第一章导论与基础——热泵技术及其应用20150327.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,*,*,第一章：,导论与基础,热泵技术及其应用,2015.03.28,1-1,能源与环境,第一节 能源与环境,1-1,能源与环境,1.1.1,能源的开发和利用,1.1.1.1,、能源与环境污染问题,能源消耗的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,。,1-1,能源与环境,1.1.1.2,、能源的消耗及未来能源,1-1,能源与环境,世界近,30,年内的能耗图,1-1,能源与环境,中国近,30,年总能耗,1-1,能源与环境,2010,年世界能耗前,10,国家排名,1-1,能源与环境,1.1.1.2,、能源的消耗及未来新能源,说明：,目前世界能源消耗主要还是来自不可再生能源，,但是地球上的资源越来越少，环境为题越来越严,重，这促使对新能源的开发和利用迫在眉睫。,新能源的种类：,太阳能、核能（核裂变及核变）,、,生物能、风能、潮汐能、地热能等。,1-1,能源与环境,1.1.1.3,、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。,1-1,能源与环境,1.1.2,能源的节约问题,1.1.2.1,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。,1.1.2.2,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）,1-1,能源与环境,1.1.2.3,热泵节能的方法和意义,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。,即能量二次利用。,同时，可以提高一次能源的利用效率。,1-1,能源与环境,注意：,我国国内各部门的余热资源情况,1-1,能源与环境,所以，研究和推广应用,热泵技术,对于约能量、提高经济效益以及保护环境有重要意义。,1-2,热泵的低位热源,第二节 热泵的低位热源,1-2,热泵的低位热源,1.2.1,能源的品位（能质）,能源所含有用成分的百分率越高则品位越高。,1.2.1.1,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。,1-2,热泵的低位热源,1.2.1.2,低品位能（低位能）,不能全部而只能部分转化为功的量，又称,低质量能,，,如物质的内能、低温的物质等。,1-2,热泵的低位热源,1.2.1.3,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。,1.21.4,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,(,土壤热,),、太阳能、废热、余热。,1-2,热泵的低位热源,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。,1-2,热泵的低位热源,1.2.,2,热泵对低位热源的要求,热源的载热剂应尽量洁净、无杂质,热源与系列化的热泵产品应匹配,没有任何附加费用或仅有极少的附加费用,输送热量的载热（冷）剂的动力消耗要尽可能小,载热（冷）剂对金属材料应无（或尽量小）腐蚀作用,热源温度的时间特性和供热的时间特性应尽量一致,注意：要有足够的数量和较高的品位,1-2,热泵的低位热源,12.,3,待研究和探讨的问题,热源的,蓄热问题,（蓄热装置可减小热泵装置的容量，使热泵能经常在高效率下运行）,低温热源与辅助热源的,匹配问题,研究土壤、空气、水、太阳能和蓄热等的,综合利用问题,1-2,热泵的低位热源,1.2.4,热泵的低位热源,1.2.4.1,空气源的优缺点,取之不尽、用之不竭，可无偿地获取，安装使用方便,热泵的容量和制热性能系数受室外空气的状态参数（如温度和相对湿度）影响大，容易造成,热泵供热量与建筑物耗热量,之间的供需矛盾。,冬季室外温度很低时，室外换热器表面容易,结霜,，导致热泵制热性能系数和可靠性降低，甚至无法正常供热。,需要较大的空气循环量（空气的热容量较小），因此，风机的容量也相应增大，运行费用和噪音大大增加。,1-2,热泵的低位热源,注意：,使用空气源时，一定注意当地的气候条件，我,国疆域辽阔，气候涵盖了寒、湿、热带。在进行空,气源热泵的设计和计算时，各地区有显著不同。,关于气候的区域划分，请参考,建筑气候区,划标准,（,GB_5017893,）,1-2,热泵的低位热源,1.2.4.2,水源的优缺点,一、水源优缺点,水的热容量大，传热性能好，换热设备结构紧凑。,水温较稳定，故热泵运行工况也较稳定,可使用,地表水,（河水、湖水、海水），,地下水,（深井水、泉水、地热水等），,生活废水和工业用水,（工业冷却水、生产工艺排放的废温水、污水等），来源广阔。必须靠近水源，应设有蓄水装置,对水质有一定的要求（,洁净度,、,防腐蚀,等问题）,1-2,热泵的低位热源,二、地下水介绍,优点：,无论是深井水还是地热水，都是热泵良好,的低位热源。,地下水,位于较深的地方，随季节气,温的波动很小；特别是,深井水,的水温常年基本不,变，对热泵的运行十分有利。,1-2,热泵的低位热源,注意：,我国地下水分布的不均匀性,含水层的渗透性,地下水的温度,地下水的水质,我国地下水超采现象严重，已引起一些地质灾害问题,总之地下水不是取之不尽，用之不竭的，一定不要过度开采，为子孙后代留着点！