空氣源熱泵技術及研究進展與使用文檔資料

1、2021/4/61主講人：張曉亮學號：13421019222021/4/62熱泵技術介紹熱泵原理：熱泵原理：在自然界中，水總由高處流向低處，熱量也總是從高溫傳向低溫。但人們可以用水泵把水從低處提升到高處，從而實現(xiàn)水的由低處向高處流動，熱泵同樣可以把熱量從低溫傳遞到高溫。所以熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對象，工作原理與制冷機相同，都是按照逆卡諾循環(huán)工作的，所不同的只是工作溫度范圍不一樣。 空氣源熱泵又稱熱泵熱水器，由熱泵吸收空氣熱源制取熱水，節(jié)能效率是電熱水器的4倍以上，比太陽能熱水器還要節(jié)能，是目前世界上最為先進的節(jié)能環(huán)保熱水系統(tǒng)。202

2、1/4/63 熱泵以極少的電能，吸收空氣中大量的低溫熱能，通過壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責崮?，傳輸至水箱，加熱熱水，能耗低、效率高、速度快、安全性好、環(huán)保性強，源源不斷的供應熱水。熱泵的作用是將空氣中或低溫水中的熱量取出，連同本身所用的電能轉(zhuǎn)變成的熱能，一起送到高溫環(huán)境中去應用。一臺壓縮式熱泵裝置，主要有蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā) 壓縮冷凝節(jié)流再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中或空氣中。液態(tài)工質(zhì)首先在蒸發(fā)器內(nèi)吸收空氣中的熱量而蒸發(fā)形成蒸汽(汽化)，汽化潛熱即為所回收熱量，而后經(jīng)壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，進入冷凝器內(nèi)冷凝成液態(tài)(液化)把吸收的熱量發(fā)

3、給需要的加熱的水中，液態(tài)工質(zhì)經(jīng)膨脹閥降壓膨脹后重新回到膨脹閥內(nèi)，吸收熱量蒸發(fā)而完成一個循環(huán)，如此往復，不斷吸收低溫源的熱而輸出所加熱的水中，直接達到預定溫度。2021/4/64制熱時,液態(tài)制冷劑在空氣換熱器中汽化,吸收空氣中的熱量,低溫低壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮后變?yōu)楦邷馗邏簹怏w送至水換熱器。由于制冷劑的溫度高于水的溫度。制冷劑從氣態(tài)冷卻為液態(tài),液體制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流后,在壓力作用下進入空氣換熱器,低壓氣體制冷劑再次汽化,完成一次循環(huán)。在這個循環(huán)中,隨著制冷劑狀態(tài)的變動,實現(xiàn)了熱量從空氣側(cè)向水側(cè)的轉(zhuǎn)移。2021/4/65制冷時,液態(tài)制冷劑在水換熱器中汽化,使水溫降低。低溫低壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓

4、縮機壓縮,變?yōu)楦邷馗邏簹怏w,進入空氣換熱器,由于制冷劑溫度高于空氣溫度,制冷劑向空氣傳熱,制冷劑經(jīng)氣體冷凝為高壓液體,高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流后進入水換熱器,低壓液體制冷劑再次汽化,完成一個循環(huán)。在這個循環(huán)過程中,隨著制冷劑狀態(tài)的變動,實現(xiàn)了熱量從水側(cè)向空氣側(cè)的轉(zhuǎn)移.2021/4/66初始，熱泵供暖的對象主要是民用，供暖需求總量小，特別是對由于采暖方式及其對環(huán)境的影響尚沒有足夠的意識。人們采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，熱泵的發(fā)展長期明顯滯后于空調(diào)的發(fā)展。上世紀30年代，隨著氟利昂制冷機的發(fā)展，熱泵有了較快的發(fā)展。特別是二戰(zhàn)以后，工業(yè)經(jīng)濟的長足發(fā)展帶來的對供熱的大量需求及相對能源短缺，促進

