热泵技术.docx

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热泵技术

热泵技术

（一）

　　热泵技术

　　1、将热量从低温环境传送到高温环境

　　我们都知道，在自然状态下，我们不能将外部寒冷环境中的热量带到更加温暖的室内环境中。

同时我们也知道，科技的发展则是通过理论及相关设备将自然状态下不可能发生的事情实现。

而这项将热量从冷环境传送到热环境的技术已存有150多年了。

这项技术至今广泛运用于制冷设备的生产：

即把热量通过制冷剂散发到外部更高温度的环境中去的设备。

同样，这项技术也可运用于制热：

即将外部环境中的热量传送到室内进行制热而无需燃烧燃料来产生热量。

　　2、如何使用热空气进行室内制冷

　　图例分为以下三个部分

　　步骤1—获取热空气我们假设将35℃的热空气封闭到一个带可运动活塞的圆柱体内。

　　步骤2—膨胀我们设法将此空气膨胀，比如膨胀为原体积的1.2倍。

这样则会造成空气温度的降低，因为：

　　－空气膨胀后，初始状态时存在的热量散发给更大容积的空气。

　　－用于膨胀的能量从圆柱体内空气中提取（流体学理论）。

　　在此假设的膨胀容积下，空气温度从35℃下降到了13.3℃。

　　步骤3—制冷

　　我们把这个空气温度为13.3℃的圆柱体转移到温度为26℃的室内。

圆柱体内的空气则可以进行室内制冷。

此图例说明了可以将更高温度的空气膨胀并转移，然后进行室内环境的制冷。

　　热空气制冷原理图

　　3、如何使用冷空气进行室内制热

　　图例分为以下三个部分

　　步骤1—获取冷空气我们假设将10℃的冷空气封闭到一个带有可运动活塞的圆柱体内。

　　步骤2—压缩我们将此空气压缩，使其容积减少20%，这样则会造成其温度升高，因为：

　　—空气压缩后，初始状态时存在的热量加热更小容积的空气。

　　—用于压缩空气的能量传送到圆柱体内的空气中（流体学理论）。

　　在此假设的压缩体积下，空气温度由10℃上升到了36.4℃

　　步骤3—制热我们把这个空气温度为36.4℃的圆柱体转移到温度为20℃的室内，圆柱体内的空气则可进行室内的制热。

　　此图例说明了可以将更低温度的空气进行压缩并转移然后用于室内的环境制热。

　　冷空气制热原理

　　4、将热量从低温传送到高温的设备

　　能够将热量从低温环境传送到高温环境的设备有很多种，每种之间的物理及化学过程不一。

然而市场上最为普通的设备则是利用前面所讲述的两种现象。

这些设备的核心原理是一个封闭循环的回路，其中的介质被称为冷媒或制冷剂，它在此循环回路中被连续地压缩和膨胀。

在每次被压缩和膨胀时（即每一轮工作状态），制冷剂将热量从低温环境中‘抽取’并传送到高温环境中。

空气并未作为冷媒使用，尽管它不会造成污染且无成本。

因为其每轮工作状态的热效率相当低。

实际使用的冷媒是能够在吸收热量时蒸发，散发热量时冷凝的液体。

液体形态的改变过程能够在每一轮工作循环中极大地提高热效率。

