第一章：導論與基礎

熱泵技術及其應用2015.03.28§1-1能源與環境第一節能源與環境§1-1能源與環境1.1.1

能源的開發和利用1.1.1.1、能源與環境污染問題能源消耗的急劇增加將導致環境的嚴重污染，因此，一方面要充分利用能源（提高能源利用率）以減少對環境的污染；另一方面，要尋找無公害的新能源。§1-1能源與環境1.1.1.2、能源的消耗及未來能源§1-1能源與環境世界近30年內的能耗圖§1-1能源與環境中國近30年總能耗§1-1能源與環境2010年世界能耗前10國家排名§1-1能源與環境1.1.1.2、能源的消耗及未來新能源說明：目前世界能源消耗主要還是來自不可再生能源，但是地球上的資源越來越少，環境為題越來越嚴重，這促使對新能源的開發和利用迫在眉睫。新能源的種類：太陽能、核能（核裂變及核變）、生物能、風能、潮汐能、地熱能等。§1-1能源與環境1.1.1.3、能源利用與環境保護說明：限制和減少化石燃料燃燒產生的CO2等溫室氣體的排放，是保護環境的重要措施，采用熱泵技術是最有效手段之一。§1-1能源與環境1.1.2

能源的節約問題1.1.2.1

能源利用率說明：我國單位產量的能耗高以及能源利用率低。1.1.2.2節能的重要性強調：對環境的影響（如大氣污染對人類健康的影響及溫室氣體對地球生態環境的影響）§1-1能源與環境1.1.2.3熱泵節能的方法和意義

能回收和利用低位熱能，充分利用大量廢棄的低溫余熱資源。即能量二次利用。

同時，可以提高一次能源的利用效率。

§1-1能源與環境

注意：我國國內各部門的余熱資源情況§1-1能源與環境

所以，研究和推廣應用熱泵技術對于約能量、提高經濟效益以及保護環境有重要意義。§1-2熱泵的低位熱源第二節熱泵的低位熱源§1-2熱泵的低位熱源1.2.1能源的品位（能質）

能源所含有用成分的百分率越高則品位越高。1.2.1.1高品位能（高位能）

在理論上可以完全轉化為功的能量，又稱高質量能，如電能、機械能、化學能、高位的水力和風力、高溫的物質等。§1-2熱泵的低位熱源1.2.1.2低品位能（低位能）

不能全部而只能部分轉化為功的量，又稱低質量能，如物質的內能、低溫的物質等。§1-2熱泵的低位熱源1.2.1.3高位熱源

指溫度較高而能直接應用的熱源，如蒸汽、熱水、燃氣以及燃料化學能、生物能。1.2.1.4低位熱源

指無價值、不能直接應用的熱源，如環境空氣、水、地熱(土壤熱)、太陽能、廢熱、余熱。§1-2熱泵的低位熱源說明：

能量的質量高低表示作功的能力大小，如高位能變為低位能，表明能量作功能力變小，質量降低或貶值。§1-2熱泵的低位熱源1.2.2熱泵對低位熱源的要求熱源的載熱劑應盡量潔凈、無雜質熱源與系列化的熱泵產品應匹配沒有任何附加費用或僅有極少的附加費用輸送熱量的載熱（冷）劑的動力消耗要盡可能小載熱（冷）劑對金屬材料應無（或盡量小）腐蝕作用熱源溫度的時間特性和供熱的時間特性應盡量一致注意：要有足夠的數量和較高的品位§1-2熱泵的低位熱源1.2.3待研究和探討的問題熱源的蓄熱問題（蓄熱裝置可減小熱泵裝置的容量，使熱泵能經常在高效率下運行）低溫熱源與輔助熱源的匹配問題研究土壤、空氣、水、太陽能和蓄熱等的綜合利用問題§1-2熱泵的低位熱源1.2.4熱泵的低位熱源1.2.4.1空氣源的優缺點取之不盡、用之不竭，可無償地獲取，安裝使用方便熱泵的容量和制熱性能系數受室外空氣的狀態參數（如溫度和相對濕度）影響大，容易造成熱泵供熱量與建筑物耗熱量之間的供需矛盾。冬季室外溫度很低時，室外換熱器表面容易結霜，導致熱泵制熱性能系數和可靠性降低，甚至無法正常供熱。需要較大的空氣循環量（空氣的熱容量較小），因此，風機的容量也相應增大，運行費用和噪音大大增加。§1-2熱泵的低位熱源注意：

