熱泵技術(shù)完整版本

熱泵技術(shù)(一)熱泵技術(shù)

1、將熱量從低溫環(huán)境傳送到高溫環(huán)境

我們都知道，在自然狀態(tài)下，我們不能將外部寒冷環(huán)境中的熱量帶到更加溫暖的室內(nèi)環(huán)境中。同時(shí)我們也知道，科技的發(fā)展則是通過理論及相關(guān)設(shè)備將自然狀態(tài)下不可能發(fā)生的事情實(shí)現(xiàn)。而這項(xiàng)將熱量從冷環(huán)境傳送到熱環(huán)境的技術(shù)已存有150多年了。這項(xiàng)技術(shù)至今廣泛運(yùn)用于制冷設(shè)備的生產(chǎn)：即把熱量通過制冷劑散發(fā)到外部更高溫度的環(huán)境中去的設(shè)備。同樣，這項(xiàng)技術(shù)也可運(yùn)用于制熱：即將外部環(huán)境中的熱量傳送到室內(nèi)進(jìn)行制熱而無需燃燒燃料來產(chǎn)生熱量。

2、如何使用熱空氣進(jìn)行室內(nèi)制冷

圖例分為以下三個(gè)部分

步驟1—獲取熱空氣我們假設(shè)將35℃的熱空氣封閉到一個(gè)帶可運(yùn)動(dòng)活塞的圓柱體內(nèi)。

步驟2—膨脹我們?cè)O(shè)法將此空氣膨脹，比如膨脹為原體積的1.2倍。這樣則會(huì)造成空氣溫度的降低，因?yàn)椋?/p>

－空氣膨脹后，初始狀態(tài)時(shí)存在的熱量散發(fā)給更大容積的空氣。

－用于膨脹的能量從圓柱體內(nèi)空氣中提?。黧w學(xué)理論）。

在此假設(shè)的膨脹容積下，空氣溫度從35℃下降到了13.3℃。

步驟3—制冷

我們把這個(gè)空氣溫度為13.3℃的圓柱體轉(zhuǎn)移到溫度為26℃的室內(nèi)。圓柱體內(nèi)的空氣則可以進(jìn)行室內(nèi)制冷。此圖例說明了可以將更高溫度的空氣膨脹并轉(zhuǎn)移，然后進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境的制冷。

熱空氣制冷原理圖

3、如何使用冷空氣進(jìn)行室內(nèi)制熱

圖例分為以下三個(gè)部分

步驟1—獲取冷空氣我們假設(shè)將10℃的冷空氣封閉到一個(gè)帶有可運(yùn)動(dòng)活塞的圓柱體內(nèi)。

步驟2—壓縮我們將此空氣壓縮，使其容積減少20%，這樣則會(huì)造成其溫度升高，因?yàn)椋?/p>

—空氣壓縮后，初始狀態(tài)時(shí)存在的熱量加熱更小容積的空氣。

—用于壓縮空氣的能量傳送到圓柱體內(nèi)的空氣中（流體學(xué)理論）。

在此假設(shè)的壓縮體積下，空氣溫度由10℃上升到了36.4℃

步驟3—制熱我們把這個(gè)空氣溫度為36.4℃的圓柱體轉(zhuǎn)移到溫度為20℃的室內(nèi)，圓柱體內(nèi)的空氣則可進(jìn)行室內(nèi)的制熱。