将循环方式调转，这类设备即可用于供热也可用于制冷。

　　制冷剂：

最早的制冷机器采用氨作为制冷剂，由于其毒性和腐蚀性强，已不再作为制冷剂使用。

很多年以来，氟里昂一直作为制冷剂使用，但由于它会破坏臭氧层从而危害地球的生态环境已被禁止使用。

目前使用最多的制冷剂为HCFC（含氢氯氟烷烃）。

对于新型制冷剂的研究一直在进行中。

目的是尽量减少对环境的污染同时提高其热效率。

　　5、热泵的主要构成组件

　　6、热泵及其系统的性能

（1）热泵的瞬时特性：

只与压缩机有关的效率系数，它指热泵输出热量与压缩机所消耗电量之间的关系。

　　实际上，它指压缩机消耗1kW电量所能获得的热量。

比如说ε＝4，那么则指1kW的耗电量下可获取4kW的热量。

ε值主要取决于冷源与供热温度之间的温差：

温差越小，ε值越大，即热泵效率越高。

很明显，将热量从10℃的环境中传送到30℃的供热介质中远比传送到50℃的供热介质更加容易。

（2）与压缩机及相关设备关联的效率系统COP此效率系数（由EN255标准定义）指热泵的输出热量与热泵的压缩机及其它元件所消耗电量之间的关系。

　　COP与ε系数注解：

ε值与COP值均由热泵厂家提供，某些厂家只提供其中一项，并且对于有效热能和所需能耗的关系较为含糊。

下图为一个水/水换热型热泵的COP数据关系，

　　为防止厂家之间数据误导不正常的竞争，很多欧洲厂家均采用第三方独立实验室进行数据的检验。

　　7、热泵系统的年均性能系数

　　这类系数被命名为COPA，即COP的年平均值。

它指一年之内的有效供热量与系统运行总共耗电量之间的关系。

　　此系数不仅与热泵本身的性能相关，还与热量的分配及调节性能密不可分。

这个系数对于计算系统的运行费用相当重要。

　　当然，要确定这个年均性能系数并不容易，它受很多因素的影响，比如

　　—冷源温度的变化。

　　—系统的分布及末端的种类。

　　—系统的调节方式。

　　—热泵的调节方式。

　　8、可利用的冷热源

　　热泵的冷媒吸热端可使用多种不同的冷热源。

如何选择合适的冷热源主要参考以下各因素：

　　—外部环境特征。

　　—相关法规的约束情况。

　　—所需工作特性。

　　—系统造价。

—投资款最快回收期限。

　　以下我们对常用的几种冷热源及其特性进行介绍

（1）空气源空气源既可是室外空气也可是室内交换空气。

室外空气：

特点是随时随地可取，无需特殊的获取设备，无需专业机构的批准。

但是当室外空气温度低于5-6℃时，热泵效率明显降低，这时需要辅助加热系统。

室内交换空气（通常在20℃左右）；没有上述室外空气的缺点，但空气量较小。

（2）表层水源表层水源包含：

海水，湖泊，运河，水塘，这些都可作为冷热源使用。

值得考虑的是，在非常寒冷的季节，某些冷热源温度很低且会结冰。

同空气源一样，它们在温度过低的情况下也同样需要辅助加热系统。

　　（3）地源地面下有大量储存的热量，它们来源于太阳能和地热能，太阳能的能源大多储存在地下浅层，而地热能则储存在更深层。