5、了大型供熱及工業(yè)用熱泵的發(fā)展。1973年的全球性能源危機，進一步促進了熱泵在全世界范圍內(nèi)的發(fā)展。但熱泵在世界范圍內(nèi)的大規(guī)模商業(yè)應用是最近20年的事，如美國，截止1985年全國共有14,000臺地源熱泵，而1997年就安裝了45，000臺，到目前為止已安裝了400，000臺，而且每年以10的速度穩(wěn)步增長。2021/4/67我國的熱泵工業(yè)相對于世界上工業(yè)發(fā)達國家的熱泵的發(fā)展應用來說有一段滯后期。早在50年代初，天津大學的一些學者已開始從事熱泵的研究。70年代后期，由于能源危機所推動的世界性熱泵發(fā)展也影響了我國學術界。中國制冷學會、中國建筑科學研究院空調(diào)研究所、廣州能源研究所等經(jīng)常組織有關熱泵及低勢

6、能利用方面的學術會議。我國熱泵的發(fā)展從工業(yè)上應用開始，然后才用于空調(diào)并逐步進入家庭，這也與日本及其他國家的熱泵發(fā)展過程相似。目前，在世界范圍內(nèi)熱泵作為空調(diào)商品已處于成熟期，在我國也處于迅速發(fā)展期。熱泵，作為一種環(huán)保節(jié)能的產(chǎn)品，它不僅在工業(yè)農(nóng)業(yè)應用上，更多的將在空調(diào)應用上在我國發(fā)揮越來越重要的作用。2021/4/68熱泵的分類熱泵的分類: : 熱泵的分類多種多樣，如果按同熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器換熱的介質(zhì)不同分類，熱泵可以分為： 空氣-空氣熱泵 空氣-水熱泵 水-水熱泵 水-空氣熱泵 土壤-空氣熱泵 土壤-水熱泵 其中空氣-水熱泵機組，即空氣源熱泵式冷熱水機組在工程上的應用更為廣泛。2021/4/6

7、9空氣源熱泵的特點:1、 空調(diào)系統(tǒng)冷熱源合一，且置于建筑物屋面，不需要設專門的冷凍機房、鍋爐房，也省去了煙囪和冷卻水管道所占有的建筑空間。2、無冷卻水系統(tǒng)，無冷卻水系統(tǒng)動力消耗，無冷卻水損耗。空調(diào)系統(tǒng)如采用水冷式冷水機組，自來水的損失不僅有蒸發(fā)損失、漂水損失、還有排污損失、冬季防凍排水損失，夏季啟用時的系統(tǒng)沖洗損失，化學清洗稀釋損失等等，所有這些損失總和約折合冷卻水循環(huán)水量的25%，根據(jù)不同性質(zhì)的冷水機組，折合單位制冷量的損耗量為2-4t/100rth。另外，相當一部分工程在部分負荷情況下冷卻水循環(huán)量保持不變。或根據(jù)主機運行臺數(shù)，只作相應的臺數(shù)調(diào)節(jié)。2021/4/6103、 由于無鍋爐、無相應

8、的燃料供應系統(tǒng)，無煙氣，無冷卻水，系統(tǒng)安全、衛(wèi)生、簡潔。對于暖通專業(yè)來說，鍋爐房最有可能存在安全隱患，另外，冷卻水污染形成的軍團菌感染的病例已有不少報導，從安全衛(wèi)生的角度，空氣源熱泵具有明顯優(yōu)勢。4、 系統(tǒng)設備少而集中，操作、維護管理簡單方便。一些小型系統(tǒng)可以做到通過室內(nèi)風機盤管的啟停控制熱泵機組的開關。5、單機容量從3rt至400rt， 規(guī)格齊全，工程適應性強， 利于系統(tǒng)細化劃分，可分層、分塊、分用戶單元獨立設置系統(tǒng)等。6、夏天運行cop值較水冷機組較低，耗電較多，冬季運行節(jié)省能源消耗。2021/4/6117、造價較高。作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源方面的設備投資，空氣源熱泵冷熱水機組造價較高，比水冷

9、式機組加鍋爐的方案的系統(tǒng)綜合造價貴2030%，如只算冷熱源設備，熱泵的價格約為水冷機+鍋爐的1.5-1.7倍。8、空氣源熱泵冷熱水機組常年暴露在室外，運行條件比水冷式冷水機組差，其壽命也相應要比水冷式冷水機組短。9、熱泵機組的噪音較大，對環(huán)境及相鄰房間有一定影響。熱泵通常直接置于裙樓或頂層屋面，隔振隔音的效果，直接影響到貼鄰房間及周圍一些房間的使用。合理的位置設置與隔振隔音措施的到位，熱泵噪音的影響可以基本消除。10、空氣源熱泵的性能隨室外氣候變化明顯。室外空氣溫度高于40-45或低于-10-15時,熱泵機組不能正常工作。 2021/4/612 我國空氣源熱泵的研究的研究現(xiàn)狀空氣源熱泵是以空氣

