暖通空调热泵技术幻灯片

热 泵,HEAT PUMP,（28 学时）,制冷空调教研室,第一章：导论与基础 第二章：热泵的理论循环 第三章：热泵的低位热源和驱动能源 第四章：空气源热泵空调系统 第五章：水源热泵空调系统 第六章：土壤耦合热泵空调系统 第七章：水环热泵空调系统 第八章：吸收式热泵 第九章：热泵工程典型案例分析,目 录,第一章 导论与基础,§1-4 热泵的种类 ,§1-3 热泵的定义 ,§1-1 能源与环境 ,§1-2 高位能与低位能 ,§1-5 热泵空调系统的分类 ,§1-6 热泵工质及其替代问题 ,§1-7 热泵在我国应用与发展 ,§1-8 热泵的历史 ,第一章 导论与基础,§1-1 能源与环境 一、能源的开发和利用 1、能源与环境污染问题 能源的消耗急剧增加将导致环境的严 重污染，因此，一方面要充分利用能 源（提高能源利用率）以减少对环 境的污染；另一方面，要寻找无公害 的新能源。,2、能源的消耗及未来能源 说明：目前世界能源的消耗情况（P1，图1），与未来新能源的开发。 如太阳能、核能（核裂变及核变）、 生物能、风能、潮汐能、地热能等。 3、能源利用与环境保护 说明：限制和减少化石燃料燃烧产生的CO2等温室气体的排放，是保护环境的重要措施，采用热泵技术是最有效手段之一。 （P2）,二、能源的节约问题 1、能源利用率 说明：我国单位产量的能耗高以及 能源利用率低。 2、节能的重要性 强调：对环境的影响（如大气污染 对人类健康的影响及温室气体对地 球生态环境的影响。）,3、热泵节能的方法及意义 能回收和利用低位热能，充分利用大量 废弃的低温余热资源。 说明：我国国内各部门的余热资源情况 （表格）。 能提高一次能源利用率。所以，研究和 推广应用热泵技术对于节约能量、提高 经济效益以及保护环境有重要意义。,§1-2 高位能与低位能 一、能源的品位（能质） 1、高品位能（高位能） 在理论上可以完全转化为功的能量， 又称高质量能，如电能、机械能、 化学能、高位的水力和风力、高温 的物质等。 2、低品位能（低位能） 不能全部而只能部分转化为功的能 量，又称低质量能，如物质的内能、 低温的物质等。,3、高位热源 指温度较高而能直接应用的热源，如 蒸汽、热水、燃气以及燃料化学能、 生物能等。 4、低位热源 指无价值、不能直接应用的热源，如 环境空气、水、地热、太阳能、废热、 余热等。 说明：能量的质量高低表示作功的能 力大小，如高位能变为低位能，表明 能量作功能力变小，质量降低或贬值。,二、能源的合理应用 （量的守恒性和质的贬值性） 任何用能过程是能的量与质的利用 过程。 要使热能得到合理利用，必须合理 使用高位能，必须按质用能。 分析：（图1-5）,说明： 所谓的“节约能量”之说，严格而言是不十分确切的。因为仅仅节约了高位能，利用了部分低位热能，也就是说，能量是守恒的。一切能量使用到最后，都成废热传递给环境了，虽然它在数量上看是守恒的，但质量上已经越来越不中用，最后降级到无用。所以，要把能量贬值作为重要的问题来对待。,§1-3 热泵的定义 一、热泵的定义 定义： 靠高位能拖动，迫使热量从低位热源流向高位热源的装置，称为热泵（又称“温度升高器”）。 分析： 热泵虽然需要使用一定量的高位能，但供给的却是消耗的高位能和吸取的低位热量的总和，因此，从用能的角度看是经济合理的。 二、热泵机组与热泵系统 机组：由动力机和工作机组成的节能机械，是热泵系统中的核心部分。 系统：由热泵机组、高位能输配系统、低位能采集系统和热能分配系统四大部分组成的一种能级提升的能量利用系统。,三、热泵空调系统 定义：空调系统中选用热泵时，称为热泵空调系统，或简称热泵空调。（P9，图1-9） 特点： 用能遵循能级提升的原则 用大量的低温再生能替代高位能 冷热源合二为一，节省设备投资 比常规空调更节能、环保,§1-4 热泵的种类 一、热泵的基本框图 热泵按热源种类、驱动方式、用途、工作原理、工艺类型等分类。 