此圖例說明了可以將更低溫度的空氣進(jìn)行壓縮并轉(zhuǎn)移然后用于室內(nèi)的環(huán)境制熱。

冷空氣制熱原理

4、將熱量從低溫傳送到高溫的設(shè)備

能夠?qū)崃繌牡蜏丨h(huán)境傳送到高溫環(huán)境的設(shè)備有很多種，每種之間的物理及化學(xué)過程不一。然而市場上最為普通的設(shè)備則是利用前面所講述的兩種現(xiàn)象。這些設(shè)備的核心原理是一個(gè)封閉循環(huán)的回路，其中的介質(zhì)被稱為冷媒或制冷劑，它在此循環(huán)回路中被連續(xù)地壓縮和膨脹。在每次被壓縮和膨脹時(shí)（即每一輪工作狀態(tài)），制冷劑將熱量從低溫環(huán)境中‘抽取’并傳送到高溫環(huán)境中?？諝獠⑽醋鳛槔涿绞褂?，盡管它不會(huì)造成污染且無成本。因?yàn)槠涿枯喒ぷ鳡顟B(tài)的熱效率相當(dāng)?shù)?。?shí)際使用的冷媒是能夠在吸收熱量時(shí)蒸發(fā)，散發(fā)熱量時(shí)冷凝的液體。液體形態(tài)的改變過程能夠在每一輪工作循環(huán)中極大地提高熱效率。將循環(huán)方式調(diào)轉(zhuǎn)，這類設(shè)備即可用于供熱也可用于制冷。

制冷劑：最早的制冷機(jī)器采用氨作為制冷劑，由于其毒性和腐蝕性強(qiáng)，已不再作為制冷劑使用。很多年以來，氟里昂一直作為制冷劑使用，但由于它會(huì)破壞臭氧層從而危害地球的生態(tài)環(huán)境已被禁止使用。目前使用最多的制冷劑為HCFC（含氫氯氟烷烴）。對(duì)于新型制冷劑的研究一直在進(jìn)行中。目的是盡量減少對(duì)環(huán)境的污染同時(shí)提高其熱效率。

5、熱泵的主要構(gòu)成組件

6、熱泵及其系統(tǒng)的性能

（1）熱泵的瞬時(shí)特性：只與壓縮機(jī)有關(guān)的效率系數(shù)，它指熱泵輸出熱量與壓縮機(jī)所消耗電量之間的關(guān)系。

實(shí)際上，它指壓縮機(jī)消耗1kW電量所能獲得的熱量。比如說ε＝4，那么則指1kW的耗電量下可獲取4kW的熱量。ε值主要取決于冷源與供熱溫度之間的溫差：溫差越小，ε值越大，即熱泵效率越高。很明顯，將熱量從10℃的環(huán)境中傳送到30℃的供熱介質(zhì)中遠(yuǎn)比傳送到50℃的供熱介質(zhì)更加容易。

（2）與壓縮機(jī)及相關(guān)設(shè)備關(guān)聯(lián)的效率系統(tǒng)COP此效率系數(shù)（由EN255標(biāo)準(zhǔn)定義）指熱泵的輸出熱量與熱泵的壓縮機(jī)及其它元件所消耗電量之間的關(guān)系。

COP與ε系數(shù)注解：ε值與COP值均由熱泵廠家提供，某些廠家只提供其中一項(xiàng)，并且對(duì)于有效熱能和所需能耗的關(guān)系較為含糊。下圖為一個(gè)水/水換熱型熱泵的COP數(shù)據(jù)關(guān)系，

為防止廠家之間數(shù)據(jù)誤導(dǎo)不正常的競爭，很多歐洲廠家均采用第三方獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)。

7、熱泵系統(tǒng)的年均性能系數(shù)

這類系數(shù)被命名為COPA，即COP的年平均值。它指一年之內(nèi)的有效供熱量與系統(tǒng)運(yùn)行總共耗電量之間的關(guān)系。

此系數(shù)不僅與熱泵本身的性能相關(guān)，還與熱量的分配及調(diào)節(jié)性能密不可分。這個(gè)系數(shù)對(duì)于計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)重要。

當(dāng)然，要確定這個(gè)年均性能系數(shù)并不容易，它受很多因素的影響，比如

—冷源溫度的變化。

—系統(tǒng)的分布及末端的種類。

—系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式。

—熱泵的調(diào)節(jié)方式。

8、可利用的冷熱源

熱泵的冷媒吸熱端可使用多種不同的冷熱源。如何選擇合適的冷熱源主要參考以下各因素：

—外部環(huán)境特征。

—相關(guān)法規(guī)的約束情況。

—所需工作特性。

—系統(tǒng)造價(jià)?！顿Y款最快回收期限。

以下我們對(duì)常用的幾種冷熱源及其特性進(jìn)行介紹

（1）空氣源空氣源既可是室外空氣也可是室內(nèi)交換空氣。室外空氣：特點(diǎn)是隨時(shí)隨地可取，無需特殊的獲取設(shè)備，無需專業(yè)機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)。但是當(dāng)室外空氣溫度低于5-6℃時(shí)，熱泵效率明顯降低，這時(shí)需要輔助加熱系統(tǒng)。室內(nèi)交換空氣（通常在20℃左右）；沒有上述室外空氣的缺點(diǎn)，但空氣量較小。