地下的热源可通过以下几种方式利用：

　　潜水含水层。

　　横式盘管：

使用塑料盘管吸取地板下浅层热量。

　　竖式盘管：

使用塑料盘管深入地下100-200米吸取热量。

　　桩埋管：

将U型管换热器埋于建筑物混凝土桩基中。

　　9、可使用热泵的供热系统

　　冷源与供水温度的差值越小，热泵的效率则更高。

因此热泵更适合于低温采暖方式。

根据这个特点，

　　常见的采暖方式有以下的优缺点：

（1）辐射地板采暖系统辐射地板采暖系统因为其低温供暖的方式，非常适合使用热泵为热源。

当然，将供水温度尽量降低会更加适合，这可以通过使用较小的布管间距（比如10-15mm）来实现。

（2）散热器采暖系统当无法使用地板采暖系统时，比如已建房屋或特殊的历史性建筑，可使用散热器采暖系统。

散热器采暖系统最大的局限性在于由于使用低温供水，散热器尽寸会比通常尺寸大很多。

比如说，一个在80℃时能输出1,000kcal/h热量的散热器，在45℃时只能输出320kcal/h的热量。

这样则会造成散热器设计片数增加。

另外一个局限性则是无法使用散热器制冷

　　（3）风机盘管系统风机盘管系统主要适合于公共建筑如饭店、办公楼、医院等场所。

使用热泵为热源的风机盘管系统需要选择在低温供水（40-45℃）下能正常工作的风机盘管。

另外，如果是安装在卧室内则需要使用噪音很小的风机。

　　（4）风道系统可以使用空气/空气或水/空气型热泵作为热源。

使用空气/空气热泵的系统由热泵直接供给风道热量。

使用水/空气热泵的系统由热泵将热量提供给空气处理单元。

　　10.使用热泵供热及制冷

　　热泵不仅可用于供热，同时也可用于制冷。

制冷方式可使用可转换型热泵或直供系统：

即直接使用冷源供应的系统。

（1）可转换型热泵：

这类热泵可以转换冷媒介质的循环方向，也就是热量的换热方向。

它因此既可用于制热也可用于制冷。

循环的方向通过以下元件进行转换：

　　—压缩机前端的四通切换阀。

　　—冷媒膨胀段的三通切换阀。

　　—第二个膨胀阀。

　　这些元件按以下方式运行：

　　供热循环方式：

三通、四通切换阀按供暖循环方式的方向打开，这种方式下，冷媒从冷源中吸取热量并传送到供热媒体。

　　制冷循环方式：

三通四通切换阀按制冷循环方式的方向打开（压缩机的循环方向保持不变），此方式与供暖循环方式相反。

这种方式下，冷媒将制冷系统的热量吸取并散发到外部热源。

（2）直接制冷方式直接制冷方式利用室外冷源（比如地热或表层水）在夏季时的低温水作为介质进行制冷。

下面是两个直接使用冷热源进行供热和制冷的图示；

　　制热模式阀门A将冷热源转换到热泵，阀门B将热泵朝向系统端打开。

　　制冷模式阀门A将冷源转换到换热器，阀门B关闭热泵端，打开换热器与系统连接端。

很显然，在这种模式下，需要使用相应的调节及除湿系统。

　　11、热泵可输出的最高供水温度

　　民用的热泵根据出水温度分为两类：

第一类可以达到最高水温55℃，第二类65℃.

