制湖水温度的下降。与其他型式的地源热泵相比，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是，在公共用的河道中使用时，管道或水中的其他设备容易受到损害。另外，如果湖泊过小或过浅，湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化，这就会产生制冷、供热能力及COP的降低。5.2地表水源热泵的特点第五节地源热泵空调系统5.3地下水源热泵系统的特点1.具有较好的节能性。2.具有显著的环保效益。3.具有良好的经济性。4.能够减少高峰需电量。5.回灌是地下水源热泵的关键技术。5.4大地耦合热泵系统的特点与空气源热泵相比，土壤耦合热泵系统具有很多优点。但从目前国内外对土壤耦合热泵的研究及实际使用情况来看，土壤耦合热泵系统也存在一些缺点。第六节污水源热泵系统第5讲热泵技术及其在建筑中的应用第六节污水源热泵系统6.1污水源热泵的形式6.2污水的特殊性及对污水源热泵的影响6.3污水源热泵站6.4原生污水水源热泵设计中应注意的问题6.5防堵塞与防腐蚀的技术措施第5讲热泵技术及其在建筑中的应用6.1污水源热泵的形式所谓污水源热泵，主要是以城市污水做为提取和储存能量的冷热源，借助热泵机组系统内部制冷剂的物态循环变化，消耗少量的电能，从而达到制冷制暖效果的一种创新技术。与其他热源相比，污水源热泵的技术关键和难点在于防堵塞、防污染、与防腐蚀。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。6.2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。6.2污水的特殊性及对污水源热泵的影响（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。（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。有文献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。图9污水源热泵型式框图6.3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6.4防堵塞与防腐蚀的技术措施由于城市污水源热泵的污水子系统是一个开式系统，而且污水污物浓度很大，高达3‰，这就要求适用于污水源热泵系统的防堵塞技术必须满足下述两点基本要求：（1）过滤面的连续再生：过滤总是容易的，但是针对污水而言，滤面的失效太快，通常不到一分钟。只有滤面的连续再生，才能保证过滤的连续正常运转。滤面的再生方法有很多，主要有水力、重力、机械方法。（2）污杂物的连续还原：过滤下来的污杂物很多，很难处理，搬运会造成运行成本增加，处理不当容易造成二次污染，因此污物应当还原给污水，仍然由污水输运。也就是说污水热能利用之后仅仅造成污水温度改变，而其物理化学成分保持不变。第七节水环热泵空调系统第5讲热泵技术及其在建筑中的应用第七节水环热泵空调系统7.1水环热泵空调系统的组成7.2水环热泵空调系统的运行特点7.3水环热泵空调系统的特点第5讲热泵技术及其在建筑中的应用7.1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