第二章_熱泵的基本工作原理與評價.

1、12 熱泵的基本工作原理與評價熱泵的基本工作原理與評價 n高位能與低位能高位能與低位能 n 熱泵的定義熱泵的定義n熱泵的基本工作原理熱泵的基本工作原理 n熱泵的種類與形式熱泵的種類與形式n熱泵的評價熱泵的評價 22.1高位能和低位能1-水壩中的水；2-供水池；3-湖水中的水；4-水輪機；5-水泵 3不同取水方案比較n 取水方案取水方案1 1 由水壩直由水壩直接供水。接供水。n假設(shè)供水量為假設(shè)供水量為10 10 噸噸/ /s s，且不計機械摩擦損失和且不計機械摩擦損失和管路阻力損失。則方案管路阻力損失。則方案1 1不需要外界作功，但將不需要外界作功，但將損 失 掉 勢 能損 失 掉 勢 能 1

2、0 1 0 1001001000=101000=106 6 kg.m/s kg.m/s n 取水方案取水方案2 2 用水泵從用水泵從湖中取水，由壩中的水湖中取水，由壩中的水驅(qū)動水輪機，水輪機再驅(qū)動水輪機，水輪機再拖動水泵。拖動水泵。n用水壩中的水用水壩中的水0.909 噸噸/s, 其作功值為其作功值為0.909 1001000=9.09104 kg.m/s。拖動拖動水輪機，水輪機，從湖中取水從湖中取水9.09噸噸,即能完成取水即能完成取水任務。任務。4n由此可見，壩中的水和由此可見，壩中的水和湖中的水，雖然都是水，湖中的水，雖然都是水，但其價值是不同的。壩但其價值是不同的。壩中的水具有作功能力

3、，中的水具有作功能力，其價值也高。其價值也高。n能量不僅有數(shù)量多少之能量不僅有數(shù)量多少之分，也有質(zhì)量問題。分，也有質(zhì)量問題。5不同供熱方案的比較n 方案方案1 直接用電加熱，直接用電加熱，則需要則需要10 kW電能。電能。 n方案方案2 2 采用熱泵供熱，采用熱泵供熱，即用電能拖動熱泵機組即用電能拖動熱泵機組向室內(nèi)供熱。向室內(nèi)供熱。n假定供熱溫度假定供熱溫度4545，低，低溫物體溫度溫物體溫度00，如果熱，如果熱泵按理想的逆卡諾循環(huán)泵按理想的逆卡諾循環(huán)工作，則所需要的電能工作，則所需要的電能為為1.1451.145kWkW熱負荷10kW6不同溫度下的能量比較n室溫下的室溫下的4.1868 4.

4、1868 kJkJ的熱量的熱量n100100下的下的4.1868 4.1868 kJkJ的熱量相比，數(shù)量的熱量相比，數(shù)量相等，但其質(zhì)量卻不同。相等，但其質(zhì)量卻不同。7 綜上所述，可以說明以下幾點 :n評價能源的價值時，既要看其數(shù)量，又要看其評價能源的價值時，既要看其數(shù)量，又要看其質(zhì)量。能量按其質(zhì)量可劃分為高位能和低位能質(zhì)量。能量按其質(zhì)量可劃分為高位能和低位能兩種。同樣，熱源也可分為高位熱源和低位熱兩種。同樣，熱源也可分為高位熱源和低位熱源。源。 n合理地使用高位能的問題是十分重要的。因為合理地使用高位能的問題是十分重要的。因為實際的能量利用過程有兩個特性：量的守恒性實際的能量利用過程有兩個特性

5、：量的守恒性和質(zhì)的貶值性。任何用能過程實質(zhì)上也可以說和質(zhì)的貶值性。任何用能過程實質(zhì)上也可以說成能的量與質(zhì)的利用過程。要使熱能得到合理成能的量與質(zhì)的利用過程。要使熱能得到合理利用，必須合理使用高位能，必須做到按質(zhì)用利用，必須合理使用高位能，必須做到按質(zhì)用能。能。 8由燃料直接提供采暖等所需的低位能，即使在不損失熱量的條件下,室內(nèi)所得到的熱量最多為燃料發(fā)熱量的100%，也應該說是一種巨大的浪費 。因為,在這種情況下，儲藏在燃料中的化學能所具有的作功能力未加以合理利用而被貶值了。9n節(jié)約能量的途徑節(jié)約能量的途徑 ，過去認為不用能即節(jié)，過去認為不用能即節(jié)能，實際上應該提高能量的利用率，能，實際上應該提