（2）表層水源表層水源包含：海水，湖泊，運(yùn)河，水塘，這些都可作為冷熱源使用。值得考慮的是，在非常寒冷的季節(jié)，某些冷熱源溫度很低且會(huì)結(jié)冰。同空氣源一樣，它們?cè)跍囟冗^低的情況下也同樣需要輔助加熱系統(tǒng)。

（3）地源地面下有大量儲(chǔ)存的熱量，它們來源于太陽能和地?zé)崮?，太陽能的能源大多?chǔ)存在地下淺層，而地?zé)崮軇t儲(chǔ)存在更深層。地下的熱源可通過以下幾種方式利用：

潛水含水層。

橫式盤管：使用塑料盤管吸取地板下淺層熱量。

豎式盤管：使用塑料盤管深入地下100-200米吸取熱量。

樁埋管：將U型管換熱器埋于建筑物混凝土樁基中。

9、可使用熱泵的供熱系統(tǒng)

冷源與供水溫度的差值越小，熱泵的效率則更高。因此熱泵更適合于低溫采暖方式。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，

常見的采暖方式有以下的優(yōu)缺點(diǎn)：

(1)輻射地板采暖系統(tǒng)輻射地板采暖系統(tǒng)因?yàn)槠涞蜏毓┡姆绞?，非常適合使用熱泵為熱源。當(dāng)然，將供水溫度盡量降低會(huì)更加適合，這可以通過使用較小的布管間距（比如10-15mm）來實(shí)現(xiàn)。

(2)散熱器采暖系統(tǒng)當(dāng)無法使用地板采暖系統(tǒng)時(shí)，比如已建房屋或特殊的歷史性建筑，可使用散熱器采暖系統(tǒng)。散熱器采暖系統(tǒng)最大的局限性在于由于使用低溫供水，散熱器盡寸會(huì)比通常尺寸大很多。比如說，一個(gè)在80℃時(shí)能輸出1,000kcal/h熱量的散熱器，在45℃時(shí)只能輸出320kcal/h的熱量。這樣則會(huì)造成散熱器設(shè)計(jì)片數(shù)增加。另外一個(gè)局限性則是無法使用散熱器制冷

(3)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)主要適合于公共建筑如飯店、辦公樓、醫(yī)院等場所。使用熱泵為熱源的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)需要選擇在低溫供水（40-45℃）下能正常工作的風(fēng)機(jī)盤管。另外，如果是安裝在臥室內(nèi)則需要使用噪音很小的風(fēng)機(jī)。

(4)風(fēng)道系統(tǒng)可以使用空氣/空氣或水/空氣型熱泵作為熱源。使用空氣/空氣熱泵的系統(tǒng)由熱泵直接供給風(fēng)道熱量。使用水/空氣熱泵的系統(tǒng)由熱泵將熱量提供給空氣處理單元。

10.使用熱泵供熱及制冷

熱泵不僅可用于供熱，同時(shí)也可用于制冷。制冷方式可使用可轉(zhuǎn)換型熱泵或直供系統(tǒng)：即直接使用冷源供應(yīng)的系統(tǒng)。

（1）可轉(zhuǎn)換型熱泵：這類熱泵可以轉(zhuǎn)換冷媒介質(zhì)的循環(huán)方向，也就是熱量的換熱方向。它因此既可用于制熱也可用于制冷。循環(huán)的方向通過以下元件進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