使用空氣源時，一定注意當地的氣候條件，我國疆域遼闊，氣候涵蓋了寒、濕、熱帶。在進行空氣源熱泵的設計和計算時，各地區有顯著不同。

關于氣候的區域劃分，請參考《建筑氣候區劃標準》（GB_50178—93）§1-2熱泵的低位熱源1.2.4.2水源的優缺點一、水源優缺點水的熱容量大，傳熱性能好，換熱設備結構緊湊。水溫較穩定，故熱泵運行工況也較穩定可使用地表水（河水、湖水、海水），地下水（深井水、泉水、地熱水等），生活廢水和工業用水（工業冷卻水、生產工藝排放的廢溫水、污水等），來源廣闊。必須靠近水源，應設有蓄水裝置對水質有一定的要求（潔凈度、防腐蝕等問題）§1-2熱泵的低位熱源二、地下水介紹優點：無論是深井水還是地熱水，都是熱泵良好的低位熱源。地下水位于較深的地方，隨季節氣溫的波動很小；特別是深井水的水溫常年基本不變，對熱泵的運行十分有利。§1-2熱泵的低位熱源注意：我國地下水分布的不均勻性含水層的滲透性地下水的溫度地下水的水質我國地下水超采現象嚴重，已引起一些地質災害問題總之地下水不是取之不盡，用之不竭的，一定不要過度開采，為子孫后代留著點！！！！§1-2熱泵的低位熱源深井回灌技術介紹：夏灌冬用：把夏季溫度較高的江河水，或經熱泵冷凝器使用后的冷卻水、太陽能集熱器加熱后的水通過深井管回灌到地下含水層中儲存起來，冬季再從深井中將水抽出作為熱泵的熱源。冬灌夏用：把冬季溫度較低的江河水，或經熱泵蒸發器冷卻后的深井水以及蒸發冷卻的水回灌到地下含水層中儲存起來，到夏季再抽出作為空調的冷源。把大地作為一個保溫水箱！！！§1-2熱泵的低位熱源三、地表水介紹包括江、河、湖、海的水源，要求冬季不結冰。1、地表水的特點江河水流量變化大河流水溫的變化小河流含沙量大河流天然水質差異明顯§1-2熱泵的低位熱源2、海水源的特殊性