10、作為高溫(低溫) 熱源來進行供熱(供冷) 的裝置。相對于其它熱泵類型而言,我國對空氣源熱泵的研究起步較早,研究內(nèi)容也較多。以環(huán)境空氣作為低品位熱源,可以取之不盡,用之不竭,處處都有,無償獲取。空氣源熱泵則安裝靈活、使用方便、初投資相對較低,且比較適用于分戶安裝,目前我國室內(nèi)空調(diào)器大都采用的是這種形式。這也就使得我國空氣源熱泵冷熱水機組市場空前繁榮,生產(chǎn)研制已經(jīng)比較成型產(chǎn)品規(guī)格齊全,品牌繁多。據(jù)有關調(diào)查表明,目前我國空氣源熱泵冷熱水機組生產(chǎn)廠家已由1995 年的十幾家發(fā)展到現(xiàn)在的四十多家,據(jù)不完全統(tǒng)計,國內(nèi)銷售的機組已逾45 個品牌,其中國產(chǎn)機組約占25 %左右,其余為合資產(chǎn)品,臺資產(chǎn)品和進口產(chǎn)

11、品。為了更好地了解我國空氣源熱泵方面的發(fā)展動態(tài),本文將對近年來我國關于空氣源熱泵的研究進行分析,并在此基礎上指出空氣源熱泵所存在的問題及有待改進的方向.2021/4/613我國空氣源熱泵研究狀況：我國空氣源熱泵研究狀況： 隨著空氣源熱泵在我國應用的日趨廣泛和研究的日趨深入，了解我國空氣源熱泵的研究狀況對于后續(xù)研究而言具有重要的意義。下面重點介紹我國近年來關于空氣源熱泵的技術進展。1. 空氣源熱泵結(jié)霜、化霜問題的研究由于空氣源熱泵冬季采用空氣作為熱源，所以，隨著室外溫度的降低,其蒸發(fā)溫度也隨之降低，蒸發(fā)器表面溫度隨之下降,甚至低于0 。此時,當室外空氣在流經(jīng)蒸發(fā)器被冷卻時,其所含的水分就會析出并

12、依附于蒸發(fā)器表面形成霜層。結(jié)霜對熱泵是極其不利的。隨著霜層的形成,蒸發(fā)器傳熱熱阻增加,蒸發(fā)溫度下降,機組的性能下降,工況惡化,制熱量也將下降,這將嚴重影響壓縮機以及熱泵整體的性能,同時,除霜帶來的額外費用還將降低空氣源熱泵的經(jīng)濟性,這也就是為什么空氣源熱泵在寒冷、潮濕地區(qū)的應用受到限制的原因。所以說,結(jié)霜機理、化霜方法一直是空氣源熱泵研究與應用中要解決的重點與難點。2021/4/614目前,有不少關于空氣源熱泵機組冬季運行狀況的研究 ,主要分析供熱時不同工況下空氣盤管表面濕空氣結(jié)霜、結(jié)露及干冷卻特性,并結(jié)合結(jié)霜過程進行試驗和模擬,分析了迎面風速、環(huán)境溫濕度、翅片間距、管排數(shù)等參數(shù)對結(jié)霜性能的影

13、響及其所可能產(chǎn)生的一系列后果。了解結(jié)霜的機理的主要目的是要解決如何除霜的問題。傳統(tǒng)的除霜控制方法主要包括:定時除霜法,時間溫度(壓力) 法,空氣壓差控制除霜法,霜層傳感器控制除霜法,聲音震蕩器控制除霜法,最大平均供熱量控制除霜法,最佳除霜時間控制法等。這些方法各有利弊,有待完善。近年來由于計算機技術的發(fā)展,將模糊控制技術引入空氣源熱泵除霜問題的研究作為一項先進可行的新技術,逐漸引起了人們的注意。這主要是因為空氣源熱泵結(jié)霜問題的影響是多因素,非線性的,而模糊控制技術的優(yōu)勢就是處理多維、非線性、時變問題。這樣一來,將模糊控制技術引入空氣源熱泵的除霜控制,通過對除霜過程的系統(tǒng)響應分析，可以使除霜控制