—壓縮機(jī)前端的四通切換閥。

—冷媒膨脹段的三通切換閥。

—第二個(gè)膨脹閥。

這些元件按以下方式運(yùn)行：

供熱循環(huán)方式：三通、四通切換閥按供暖循環(huán)方式的方向打開，這種方式下，冷媒從冷源中吸取熱量并傳送到供熱媒體。

制冷循環(huán)方式：三通四通切換閥按制冷循環(huán)方式的方向打開（壓縮機(jī)的循環(huán)方向保持不變），此方式與供暖循環(huán)方式相反。這種方式下，冷媒將制冷系統(tǒng)的熱量吸取并散發(fā)到外部熱源。

（2）直接制冷方式直接制冷方式利用室外冷源（比如地?zé)峄虮韺铀┰谙募緯r(shí)的低溫水作為介質(zhì)進(jìn)行制冷。下面是兩個(gè)直接使用冷熱源進(jìn)行供熱和制冷的圖示；

制熱模式閥門A將冷熱源轉(zhuǎn)換到熱泵，閥門B將熱泵朝向系統(tǒng)端打開。

制冷模式閥門A將冷源轉(zhuǎn)換到換熱器，閥門B關(guān)閉熱泵端，打開換熱器與系統(tǒng)連接端。很顯然，在這種模式下，需要使用相應(yīng)的調(diào)節(jié)及除濕系統(tǒng)。

11、熱泵可輸出的最高供水溫度

民用的熱泵根據(jù)出水溫度分為兩類：第一類可以達(dá)到最高水溫55℃，第二類65℃.

最高水溫＝55℃：目前市場上的大多數(shù)熱泵都能達(dá)到這個(gè)溫度，這主要是由冷媒的物理和化學(xué)特性所決定的。對(duì)于使用低溫輻射地板采暖的系統(tǒng)，以及生活熱水低于48℃-50℃的系統(tǒng)，這不會(huì)有任何問題。而對(duì)于使用高中溫供暖水的系統(tǒng)（除非使用其它輔助供熱設(shè)施），此水溫上限則有其局限性。同樣，對(duì)于生活熱水水溫要求較高（52℃-53℃）的系統(tǒng)，比如公用建筑的廚房、洗衣房或者是需要高溫?zé)崴畾⒕南到y(tǒng)，這類熱泵不適合。上述兩種情況下，就需使用最高水溫能到65℃的熱泵。

最高水溫＝65℃：這類熱泵能達(dá)到更高的出水溫度往往通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)：第一種采用蒸汽注入循環(huán)介質(zhì)系統(tǒng)的方式，簡稱為EVI（噴氣增焓）；第二種采用兩套循環(huán)系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行的方式。

EVI方式這類熱泵在壓縮機(jī)的下游抽取一部分冷媒，此部分冷媒首先進(jìn)行膨脹然后經(jīng)過輔助換熱器換熱后最后再注入壓縮機(jī)。這樣則可提高冷媒的循環(huán)溫差從而可以實(shí)現(xiàn)更高的供水溫度。

雙循環(huán)方式如下圖所示，雙循環(huán)方式采用兩套循環(huán)回路串聯(lián)。這樣也是有利于提高冷源與出水溫度之間的溫差。

12、熱泵供應(yīng)生活熱水

熱泵熱水器的選擇應(yīng)考慮以下的一些因素：

—使用較低溫差的冷媒循環(huán)溫差可產(chǎn)生55℃以下的熱水。

—避免壓縮機(jī)頻繁起停。

—可以使用低谷電。

熱泵熱水器的儲(chǔ)熱水箱必須使用高效率的換熱器。

襯套式水箱指雙層水箱，其換熱面積大，換熱效率較高。

高效換熱盤管式水箱這類水箱跟太陽能系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱一樣，都是需要在低溫差的情況下進(jìn)行換熱。為了避免一次循環(huán)冷媒壓損過大，換熱盤管的口徑不能選擇過小。

熱泵一體式水箱這類水箱的上部分為空氣源熱泵，通常使用公共建筑的排氣作為空氣源。

13、熱泵及系統(tǒng)之間的緩沖水箱

這類水箱，通常又被稱為緩沖罐，起到兩個(gè)作用：水力分壓和熱量緩沖。水力分壓的作用是，熱泵自身的循環(huán)泵和供熱/制冷系統(tǒng)的循環(huán)泵相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。這對(duì)于使用變流量調(diào)節(jié)的供熱/制冷系統(tǒng)尤其重要。熱量緩沖的作用是減少熱泵的頻繁起停，避免熱泵內(nèi)部元件損壞。