6、高能量的利用率，“建筑節(jié)能建筑節(jié)能”應更準確地表述為應更準確地表述為“建筑建筑合理用能合理用能”。 102.2熱泵的定義 n目前目前, ,標準、論文、書籍中有關(guān)標準、論文、書籍中有關(guān)“熱泵熱泵”的定義與內(nèi)涵卻各不相同，常給人們一的定義與內(nèi)涵卻各不相同，常給人們一種模糊不清的熱泵概念。因此種模糊不清的熱泵概念。因此, ,有必要做有必要做個概念明確的統(tǒng)一定義，其內(nèi)涵要更全個概念明確的統(tǒng)一定義，其內(nèi)涵要更全面、更準確。面、更準確。11不同文獻中熱泵的定義n GB50155-99 “熱泵熱泵”的解釋是的解釋是“能實現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能實現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機能轉(zhuǎn)換的制冷機”。n在在 ( (N

7、ew International Dictionary of New International Dictionary of Refrigeration) Refrigeration) “ “熱泵熱泵”的定義是的定義是“以冷凝器放出的熱量來供以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統(tǒng)熱的制冷系統(tǒng)”。 12n 徐邦裕、徐邦裕、 馬最良等編馬最良等編 “熱泵熱泵”定義為定義為“靠高位能拖動，迫使熱量從靠高位能拖動，迫使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。低位熱源流向高位熱源的裝置。n熱泵的原理與應用（郁永章編）熱泵的原理與應用（郁永章編） “熱泵熱泵”是把處于低位的熱能輸送至高位的機是把處于低位的熱能輸送至

8、高位的機械械”。n制冷工程技術(shù)詞典（尉遲斌編）制冷工程技術(shù)詞典（尉遲斌編） 熱泵解釋為熱泵解釋為“可連續(xù)將熱量從溫度較低的物體可連續(xù)將熱量從溫度較低的物體（或環(huán)境）傳遞給溫度較高物體的機械（或環(huán)境）傳遞給溫度較高物體的機械”。13熱泵定義的剖析與看法n把把“熱泵熱泵”理解為制冷機、制冷系統(tǒng)、裝置與機械，各不理解為制冷機、制冷系統(tǒng)、裝置與機械，各不相同。顯然熱泵不是制冷機，也不是制冷系統(tǒng)，而應該是相同。顯然熱泵不是制冷機，也不是制冷系統(tǒng)，而應該是一種裝置或稱為機械。熱泵概念的引出應從合理的使用高一種裝置或稱為機械。熱泵概念的引出應從合理的使用高位能的角度引出。位能的角度引出。n 制冷機可以作為熱

9、泵的工作機。因為制冷循環(huán)既制造了制冷機可以作為熱泵的工作機。因為制冷循環(huán)既制造了低于環(huán)境溫度的物質(zhì)，并從環(huán)境溫度下的物體中吸取熱量，低于環(huán)境溫度的物質(zhì)，并從環(huán)境溫度下的物體中吸取熱量，又制造了高于環(huán)境溫度的熱量，而獲得供熱效果，形成了又制造了高于環(huán)境溫度的熱量，而獲得供熱效果，形成了所謂的熱泵作用。所謂的熱泵作用。n把把“熱泵熱泵”理解為一種裝置或機械還不夠，而應明確是一理解為一種裝置或機械還不夠，而應明確是一種節(jié)能裝置或節(jié)能機械種節(jié)能裝置或節(jié)能機械 14熱泵的定義與內(nèi)涵n熱泵：熱泵： 是一種利用高位能使熱量從低位熱源流是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置。向高位熱源的節(jié)能裝

10、置。 顧名思義，熱泵也就是像泵那樣，可以把不能直接利用顧名思義，熱泵也就是像泵那樣，可以把不能直接利用的低位熱能的低位熱能( (如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽能、如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽能、工業(yè)廢熱等工業(yè)廢熱等) )轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，從而達到節(jié)轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，從而達到節(jié)約部分高位能（如煤、燃氣、油、電能等）的目的。約部分高位能（如煤、燃氣、油、電能等）的目的。15熱泵定義內(nèi)涵的理解：熱泵定義內(nèi)涵的理解：n 熱泵雖然需要消耗一定量的高位能，但熱泵雖然需要消耗一定量的高位能，但所供給用戶的熱量卻是消耗的高位熱能所供給用戶的熱量卻是消耗的高位熱能與吸取的低位熱能的總和