说明：基本框图（图1-10） 二、热泵载热介质、低位热源和简图 说明： P10，表1-2,§1-5 热泵空调系统的分类 一、以热泵机组作为集中式空调系统的冷热源 空气源热泵空调系统 地源热泵空调系统 二、冷剂式热泵空调系统 分散式系统 集中式系统 说明：图1-11,§1-6 热泵工质及替代问题 一、蒸汽压缩式热泵对工质的要求 热力性质 临界温度应比冷凝温度高得多 单位容积制热量要大（离心式例外） 饱和压力应适中（pk25bar，po1bar） 绝热指数要小（特别是对于活塞式压缩机） 液体比热要小（节流损失小）,物理、化学性质 凝固点要低 密度和粘度要小（离心式密度要大） 不燃不爆、无毒无味、无腐蚀性 具有良好的化学稳定性 生物学性质 与润滑油具有亲和性（溶解度大小利弊） 与水的溶解关系 对环境的友好性（大气臭氧层和温室气体） 经济性 价廉易得,二、热泵工质的种类 说明： 暖通空调领域中应用的热泵基本上是蒸汽压缩式热泵 暖通空调应用的热泵一般具有制热与制冷两种功能 热泵工质与制冷剂基本上一致 常见热泵工质热力性质表（P16,表1-4） 工质种类框图（图1-12）,三、热泵工质的替代 说明：同制冷剂(表1-71-9) 强调：ODP值 与GWP值两个指标 (表1-51-6) 四、热泵工质的选择 说明：主要从安全、效率和价格等三个方面加以考虑。 强调：单位容积制热量有较大的差别，其对压缩机的结构尺寸及成本价格影响显著，应重点考虑。至于制热性能系数方面，则相差不是很大。,五、自然工质CO2和NH3 CO2在热泵中的应用领域： CO2热泵热水器 CO2汽车热泵式空调 CO2热泵干燥系统 NH3在热泵中的应用问题： 安全性(毒性与燃爆性) 刺激性气味,§1-7 热泵在我国的应用与发展 一、热泵应用与发展的初始期 19491966 二、热泵应用与发展的断裂期 19661977 三、热泵应用与发展的复苏期 19771988 四、热泵应用与发展的兴旺期 19881999 五、热泵应用与发展的快速期 2000(P2228),我国热泵的发展概况： 我国热泵工业相对于世界上工业发达国家来说，有一段明显的滞后期。 1950年代初，天津大学的一些学者最早开始从事热泵的研究。 1965年上海电冰箱厂研制成我国第一台制热量3720w的热泵型窗式空调器，但因换向阀的工作可靠性等原因，长期未有发展。 1970年代后期，由于能源危机所推动的世界性热泵热也影响了我国学术界。,1980年代，我国热泵在各场合的应用研究发展较快，广州能源研究所设计并建造了一套用于加热室内游泳池的热泵。 1984年由上海704研究所、开封通用机器厂和无锡第四织布厂联合试制成功双效第一类吸收式热泵。 1985年上海空调机厂和上海冷气机厂试制成功国内生产的第一批热泵型立柜式空调机组。 1990年上海市通用机械技术研究所首次进行了第二类吸收式热泵的模拟试验，同年上海交通大学、上海第一冷冻机厂联合研制了350kw第二类吸收式热泵。,20002003年，专利总数287项，其中发明专利119项。多项创新成果问世，如土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统、空气源热泵蓄能热气除霜系统、三套管蓄能型太阳能与空气源热泵集成系统等。 2005年全国共有地源热泵工程项目3869项，同年11月31日，建设部发布了地源热泵系统的工程技术规范（GB50366-2005），并于06年1月1日起正式实施。 2008年的北京奥运会和2010年的上海世博会使得热泵技术在我国的应用越来越广泛。,§1-8 热泵的历史 一、热泵的发展概况 热泵的理论基础来源于1824年发表的关于卡诺循环的论文。 1852年汤姆逊首先提出了一种热泵的设想，也称热能放大器（图1-13）。