近海域海水水溫會因地、因時而異，同時海洋水溫也會隨著其深度的不同而異海水含鹽量高，腐蝕性強海洋生物會造成取水構筑物、管道和設的堵塞，并不易清除

海水取水構筑物在設計時，應充分注意到潮汐和海浪的影響

取水口應避開泥沙可能淤積的地方，最好設在巖石海岸、海灣或防波堤內

§1-2熱泵的低位熱源四、生活廢水介紹說明：生活廢水量大面廣，作為熱泵的低位熱源，可使熱泵具有較高的制熱性能系數。城市污水是很好的熱源，在整個采暖季內，溫度比較穩定。現代化城市的污水處理設施十分完善，每天排放的大量污水經初步凈化后，是水源熱泵理想的低位熱源。存在的問題：如何貯存足夠量的水以應付供熱負荷的波動，以及如何保持換熱器表面的清潔和防止水的腐蝕。§1-2熱泵的低位熱源五、工業廢水介紹說明：工業廢溫水形式很多，數量可觀，利用價值很大。有的溫度較高，可作為高溫熱源直接使用；而有的溫度較低，則可作為低溫熱源使用。§1-2熱泵的低位熱源1.2.4.4土壤熱源的優缺點全年地溫波動小，冬季土壤溫度比空氣溫度高，熱泵的制熱性能系數較高。埋地盤管不需要除霜在采暖季節，當室外氣溫最低時（此時采暖需熱量最大）。土壤的溫度并不是最低，所以，熱泵的供熱能力也不會降到最低。§1-2熱泵的低位熱源埋地盤管冬季從土壤中取出的熱量，在夏季可通過熱傳導由地面補充。因此，土壤同時也起了蓄能的作用土壤的導熱系數小，工質與土壤之間的熱交換強度小，需要增大換熱面積，金屬耗量大土壤對埋地盤管有腐蝕作用，應進行防腐蝕處理在運轉過程中因采熱而引起地溫發生變化，地溫變化又造成土壤源熱泵蒸發溫度的變化，使運行工況不穩定§1-2熱泵的低位熱源§1-2熱泵的低位熱源1.2.4.5太陽能的優缺點介紹一、太陽能的優缺點太陽能是地球上一切能源的主要來源，是取之不盡、無公害、環保和潔凈的能源。太陽輻射熱具有很大的不穩定性。因此，要利用太陽能，必須要解決太陽能的間歇性和不可靠性問題。§1-2熱泵的低位熱源集熱器是太陽能供熱、制冷中最重要的組成部分，其性能與成本對整個系統起決定性作用。高、中溫平板集熱器和聚光型集熱器價格昂貴，是直接利用太陽能供熱的極大障礙。熱泵裝置可采用結構簡單的低溫平板集熱器，其集熱器效率較高，且成本較低，常與建筑物做成一體，是利用太陽能的較好的方案。熱泵上可不設除霜裝置。§1-2熱泵的低位熱源二、太陽能的蓄熱說明：為了解決太陽能利用的間歇性和不可靠性問題，太陽能熱泵系統應設蓄熱裝置。（卵石床蓄熱）強調：

太陽能熱泵雖然在經濟性方面存在問題較大，但是從能源的現狀和未來新能源開發的趨勢看，它作為熱泵熱源的發展前景是廣闊的。§1-2熱泵的低位熱源暖石床卵石床蓄熱1-集熱器2-蒸發器3-風機4-進蓄熱器的空氣5-離開蓄熱器的空氣6-空氣分配器7-保溫8-卵石§1-3能源的合理利用第三節能源的合理利用§1-3能源的合理利用任何用能過程是能的量與質的利用過程。要使熱能得到合理利用，必須合理使用高位能，必須按質用能。量的守恒性和質的衰減性。§1-3能源的合理利用說明：

所謂的“節約能量”之說，嚴格而言是不十分確切的。因為僅僅節約了高位能，利用了很大部分低位熱能，也就是說，能量是守恒的。

熱泵也僅僅是一種泵熱的裝置，不產生能量，而是利用少量高位能和大量低位能。一切能量使用到最后，都成廢熱傳遞給環境了，雖然它在數量上看是守恒的，但質量上已經越來越不中用，最后降級到無用。所以，要把能量貶值作為重要的問題來對待。§1-4熱泵技術第四節熱泵技術§1-4熱泵技術1.4.1熱泵的定義靠高位能拖動，迫使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置，稱為熱泵（又稱“溫度升高器”）。§1-4熱泵技術低位能環境溫度高于環境溫度的熱源高位能動力機工作機（如汽輪機、燃氣機、燃油機、電機等）（如制冷機、噴射器）§1-4熱泵技術熱泵也就是像泵那樣，可以把不能直接利用的低位熱能(如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽能、工業廢熱等)轉換為可以利用的高位熱能，從而達到節約部分高位能（如煤、燃氣、油、電能等）的目的。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與吸取的低位熱能的總和。因此，熱泵是一種節能(高位能)裝置。§1-4熱泵技術1.4.2熱泵的驅動能源

目前，絕大多數熱泵都是由電能驅動。除此之外，熱泵還可以利用石油、天然氣的燃燒以及蒸汽或熱水來驅動，故稱為熱驅動熱泵。電能是屬于二次能源范疇，而煤、石油天然氣等屬于一次能源范疇。因此熱泵的驅動能源不同時，必須用一次能源利用率來評價熱泵的效率。§1-4熱泵技術1.4.3熱泵的驅動裝置