14、能夠自動適應機組工作環(huán)境的變化,達到智能除霜的控制要求。此外,還有考慮環(huán)境工況變化的雙溫度傳感器智能化除霜控制方法等。2021/4/615盡管空氣源熱泵具有很多優(yōu)點,但受室外環(huán)境的限制也比較大,這也是空氣源熱泵目前僅在我國黃河以南地區(qū)得到了廣泛應用的主要原因。而在黃河以北地區(qū),應用空氣源熱泵則根據(jù)所處地區(qū)不同有其特殊要求。目前,關于西安、膠東以及寒冷地區(qū)空氣源熱泵的實際應用情況已有研究 ,并就所遇到的如壓縮比過大等具體問題提出了一些相應的改進措施,可在相應地區(qū)的實際應用中作為參考。此外,為了對空氣源熱泵結(jié)霜除霜所帶來的損失進行量化的分析,有研究提出了不同地區(qū)、不同使用情況下的平均結(jié)霜除霜損失系

15、數(shù)的概念,平均結(jié)霜除霜損失系數(shù)越大的地區(qū)應用空氣源熱泵越不經(jīng)濟。據(jù)此,將我國空氣源熱泵使用地區(qū)根據(jù)平均結(jié)霜損失系數(shù)分成4 類:低溫結(jié)霜區(qū): 如濟南、北京、鄭州、西安、蘭州等;輕霜區(qū):如成都、桂林、重慶等;重霜區(qū):如長沙;一般結(jié)霜區(qū):如杭州、武漢、上海、南京、南昌、宜昌等。這些都可以作為熱泵設計選用中重要的參考依據(jù)。 2021/4/6162 . 空氣源熱泵節(jié)能問題的研究火用是對系統(tǒng)能的質(zhì)與量的綜合評價。對系統(tǒng)進行火用分析可以揭示出系統(tǒng)中火用損失的部位、類型和數(shù)量,以便設法減少這些損失。通過火用計算分析可知,壓縮功只有20 %被利用,而有80 %被損失,其中,壓縮機火用損失占30. 7 % ,冷凝

16、器占20.14 % ,蒸發(fā)器占17.15 % ,毛細管占10 %。由此我們可以看出,空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能的主要部件是壓縮機,提高壓縮機本身的技術指標,是提高整個系統(tǒng)火用效率的關鍵,而冷凝器和蒸發(fā)器火用優(yōu)化措施主要是設法降低傳熱溫差。當然,系統(tǒng)的節(jié)能改進與經(jīng)濟性是相互制約的,僅從能效進行分析有一定的局限性。從這個角度出發(fā),有關研究人員提出供熱最佳經(jīng)濟平衡點的概念,以期在此最佳經(jīng)濟平衡點溫度條件下, 整個供熱系統(tǒng)(熱泵+ 輔助熱源) 的初投資與運行費最少,從而合理實現(xiàn)熱泵節(jié)能優(yōu)化。此外,通過空氣源熱泵機組與水冷冷水+ 鍋爐機組、溴化鋰吸收式機組( + 鍋爐) 這3 種方案的經(jīng)濟性比較可以得出,空氣源

17、熱泵相對于其它兩種形式而言,經(jīng)濟性上具有顯著的優(yōu)越性。 2021/4/6173. 計算機模擬在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應用 隨著計算機技術的不斷普及,計算機在暖通空調(diào)中的應用也日益廣泛。前面所述及的一些研究中有很多也都應用了計算機技術,但關于計算機模擬在暖通空調(diào)中具有代表性的應用主要有以下幾個方面:對壓縮機的計算模擬采用神經(jīng)網(wǎng)絡法對空氣源熱泵中螺桿式壓縮機的冬季運行特性進行模擬,并結(jié)合誤差反向傳播算法(bp 算法) 進行調(diào)整,結(jié)果表明,采用該方法對壓縮機進行建模模擬可以達到較高的精度要求。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。對蒸發(fā)器的計算模擬通過對空氣源熱泵的蒸發(fā)器結(jié)霜問題進行動態(tài)模擬計算,可以詳細分析蒸發(fā)