但由于能源费用和能源有效利用率等方面的因素，限制了其进一步发展。 1930年代，霍尔坦在他的著作中介绍了1927年苏格兰一台家用热泵的安装及试验情况，热泵才取得较快发展。,1940年代始开，各国开始对热泵有了进一步的认识，到1948年小型热泵的开发工作有了很大的进展，家用热泵和工业建筑用热泵大批投放市场。 （表1-11） 1950年代，美英两国开始对使用地下盘管吸收 地热作为热源的家用热泵（地源热泵）进行广泛的研究。热泵工业在19501960年代的十年间，进入快速成长阶段，热泵装置的年产量成倍或十倍的增长。,1970年代初，热泵却由于其可靠性低和设备费用高而遭到严重的打击，美国陆军当局甚至禁止在兵营里装设热泵装置，电加热成了热泵的主要竞争对手，热泵工业进入了徘徊期。 1973年的中东战争导致的能源危机，使热泵又以其可回收低温废热和节约一次能源的特点，在产品经过改进后，重新受到各国（包括美国）的广泛重视。,19841992年间，日本进行了超级热泵的研究开发工作，所谓超级热泵是超性能压缩式热泵的简称，包括： 高效型冷热兼用热泵-可用于建筑物空调和区域空调，采暖时的能量效率可达4.5，制冷时则为5.3； 高效型升温专用热泵-可用于供应热水（85）时，能量效率可达6，用作工业加热输出时（150300），能量效率达2.3以上。 高温输出型高、低温热源热泵。,据国际能源机构（IEA）统计，1996年全世界热泵安装总数达到9000万套（图1-15）。 20世纪90年代，地源热泵成为完全产业化的成熟技术，1997年美国安装了45000台，欧洲各国的应用也非常迅速（表1-13） 进入21世纪后，热泵的快速发展不单是为了解决能源问题，更重要的是为了改善环境问题。通过热泵的应用与发展，来推动暖通空调的可持续发展，实现暖通空调的生态化和绿色化。,二、热泵技术的应用 热泵的魅力还不仅在于节能，更为重要的是消除锅炉供暖中烟气对环境的污染，保护和净化人类赖以生存的自然环境。推进热泵技术的发展是能源工程综合利用的需要。 国内外对热泵的应用，主要集中在民用空调领域。对发达国家所消耗的一次能源统计表明，在所消耗的能量中，40%用于建筑采暖，38%用于工业生产，其余用于交通、照明等用途。而建筑采暖中85%用于房间的采暖，在满足房间采暖耗热方面，热泵可以作出重要贡献。,日本是热泵技术和市场发展最快的国家之一。日本政府面临能源稳定供应和高效利用的重大任务，在1973至1982年十年间，总能耗对国民生产总值的比值降低了30%，其中热泵技术的发展起了重要作用。 在美国，1983年热泵市场进入持续发展时期，到1985年年销售量达到100万台，热泵使用领域主要是：家用和办公用空调及热水器以及小型区域供暖。,1973年油价暴涨带来了热泵发展的新时期，欧共体确认热泵技术是寻求替代能源的重要手段。 1980年国际能源结构（IEA）发表了节能“战略研究”结果，其中热泵是节油技术的重要方面，据预测到2020年，IEA成员国中热泵将占采暖设备的75%，燃油采暖将逐渐被热泵所取代，欧共体预计到届时将有1000万台热泵投入使用。 1990年以来，欧美国家在地源、水源热泵的应用越来越广，在供热装置的占比越来越高。（P35-36）,制冷与热泵系统 的基本能量转换关系,图1 矿物燃料的消耗模式,图1-6 理想的热泵机组 1-动力机；2-工作机,图1-5 合理利用能源的原则 (a)传统的分产分供 （b）能量的梯级利用 （c）能级的提升,图1-7 热泵系统框图,图1-10 热泵基本框图,图1-11 热泵空调系统分类框图,图1-12 热泵基本框图,图1-13 汤姆逊热量倍增器,温 暖,冷,温暖,温暖,冷,地源热泵技术示意,基本原理,图1-14 1954-1976年间美国单元式热泵制造台数,第二章 热泵的理论循环,§2-4 布雷顿热泵循环 ,§2-3 蒸汽压缩式热泵的理论循环 ,§2-1 逆卡诺循环 ,§2-