11、。因此，熱泵與吸取的低位熱能的總和。因此，熱泵是一種節(jié)能裝置。是一種節(jié)能裝置。16n 熱泵可設(shè)想如右圖所示的節(jié)熱泵可設(shè)想如右圖所示的節(jié)能裝置（或稱節(jié)能機械），能裝置（或稱節(jié)能機械），由動力機和工作機組成熱泵由動力機和工作機組成熱泵機組。利用高位能來推動動機組。利用高位能來推動動力機（如汽輪機、燃氣機、力機（如汽輪機、燃氣機、燃油機、電機等），然后在燃油機、電機等），然后在由動力機來驅(qū)動工作機（如由動力機來驅(qū)動工作機（如制冷機、噴射器）運轉(zhuǎn)，工制冷機、噴射器）運轉(zhuǎn)，工作機像泵一樣，把低位的熱作機像泵一樣，把低位的熱能輸送至高品位，以向用戶能輸送至高品位，以向用戶供熱。供熱。低位能環(huán)境溫度高于環(huán)境

12、溫度的熱源高位能動力機工作機17n熱泵既遵循熱力學第一定律，在熱量傳熱泵既遵循熱力學第一定律，在熱量傳遞與轉(zhuǎn)換的過程中，遵循著守恒的數(shù)量遞與轉(zhuǎn)換的過程中，遵循著守恒的數(shù)量關(guān)系；又遵循著熱力學第二定律，熱量關(guān)系；又遵循著熱力學第二定律，熱量不可能自發(fā)的、不付代價的、自動的從不可能自發(fā)的、不付代價的、自動的從低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體。在熱泵定義低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體。在熱泵定義中明確指出，熱泵是靠高位能拖動，迫中明確指出，熱泵是靠高位能拖動，迫使熱量由低溫物體傳遞給高溫物體。使熱量由低溫物體傳遞給高溫物體。182.3熱泵的基本工作原理熱泵的工作原理與制冷的原理相同，但它們工作的溫度范圍不同。圖中TA

13、是環(huán)境溫度，Te是低溫物體的溫度，Th是高溫物體的溫度。 按熱泵驅(qū)動功的型式，可把常見的熱泵分為多種形式：19機械壓縮式熱泵 20吸收式熱泵； 21蒸汽噴射式熱泵； 22帖爾帖熱泵（熱電熱泵 23吸附式熱泵24熱泵的制熱性能系數(shù)：熱泵的制熱性能系數(shù)：靜輸入的能量有效制熱量h靜輸入的能量有效制熱量h靜輸入的能量有效制熱量h25n機械壓縮式熱泵機械壓縮式熱泵 （理想情況，卡諾循環(huán)）理想情況，卡諾循環(huán)）1cLhhehTTTWQLhLccTTTWQ26n機械壓縮式熱泵機械壓縮式熱泵 （實際循環(huán)）實際循環(huán)）LhhhhTTT55. 055. 0國外研制的熱泵裝置，其制熱性能系國外研制的熱泵裝置，其制熱性能

14、系數(shù)一般為數(shù)一般為3 36 6之間。之間。 272.4熱泵的種類與形式熱泵可按多種特征進行分類熱泵可按多種特征進行分類n按低位熱源分：按低位熱源分：n按熱泵與供熱介質(zhì)的組合方式分按熱泵與供熱介質(zhì)的組合方式分 n按用途分按用途分 n按供熱溫度分按供熱溫度分n按熱泵循環(huán)的驅(qū)動方式分按熱泵循環(huán)的驅(qū)動方式分28按低位熱源分n空氣源熱泵空氣源熱泵n水源熱泵（地表水、地下水、生活廢水、水源熱泵（地表水、地下水、生活廢水、工業(yè)廢水）工業(yè)廢水）n土壤源熱泵土壤源熱泵n太陽能熱泵等太陽能熱泵等 29按熱泵與供熱介質(zhì)的組合方式分n空氣空氣/ /空氣熱泵空氣熱泵n空氣空氣/ /水熱泵水熱泵n水水/ /空氣熱泵空氣熱