一、電動機(普遍形式)

電動機是一種方便可靠、技術成熟和價格較低的原動機。家用熱泵均采用單相電機，中大型熱泵一般采用三相電動機。后者效率高，如果采用變頻電機，更節能。

將電動機和壓縮機裝在一個殼體里面，做成全密封式壓縮機，可以提高熱泵裝置運行的安全性。§1-4熱泵技術二、燃料發動機

燃料發動機按熱機工作原理不同，有內燃機和燃氣輪機兩種。其效率在百分之三十左右，當電力短缺而有燃料時，使用燃料發動機對城市的能源平衡有著積極的意義。§1-4熱泵技術三、燃燒器

燃燒器是熱驅動熱泵達到良好使用性能的最重要器件。燃燒器由燃料噴嘴、調風器、火焰檢測器、程序控制器、自動點火裝置、穩焰裝置、風機、燃氣閥等組成。由程序控制器控制燃燒器的整個工作過程。

液體、氣體燃料的主要成分是烴類。§1-4熱泵技術1.4.4熱泵的蓄熱

一、蓄熱的意義

原因：由于有些熱泵低溫熱源的溫度和能量是變化的（如空氣源的溫度、太陽能的輻射強度等），所以，熱泵的制熱量將隨之而變，同時需熱量也不均衡。因此，供需之間總存在不一致的矛盾。設置：解決該問題比較節能的方法是在系統內設置蓄熱器，當熱泵制熱量供過于求時，將多余的熱量儲存起來，反之，供不應求時把熱量釋放出來使用。

§1-4熱泵技術

二、蓄熱的優點

①蓄熱器儲存低峰負荷時的熱能，并提供給高峰負荷時使用。使熱泵裝置在高效下運行，既提高熱泵裝置的利用率，又減少設備的能量消耗。②由于設備容量減小，減小了設備費和基建投資。③電動熱泵中蓄熱還有調節電負荷的作用，可平衡電量的高峰及低峰負荷，實現削峰平谷。④彌補低位熱源的不可靠性和間歇性。

§1-4熱泵技術三、蓄熱材料1、單相蓄熱材料利用材料的溫度變化儲存顯熱，如水、巖石、土壤等。要求比熱大、密度大、有良好的熱穩定性、不燃不爆、無毒無腐蝕性、價廉易得。說明：水是一種良好的單相蓄熱材料。

§1-4熱泵技術2、相變蓄熱材料利用材料的相變儲存潛熱，如冰、石蠟等為常用相變蓄熱材料。相變：物質從一種相轉變為另一種相的過程。物質系統中物理、化學性質完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為相。與固、液、氣三態對應，物質有固相、液相、氣相。

§1-4熱泵技術3、蓄熱器用于儲存低溫熱源能量的熱容器主要有巖石蓄熱器、蓄熱水槽等§1-4熱泵技術巖石蓄熱器§1-4熱泵技術1.4.5熱泵的經濟性分析一、額外投資回收年限法熱泵常用的技術經濟比較方法是額外投資回收年限法一般情況下，回收年限為3~5年。

§1-4熱泵技術二、能耗費用對比§1-4熱泵技術1.4.6熱泵的優點節能

熱效率高，運行費用低環保

無廢熱、廢水、廢氣適用

環境溫度要求不高§1-4熱泵技術節能熱泵的制熱性能系數制熱的效率，不受能量轉換效率(100%為其極限)的制約，而是受到逆向卡諾循環效率的制約，這就是其制熱系數可以達到300～500%甚至更高的原因。§1-4熱泵技術環保無廢熱、廢水、廢氣而且能回收利用廢水、廢氣等中的廢熱§1-4熱泵技術適用一般的傳熱工質常壓下其沸點為-41℃，凝固點為-100℃實際運行中，壓縮機將工質的壓力和溫度升高，在絕對壓力0.25Mpa下，主機中傳熱工質的蒸發溫度在零下20℃左右因此適用溫度范圍很廣§1-4熱泵技術1.4.8熱泵的分類及應用按常用的供熱介質分類：空氣源熱泵水源熱泵土壤源熱泵太陽能熱源熱泵§1-4熱泵技術按用途分類：小型熱水器大型的集中采暖熱泵同時供熱供冷熱泵廢熱利用熱泵§1-4熱泵技術小型熱水器