18、器結(jié)霜和制冷劑充灌量對系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。另外,對于采用-ntu 法(效率傳熱單元數(shù)法) 對空氣源熱泵蒸發(fā)器肋片管在干工況、濕工況及結(jié)霜工況下的傳熱傳質(zhì)計算方法也有相關探討。2021/4/618 系統(tǒng)仿真研究 通過建立房間空調(diào)器熱泵運行時的瞬態(tài)仿真的數(shù)學模型,可以得出房間空調(diào)器熱泵運行時的制冷系統(tǒng)參數(shù)及房間溫度變化的曲線,這對實現(xiàn)空氣源熱泵系統(tǒng)的自控有很大的意義。系統(tǒng)能耗分析軟件關于空氣源熱泵全年能耗分析應用軟件的開發(fā)應用在相關文獻中有所介紹,該軟件在求解熱泵供冷全年能耗時,綜合考慮了空調(diào)冷負荷、室外干球溫度、熱泵出水溫度這3 個因素,在求熱泵供熱能耗時,還將室外空氣相對濕度這個重要參數(shù)考慮

19、進去,這就使得熱泵供熱能耗計算更為準確,也為空氣源熱泵的應用提供了一個很好的分析方法。2021/4/6194. 其它近來針對熱泵分戶計量的需要,有觀點在對傳統(tǒng)的計量方法進行比較分析的基礎上提出了用比熱法測量熱泵制熱量的新思路,并結(jié)合實際測量給出了應用評價變頻技術在空氣源熱泵中的應用是一項新技術。根據(jù)對大金變頻控制熱泵式空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷運行時的節(jié)能特性所做的一系列實驗研究,可以獲得夏季部分負荷運行特性。通過在節(jié)能方面與普通空氣源熱泵進行比較,證明應用變頻技術以后的空氣源熱泵機組比普通機組更加節(jié)能2021/4/620空氣源熱泵有待解決的問題及改進方向空氣源熱泵有待解決的問題及改進方向: :對于空氣

20、源熱泵而言,除了具有種種優(yōu)點之外,仍存在很多不足及有待解決的問題?？諝庠礋岜玫男阅苁苁彝鈿夂驐l件變化影響較大,隨著室外環(huán)境的惡化而惡化。夏季,隨著室外空氣溫度的升高,制冷負荷增大,但熱泵系統(tǒng)冷凝溫度升高,熱泵溫差增加,機組整體效率降低;冬季,隨著空氣溫度的降低,供熱負荷增大,而蒸發(fā)溫度隨之降低,熱泵溫差增大,導致機組整體效率降低。同時,隨著室外條件的惡劣,熱泵的工作性能急劇下降,又反過來加劇了室外環(huán)境的惡劣程度。進一步研究應考慮采取相應措施來合理改善機組的性能?？諝庠礋岜昧硪粋€突出的問題就是蒸發(fā)器冬季結(jié)霜問題。這不但導致系統(tǒng)供熱性能的急劇下降,還將對壓縮機等重要部件產(chǎn)生不良影響(如冰堵),嚴重

21、時將損壞壓縮機,使系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn),同時,結(jié)霜還將使機組運行費用增加。盡管我國在這方面已經(jīng)做了很多研究工作,但關于結(jié)霜的控制措施及除霜技術的研究方面,還需要進一步進行深入研究和實驗論證。2021/4/621四、空氣源熱泵的應用:南京是個夏季熱、冬季冷，濕度又高的城市，盡管許多人對南京地區(qū)冬季熱泵供暖的可靠性和合理性持一定的懷疑態(tài)度，但由于空氣源熱泵的上述某些優(yōu)點，空氣源熱泵冷熱水機組在南京的發(fā)展也相當?shù)目臁６兰o九十年代初南京就有工程開始采用空氣源熱泵冷熱水機組。至19951998年投入使用的空氣源熱泵數(shù)量明顯增加。據(jù)我們目前掌握的資料，南京采用空氣源熱泵冷熱水機組為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源的工程目前有250項左右。其中，某設計院這幾年選用熱泵為冷熱源的項目約有35項之多，占該院空調(diào)工程項目數(shù)的30%左右。某工程師一個人先后有近10個項目采用了空氣源熱泵冷熱水機組作為空調(diào)冷熱源。在我們所了解的以空氣源熱泵冷熱水機組為冷熱源的項目中有商場、寫字樓、辦公樓、酒店、廠房、綜合樓等。 2021/4/622這幾年空氣源熱泵冷熱水機組在南京的發(fā)展很快，且大多數(shù)工程的熱泵空調(diào)系統(tǒng)還是能基本滿足所需的制冷供熱要求的。下面就幾個典型工程的情況作些介紹。 長江貿(mào)易大樓1991年設計，1