15、泵n水水/ /水熱泵水熱泵n土壤土壤/ /空氣熱泵空氣熱泵n土壤土壤/ /水熱泵水熱泵 n 低溫熱源低溫熱源/ /熱媒：熱媒：30按用途分n小型水加熱器美國小型水加熱器美國 19881988年已運行的熱泵熱水器達年已運行的熱泵熱水器達200200多萬臺多萬臺。n全年運行的空調(diào)和采暖熱泵全年運行的空調(diào)和采暖熱泵 n同時供熱供冷熱泵同時供熱供冷熱泵n同時供熱供冷熱泵同時供熱供冷熱泵n廢熱利用熱泵廢熱利用熱泵n蒸氣壓縮機及蒸餾裝置蒸氣壓縮機及蒸餾裝置31裝置的用途裝置的用途用熱用熱用冷用冷魚類加工廠魚類加工廠清洗用溫水清洗用溫水制冷制冷肉類加工廠肉類加工廠清洗用溫水清洗用溫水冷卻和制冷冷卻和制冷農(nóng)舍

16、農(nóng)舍清洗機器和清潔用溫水清洗機器和清潔用溫水牛奶冷卻、空調(diào)用冷牛奶冷卻、空調(diào)用冷乳品廠乳品廠清洗用溫水清洗用溫水牛奶冷卻、儲存室冷卻牛奶冷卻、儲存室冷卻屠宰場屠宰場清洗用溫水清洗用溫水冷藏庫及速凍間冷藏庫及速凍間溜冰場溜冰場采暖、游泳池采暖、游泳池冰場制冷冰場制冷大型冷庫大型冷庫供熱、出售熱量供熱、出售熱量冷藏間冷藏間啤酒廠啤酒廠溫水溫水啤酒窖及麥芽汁冷卻啤酒窖及麥芽汁冷卻工業(yè)能源中心工業(yè)能源中心溫水和熱水溫水和熱水冷鹽水、冰、冰水冷鹽水、冰、冰水同時供熱供冷熱泵同時供熱供冷熱泵32裝置用途裝置用途用熱用熱廢熱來源廢熱來源洗衣房洗衣房熱水熱水廢水廢水旅館、醫(yī)院旅館、醫(yī)院溫水溫水廢水廢水印染和其

17、他紡織工業(yè)印染和其他紡織工業(yè)熱水、熱堿水熱水、熱堿水廢水廢水造紙和其他加工工業(yè)造紙和其他加工工業(yè)熱水、干燥過程熱水、干燥過程排氣、廢水排氣、廢水麥芽作坊麥芽作坊干燥室干燥室蒸氣蒸氣農(nóng)用空調(diào)裝置農(nóng)用空調(diào)裝置采暖、熱水采暖、熱水馬棚、孵化室等馬棚、孵化室等香蕉催熟裝置香蕉催熟裝置催熟間催熟間冷藏室冷藏室干燥裝置干燥裝置干燥空氣干燥空氣排氣、排出的空氣去濕排氣、排出的空氣去濕廢熱利用熱泵33 按供熱溫度分n低溫熱泵，供熱溫度低溫熱泵，供熱溫度100100n高溫熱泵，供熱溫度高溫熱泵，供熱溫度100100 按熱泵循環(huán)的驅(qū)動方式分n電動機驅(qū)動電動機驅(qū)動電動熱泵；電動熱泵；n熱力驅(qū)動熱泵熱力驅(qū)動熱泵熱能驅(qū)

18、動，如吸收式熱熱能驅(qū)動，如吸收式熱泵、蒸氣噴射式熱泵；發(fā)動機驅(qū)動（內(nèi)泵、蒸氣噴射式熱泵；發(fā)動機驅(qū)動（內(nèi)燃機、氣輪機、燃氣機等）燃機、氣輪機、燃氣機等）。34 常見閉式蒸汽壓縮循環(huán)熱泵 圖示圖示3536373839404142432.5 熱泵的評價n在暖通空調(diào)工程中采用熱泵節(jié)能的經(jīng)濟在暖通空調(diào)工程中采用熱泵節(jié)能的經(jīng)濟評價問題十分復雜，影響因素很多，其評價問題十分復雜，影響因素很多，其中主要有中主要有負荷特性、負荷特性、系統(tǒng)特性、地區(qū)氣系統(tǒng)特性、地區(qū)氣候特性、低位熱源特性、設(shè)備價格、設(shè)候特性、低位熱源特性、設(shè)備價格、設(shè)備使用壽命、燃料價格、電力價格備使用壽命、燃料價格、電力價格等等。n但總的原則圍繞著兩方面，但總的原則圍繞著兩方面， 即即節(jié)能效果節(jié)能效果和和經(jīng)濟效益經(jīng)濟效益。 44幾個評價指標n熱泵的制熱性能系數(shù)熱泵的制熱性能系數(shù)11eeechWQWWQWQGB/T7725-1996GB/T7725-1996標準中規(guī)定，制熱性標準中規(guī)定，制熱性能系數(shù)中消耗的功率應為有