第六章热泵利用技术

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热泵在空调供热系统中的应用
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空气源热泵 • 空气-空气热泵 窗式或分体式冷暖两用型空调机，卧式或 立式风冷型冷热风机组，风冷热泵机组为 自动控制的整体组装式空调机，压缩机、 冷凝器、蒸发器、离心风机、轴流风机、 热力膨胀阀、时间/温度除霜器等均组合在 一个箱体内，只需通过风管将处理好的冷 （暖）风输送到房间内。
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• 水源热泵系统的组成
水源中央空调系统的是由末端（室内空气 处理末端等）系统，水源中央空调主机 （又称为水源热泵）系统和水源水系统三 部分组成。
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• 用户（室内末端等）系统由用户侧水管系 统，循环水泵，水过滤器，静电水处理仪， 各种末端空气处理设备，膨胀定压设备及 相关阀门配件组成。 • 水源中央空调主机系统由压缩机，蒸发器， 冷凝器，膨胀阀，各种制冷管道配件和电 器控制系统等组成。 • 水源水系统由水源取水装置，取水泵，水 处理设备，输水管网和阀门配件等组成。
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水 • 优点 水比热高，热容量大，水温较稳定，传热 性能好，水成为最佳热源 • 缺点 水资源减少，应用较困难，费用昂贵
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• 地下水 温度稳定，可作为恒温热源，但需注意水 质，水资源枯竭和地面下沉问题，目前已 禁用 • 地表水 利用河水或海水为热源，海水水温稳定， 是良好的热源
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优点 • 没有冷冻水系统及相应的保温工程，减少 管道占用空间 • 施工简便，不用集中供热、供热机房 • 分散型系统，便于分户独立计算用电量
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缺点 • 运行噪声大 • 冬季供热时必须要有专门的辅助热源设备 • 只处理回风，无新风补给功能，室内空气 品质难以保障 • 水循环系统水质要求高
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• 变制冷剂流量空调系统（VRV） VRV系统以制冷剂作为输送介质，模块式 结构，形式灵活。 特点： （1）运用自如的高效容量控制 • 节约能源 • 精确的室温控制
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（2）制冷机配管长度延长 • VRV系统制冷剂配管最长为100m，最大高低 落差可达50m • 液体回流会造成液击 • 回油困难 （3）管线、接头均可容易选择 （4）控制方式多种多样 （5）运转成本低
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Solenold Coll
Outslde evaporator 室外机组
Байду номын сангаас
室内机组 Compressor Inside condensor
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四通阀主阀体内部构造
先导阀内部构造
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热泵的低位能源 热泵的热源对热泵的装置、工作特性、经 济性有重要影响，作为热泵的热源应满足 以下要求： • 热源温度尽可能高，使热泵的工作温升尽 可能小，提高制热系数 • 热源尽可能提供必要的热量，最好不需附 加装置 • 热源对换热器设备无腐蚀作用，不产生污 染和结垢
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• 水平埋管换热器的外径一般在20-50mm之 间，埋深为0.5-2.5m • 垂直埋管 管径 埋深 DN20 30-60m DN25 45-90m DN32 70-150m DN40 90-180m
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•
水源热泵工作原理 水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑 物中的热量转移到水源中，由于水源温度 低，所以可以高效地带走热量。而冬季， 则从水源中提取能量，由热泵原理通过空 气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物 中。通常水源热泵消耗1kW的能量，用户 可以得到4kW以上的热量或冷量。
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缺点： • 应用受自然条件限制，需要有充沛的水源 • 对水源水质要求高
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• 水-空气热泵 水源热泵机组在夏季按供冷工况运行时， 房间回风通过直接蒸发式表冷器降温除湿 后送入房间。 冬季，机组按照热泵工况运行，通过换向 阀，改变制冷剂流向，水侧换热器用作蒸 发器，空气侧换热器用作冷凝器，回风通 过冷凝器加热后送入房间，实现室内供热
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土壤 优点 • 全年土壤温度波动小，随深度增加，温度 稳定 • 埋地盘管不需要除霜 • 土壤有较好的蓄能作用 • 不需要风机，减少噪声 • 土壤源热泵运行情况优于空气源热泵
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缺点 • 土壤导热系数小，换热强度弱，需要较大 换热面积 • 在连续运行过程中，盘管与土壤换热引起 土壤温度变化，引起热泵运行工况变化 • 室外埋管工程量大，造价高
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其它热源热泵的应用 • 地源热泵 与空气源热泵和水源热泵相比，地源热泵 增加了地下埋管换热器 • 以太阳能为热源的热泵 太阳能可以直接作为供暖热源，通过集热 器直接加热载体，但它也可以作为热泵热 源
地源热泵
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地下埋管换热器的结构形式 • 水平埋管有单、双层之分，单层埋深为 1.0m，双层埋深为2.0m。 • 垂直埋管按埋深分深埋和浅埋两种， h<30m为浅埋，h>30m为深埋。垂直埋管 有单管、U型管和套管。 • 水平埋管占地面积大，垂直埋管占地面积 小
水源热泵技术采用的制冷剂，可以是R22或 R134A、R407C和R410A等替代共质。水源热 泵机组的运行没有任何污染，可以建造在 居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有 废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且 不用远距离输送热量。
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• 一机多用
一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置 或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建 筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大 量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供 冷的要求，减少了设备的初投资。水源热泵可应 用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的 水源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。
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热泵热源
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空气 • 优点：易于得到，对换热设备无害