　　最高水温＝55℃：

目前市场上的大多数热泵都能达到这个温度，这主要是由冷媒的物理和化学特性所决定的。

对于使用低温辐射地板采暖的系统，以及生活热水低于48℃-50℃的系统，这不会有任何问题。

而对于使用高中温供暖水的系统（除非使用其它辅助供热设施），此水温上限则有其局限性。

同样，对于生活热水水温要求较高（52℃-53℃）的系统，比如公用建筑的厨房、洗衣房或者是需要高温热水杀菌的系统，这类热泵不适合。

上述两种情况下，就需使用最高水温能到65℃的热泵。

　　最高水温＝65℃：

这类热泵能达到更高的出水温度往往通过两种方式来实现：

第一种采用蒸汽注入循环介质系统的方式，简称为EVI（喷气增焓）；第二种采用两套循环系统串联运行的方式。

　　EVI方式这类热泵在压缩机的下游抽取一部分冷媒，此部分冷媒首先进行膨胀然后经过辅助换热器换热后最后再注入压缩机。

这样则可提高冷媒的循环温差从而可以实现更高的供水温度。

　　双循环方式如下图所示，双循环方式采用两套循环回路串联。

这样也是有利于提高冷源与出水温度之间的温差。

　　12、热泵供应生活热水

　　热泵热水器的选择应考虑以下的一些因素：

　　—使用较低温差的冷媒循环温差可产生55℃以下的热水。

　　—避免压缩机频繁起停。

　　—可以使用低谷电。

　　热泵热水器的储热水箱必须使用高效率的换热器。

　　衬套式水箱指双层水箱，其换热面积大，换热效率较高。

　　高效换热盘管式水箱这类水箱跟太阳能系统储热水箱一样，都是需要在低温差的情况下进行换热。

为了避免一次循环冷媒压损过大，换热盘管的口径不能选择过小。

　　热泵一体式水箱这类水箱的上部分为空气源热泵，通常使用公共建筑的排气作为空气源。

　　13、热泵及系统之间的缓冲水箱

　　这类水箱，通常又被称为缓冲罐，起到两个作用：

水力分压和热量缓冲。

水力分压的作用是，热泵自身的循环泵和供热/制冷系统的循环泵相对独立运行，互不干扰。

这对于使用变流量调节的供热/制冷系统尤其重要。

热量缓冲的作用是减少热泵的频繁起停，避免热泵内部元件损坏。

　　缓冲水箱可以按以下规律设计：

　　20-25l/kW：

适合于辐射地板采暖系统。

　　40-45l/kW：

适合于散热器采暖/风机盘管系统。

　　缓冲水箱容量设计偏大些也可起到低谷电时储存热量的作用。

　　14、热泵冷热源封闭式循环系统所需元件

　　热泵冷热源的闭式循环系统的良好运行依赖于下述主要元件：

冷热源分集水器冷热源分集水器既可安装在室外（通常在可检测的管道井之内）或者安装在室内。

如果室内有足够的空间最好置于室内，这样更方便检测及维护。

每一个分水器支路都必需使用流量调节及截止阀。

　　温度表可随时观察冷热源温度及热泵运行时的冷热源温差。

　　压力表核实冷热源循环系统压力，蒸发器和过滤器的压损，如果压损过大，则证明上述元件需要清洗。

　　膨胀罐用于吸收冷热源温度变化时膨胀的水量，维持循环系统压力稳定。

　　安全阀避免冷热源循环系统压力过高造成相关循环系统的元件受损。

　　微泡排气阀用于排除一次循环系统注水及运行时产生的空气、气泡，它对于系统良好的运行起到至关重要的作用。

比如说，1m水在10℃，2bar的状态下，包含有45升空气，20℃时只包含35升空气，其中10升以微泡的形式排出。

由此看出，普通的排气阀不能解决微泡气体的排除问题，而需要专门的螺旋式微泡排气阀将微泡分离聚集并排除。

　　除污器除污器的作用在于避免杂质堆积在蒸发器内。

通常使用的Y型过滤器阻力较大，且不能分离细微杂质，而其拆卸清洗也较为困难。

新型重力式分离器（又称为螺旋式除污器），其压损小，细微杂质分离能力强，下端有较大的储污舱，冲洗排污非常方便。

　　其它元件

　　—注水/泄水阀

　　—截止阀

　　—防震软接：

防止热泵机组的震动传递到冷热源循环系统。

　　15、热泵的安装热泵安装有两个方面需要考虑：

噪音和安装位置

　　热泵的噪音设计为室外安装的热泵及空气源热泵噪音很大，对于其所供热/制冷建筑及临近建筑均会造成影响。

噪音通过固体震动以及空气传送。

为限止固体震动产生的噪音，热泵需要减震支撑架，与系统或风道的连接则需使用防震软管。

对于空气传送的噪音级别可参考制造商提供的数据，必要时需要使用吸音板将噪音控制在建筑标准允许范围之内。

有些厂家还根据热泵的安装方向提供各方位噪音数据，这对于设计师来说更加方便。

　　室外安装几乎所有的空气/空气型，水/空气型热泵均需室外安装。

室外安装时需遵循制造商提供的空间距离要求，地面要求平整结实且需使用防震垫。

　　管道井内安装如果安装在专门提供的管道井内，需采用相应的防冻措施，且遵循厂家提供的安装距离要求。

　　对于使用室外空气源的热泵，其吸气和排气方向不能在同一面，否则可能造成短路空气循环。

管道井壁在热泵和噪音级别较高的情况下需使用吸音板防止噪音超标。

　　室内安装只有厂家明确可室内安装的热泵才能进行室内安装，通常安装在厨房或设备间内。

这类热泵通常都是带有缓冲水箱的供热/制冷及生活热水供应式热泵。

安装热泵时应避免其靠近或朝向卧室。

如果无法避免，则需采取相应的隔音措施。

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