緩沖水箱可以按以下規(guī)律設(shè)計(jì)：

20-25l/kW：適合于輻射地板采暖系統(tǒng)。

40-45l/kW：適合于散熱器采暖/風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。

緩沖水箱容量設(shè)計(jì)偏大些也可起到低谷電時(shí)儲(chǔ)存熱量的作用。

14、熱泵冷熱源封閉式循環(huán)系統(tǒng)所需元件

熱泵冷熱源的閉式循環(huán)系統(tǒng)的良好運(yùn)行依賴于下述主要元件：冷熱源分集水器冷熱源分集水器既可安裝在室外（通常在可檢測(cè)的管道井之內(nèi)）或者安裝在室內(nèi)。如果室內(nèi)有足夠的空間最好置于室內(nèi)，這樣更方便檢測(cè)及維護(hù)。每一個(gè)分水器支路都必需使用流量調(diào)節(jié)及截止閥。

溫度表可隨時(shí)觀察冷熱源溫度及熱泵運(yùn)行時(shí)的冷熱源溫差。

壓力表核實(shí)冷熱源循環(huán)系統(tǒng)壓力，蒸發(fā)器和過濾器的壓損，如果壓損過大，則證明上述元件需要清洗。

膨脹罐用于吸收冷熱源溫度變化時(shí)膨脹的水量，維持循環(huán)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

安全閥避免冷熱源循環(huán)系統(tǒng)壓力過高造成相關(guān)循環(huán)系統(tǒng)的元件受損。

微泡排氣閥用于排除一次循環(huán)系統(tǒng)注水及運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空氣、氣泡，它對(duì)于系統(tǒng)良好的運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。比如說，1m水在10℃，2bar的狀態(tài)下，包含有45升空氣，20℃時(shí)只包含35升空氣，其中10升以微泡的形式排出。由此看出，普通的排氣閥不能解決微泡氣體的排除問題，而需要專門的螺旋式微泡排氣閥將微泡分離聚集并排除。

除污器除污器的作用在于避免雜質(zhì)堆積在蒸發(fā)器內(nèi)。通常使用的Y型過濾器阻力較大，且不能分離細(xì)微雜質(zhì)，而其拆卸清洗也較為困難。新型重力式分離器（又稱為螺旋式除污器），其壓損小，細(xì)微雜質(zhì)分離能力強(qiáng)，下端有較大的儲(chǔ)污艙，沖洗排污非常方便。

其它元件

—注水/泄水閥

—截止閥

記住，永遠(yuǎn)不要對(duì)父母說這十句話！1.好了，好了，知道，真啰嗦?。蓱z天下父母心，父母的“啰嗦”其實(shí)是一種幸福。）2.有事嗎，沒事？那掛了啊。（父母打電話，也許只想說說話，我們能否明白他們的用意，不要匆忙掛了電話?。?.說了你也不懂，別問了?。ㄋ麄冎皇窍牒臀覀冋f說話。）4.跟你說了多少次不要你做，做又做不好。（一些他們已經(jīng)力不能及的事，我們因?yàn)殛P(guān)心而制止，但不要這樣讓他們覺得自己很無用。）5.你們那一套，早就過時(shí)了。（父母的建議，也許不能起到作用，可我們是否能換一種回應(yīng)的方式？）6.叫你別收拾我的房間，你看，東西找都找不到?。ㄗ约旱姆块g還是自己收拾好，不收拾，也不要拂了老人的好意。）7.我要吃什么我知道，別夾了?。ㄅ沃覀兓丶业母改缚傁氚阉嘘P(guān)心融在特意做的菜里，我們默默領(lǐng)情就好。）8.說了別吃這些剩菜了，怎么老不聽?。。ㄋ麄円惠呑拥墓?jié)約習(xí)慣，很難改，讓他們每次盡量少做點(diǎn)菜就好。）9.我自己有分寸，不要老說了，煩不煩。（他們只是擔(dān)心你吃虧。）10.這