• 缺点：温度变化大，容易结霜 当外界环境温度太低时，需要设置辅助加 热器或蓄热器来补充热泵的不足热量。
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空气源热泵经济性评价指标 • 制热季节性能系数（Heating Seasonal Performance Factor）
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• 运行稳定可靠
水体的温度一年四季相对稳定，其波动的 范围远远小于空气的变动。是很好的热泵 热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性， 使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证 了系统的高效性和经济性，不存在空气源 热泵的冬季除霜等难点问题。
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• 环境效益显著
供热季节热泵总制热量 HSPF 供热季节热泵总的输入 能量
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• 若热泵室外蒸发器温度降至0℃以下，表面 凝水会冻结成霜。霜层逐渐加厚，减小传 热能力，增大空气热阻。空气源热泵机组 室外盘管融霜控制是最重要同时又是最困 难的控制问题。
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空气源热泵除霜方式 • 时间-温度控制 每隔一定时间融霜装置开动一次，当蒸发 温度低至-2℃时开始融霜，在13℃时停止 • 温差控制 蒸发器出口温度与室外空气温度差 • 蒸发器空气压力控制 蒸发器进出口压力差，当盘管结霜时压力 增大，按照预定的压差控制融霜开始
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制冷循环
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Pllot Valve Valve Body
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Solenold Coll
Outslde evaporator 室外机组
室内机组 Compressor Inside condensor
制热循环
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Pllot Valve Valve Body
土壤源热泵影响因素
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• • • •
土壤导热系数 土壤含湿量 冻土对盘管传热的影响 土壤表面作用，如周围温度变化、降雨、 蒸发、太阳辐射的不断变化以及通过土壤 缝隙的渗入使盘管周围土壤再湿等，都会 影响埋管的换热
土壤源热泵影响因素
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• 沿管长方向土壤特性变化剧烈，温度变化 大，将使系统运行不稳定 • 地下水位线位置，如果盘管安装位置接近 或低于地下水位线时，可以加强土壤传热
第六章 热泵利用技术
热泵机组
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热泵 热泵从工程热力学原理上说实质就是制冷机。热 泵技术是一种节能技术，能够提供比驱动能源多 的热能，在节约能源、保护环境方面具有独特的 优势。目前空调系统中应用的是蒸气压缩式热泵 装置，既能在夏季制冷又能在冬季制热，是一种 冷热源两用设备。
水源热泵的特点
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水源热泵优点
由于水源热泵技术利用地表水作为空调机 组的制冷制热的热源，所以其具有以下优 点： • 属可再生能源利用技术 水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一 种技术。
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• 高效节能
水源热泵机组可利用的水体温度冬季 为12-22℃，水体温度比环境空气温度高， 所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也 提高。而夏季水体为18-35℃，水体温度比 环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降 低，使得冷却效果好于风冷式和水冷却塔 式，机组效率提高。
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• ⑵ 水层的地理结构的限制
对于从地下抽水回灌的使用，必须考 虑到使用地的地质的结构，确保可以在经 济条件下打井找到合适的水源，同时还应 当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用 后尾水的回灌可以实现。
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• ⑶ 投资的经济性
由于受到不同地区、不同用户及国家 能源政策、燃料价格的影响，水源的基本 条件的不同；一次性投资及运行费用会随 着用户的不同而有所不同。虽然总体来说， 水源热泵的运行效率较高、费用较低。但 与传统的空调制冷取暖方式相比，在不同 地区不同需求的条件下，水源热泵的投资 经济性会有所不同。
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缺点： • 夏季采用风冷冷凝器，冷凝压力高，COP值 比水冷机组低 • 冬季供热当室外温度较低，供热能力不足 时要提供辅助热源供热 • 空气侧换热器要求的换热面积大，造价高
水源热泵
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• 水-水热泵机组 优点： • 运行性能稳定，COP值较高 • 可充分利用江河、湖、海水体的自然能源， 冬季供暖所需能耗少 • 结构简单、轻巧
热泵分类
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按照热源种类分 • 水源热泵
• 地源热泵 • 空气源热泵
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退 出 禁 止 直 接 抽 取 地 下 水 ， 目 前 禁 用 ！
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地 源 热 泵 掘 井 机
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• 自动运行
水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单 的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费 用低；自动控制程度高，使用寿命长达到15年以 上。
水源热泵局限性
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• ⑴ 可利用的水源条件限制
水源热泵理论上可以利用一切的水资源， 其实在实际工程中，不同的水资源利用的 成本差异是相当大的。所以在不同的地区 是否有合适的水源成为水源热泵应用的一 个关键。而且水源要求必须满足一定的温 度、水量和清洁度。
地源热泵
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水平埋管
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• 垂直埋管由于埋管太深，影响土壤自然恢 复，施工费用较高，维修麻烦 • 水平埋管埋深浅，土壤自然恢复能力快， 而且施工维修相对容易 • 运行稳定性，水平埋管地源热泵不及垂直 埋管，但水平埋管比空气源热泵要好
地下埋管换热器的埋深
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• 空气-水热泵 压缩机：活塞式、涡旋式、螺杆式 制冷、制热所得冷量和热量可通过介质水 传输到较远的用冷、用热设备。适用于冬 季室外空调计算温度较高，无集中供热热 源的地区，作为中央集中式空调系统冷、 热源设备。
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优点： • 冷热源兼用，一机两用 • 整体性好，不占用有效建筑面积 • 采用风冷，无冷却塔和冷却水系统 • 冬季供暖比直接电加热供暖效率高