熱效率400%以上,運行費用是電熱水器的1/4，比太陽能低40%。空氣源熱泵熱水器經歷了幾年的起步階段后，已經步入快速成長時期。據《中央空調市場》雜志市場調研顯示，2008年上半年，空氣源熱泵熱水器市場呈現持續快速增長的態勢。2007年熱泵熱水器行業的總銷售額約為7億元，2008年全年銷售額有望突破12億元，增長幅度超過70%，市場前景相當廣闊。§1-4熱泵技術大型的集中采暖熱泵§1-4熱泵技術同時供熱供冷熱泵裝置的用途用熱用冷魚類加工廠清洗用溫水制冷肉類加工廠清洗用溫水冷卻和制冷農舍清洗機器和清潔用溫水牛奶冷卻、空調用冷乳品廠清洗用溫水牛奶冷卻、儲存室冷卻屠宰場清洗用溫水冷藏庫及速凍間溜冰場采暖、游泳池冰場制冷大型冷庫供熱、出售熱量冷藏間啤酒廠溫水啤酒窖及麥芽汁冷卻工業能源中心溫水和熱水冷鹽水、冰、冰水§1-4熱泵技術廢熱利用熱泵裝置用途用熱廢熱來源洗衣房熱水廢水旅館、醫院溫水廢水印染和其他紡織工業熱水、熱堿水廢水造紙和其他加工工業熱水、干燥過程排氣、廢水麥芽作坊干燥室蒸氣農用空調裝置采暖、熱水馬棚、孵化室等香蕉催熟裝置催熟間冷藏室干燥裝置干燥空氣排氣、排出的空氣去濕§1-4熱泵技術1755年，愛丁堡的化學教授WilliamCullen利用乙醚使水結冰。他的學生Black從本質上解釋了融化和氣化現象，導出了潛熱的概念，并發明了冰量熱器。標志著現代制冷技術的開始。1834年，美國人Perkins造出了第一臺以乙醚為工質的壓縮式制冷機。1.4.7熱泵的發展史§1-4熱泵技術熱泵的工作原理雖然與制冷機相同，但熱泵的發展卻遠不如制冷機順利。在很長的一段時間內，熱泵的歷史幾乎是空白。1852年，W.Thomson教授發表論文指出：制冷劑也可以用于供熱。第一個提出了正式的熱泵系統，當時稱為“熱量倍增器”。§1-4熱泵技術1930年，Haldane報道了他1927年在蘇格蘭安裝與試用的家用熱泵，其工質為氨，用空氣作熱源，供室內采暖及熱水之用。1938年~1939年，瑞士蘇黎世議會大廈安裝了歐洲第一個大型熱泵采暖裝置，以河水為熱源，輸出熱量達175Kw。§1-4熱泵技術20世紀40年代到50年代早期，熱泵工業得到迅速發展，家用熱泵和工業建筑用的熱泵開始進入市場，熱泵進入了早期發展階段。20世紀70年代能源危機以來，熱泵工業進入了黃金時期，世界各國對熱泵的研究工作都十分重視，諸如國際能源機構和歐洲共同體，都制定了大型熱泵發展計劃，熱泵新技術層出不窮，熱泵的用途也在不斷的開拓，在能源的節約和環境保護方面起著重大的作用。§1-4熱泵技術21世紀，隨著“能源危機”的再度出現和人們環保節能意識的增強，經過改進發展成熟的熱泵以其高效回收低溫環境熱能，節能環保的特點，進一步引起了人們的廣泛關注。§1-4熱泵技術

我國熱泵的發展概況：我國熱泵工業相對于世界上工業發達國家來說，有一段明顯的滯后期。1950年代初，天津大學的一些學者最早開始從事熱泵的研究。1965年上海電冰箱廠研制成我國第一臺制熱量3720w的熱泵型窗式空調器，但因換向閥的工