,1-2,热泵的低位热源,深井回灌技术介绍,：,夏灌冬用,：把夏季温度较高的江河水，或经热泵冷凝器使用后的冷却水、太阳能集热器加热后的水通过,深井管回灌,到地下含水层中储存起来，冬季再从深井中将水抽出作为热泵的热源。,冬灌夏用,：把冬季温度较低的江河水，或经热泵蒸发器冷却后的深井水以及蒸发冷却的水回灌到地下含水层中储存起来，到夏季再抽出作为空调的冷源。,把大地作为一个保温水箱！,1-2,热泵的低位热源,三、地表水介绍,包括,江、河、湖、海,的水源，要求冬季不结冰。,1,、,地表水的特点,江河水流量变化大,河流水温的变化小,河流含沙量大,河流天然水质差异明显,1-2,热泵的低位热源,2,、,海水,源的特殊性,近海域,海水水温,会因地、因时而异，同时海洋水温也会随着其深度的不同而异,海水含盐量,高,，,腐蚀性强,海洋生物,会造成取水构筑物、管道和设的堵塞，并不易清除,海水取水构筑物在设计时，应充分注意到,潮汐和海浪,的影响,取水口应避开,泥沙可能淤积,的地方，最好设在岩石海岸、海湾或防波堤内,1-2,热泵的低位热源,四、生活废水介绍,说明,：,生活废水量大面广，作为热泵的低位热源，可使热泵具有较高的制热性能系数。,城市污水,是很好的热源，在整个采暖季内，温度比较稳定。现代化城市的污水处理设施十分完善，每天排放的大量污水经初步净化后，是水源热泵理想的低位热源。,存在的问题,：,如何贮存足够量的水以应付供热负荷的波动，以及如何保持换热器表面的清洁和防止水的腐蚀。,1-2,热泵的低位热源,五、工业废水介绍,说明,：,工业废温水形式很多，数量可观，利用价值很大。有的温度较高，可作为,高温热源,直接使用；而有的温度较低，则可作为,低温热源,使用。,1-2,热泵的低位热源,1.2.4.4,土壤热源的优缺点,全年地温波动小，冬季土壤温度比空气温度高，热泵的制热性能系数较高。,埋地盘管不需要除霜,在采暖季节，当室外气温最低时（此时采暖需热量最大）。土壤的温度并不是最低，所以，热泵的供热能力也不会降到最低。,1-2,热泵的低位热源,埋地盘管,冬季从土壤中取出的热量，在夏季可通过热传导由地面补充。因此，土壤同时也起了,蓄能,的作用,土壤的导热系数小，工质与土壤之间的热交换强度小，需要,增大换热面积,，金属耗量大,土壤对埋地盘管有腐蚀作用，应进行,防腐蚀,处理,在运转过程中因采热而引起地温发生变化，,地温变化,又造成土壤源热泵蒸发温度的变化，使运行工况不稳定,1-2,热泵的低位热源,1-2,热泵的低位热源,1.2.4.5,太阳能的优缺点介绍,一、太阳能的优缺点,太阳能是地球上一切能源的主要来源，是取之不尽、无公害、环保和洁净的能源。,太阳辐射热具有很大的不稳定性。因此，要利用太阳能，必须要解决太阳能的,间歇性,和,不可靠性,问题。,1-2,热泵的低位热源,集热器是太阳能供热、制冷中最重要的组成部分，其性能与成本对整个系统起决定性作用。,高,、中温平板集热器,和,聚光型集热器,价格昂贵，是直接利用太阳能供热的极大障碍。,热泵装置可采用结构简单的,低温平板集热器,，其集热器效率较高，且成本较低，常与建筑物做成一体，是利用太阳能的较好的方案。,热泵上可不设除霜装置。,1-2,热泵的低位热源,二、太阳能的蓄热,说明,：,为了解决太阳能利用的间歇性和不可靠性问题，太阳能热泵系统应设,蓄热装置,。,（,卵石床蓄热,）,强调,：,太阳能热泵虽然在经济性方面存在问题较大，但是从能源的现状和未来新能源开发的趋势看，它作为热泵热源的发展前景是广阔的。,1-2,热泵的低位热源,暖石床,卵石床蓄热,1-,集热器,2-,蒸发器,3-,风机,4-,进蓄热器的,空气,5-,离开蓄热器的空气,6-,空气分配器,7-,保温,8-,卵石,1-3,能源的合理利用,第三节 能源的合理利用,1-3,能源的合理利用,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。,量的守恒性和质的衰减性。,1-3,能源的合理利用,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,很大,部分低位热,能，也就是说，,能量是守恒的。,热泵也仅仅是一种泵热的装置,，不产生能量，,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。,1-4,热泵技术,第四节 热泵技术,1-4,热泵技术,1.4.1,热泵的定义,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”）。,1-4,热泵技术,低位能,环境温度,高于环境温度的热源,高位能,动力机,工作机,（如汽轮机、燃气机、燃油机、电机等）,（如制冷机、喷射器）,1-4,热泵技术,热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热能,(,如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等,),转换为可以利用的高位热能，从而达到,节约,部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的。,虽然需要消耗一定量的高位能，但所供给用户的热量却是消耗的高位热能与吸取的低位热能的总和。因此，热泵是一种,节能,(,高位能,),装置,。,1-4,热泵技术,1.4.2,热泵的驱动能源,目前，绝大多数热泵都是由,电能,驱动。除此之外，热泵还,可以利用,石油、天然气的燃烧,以及,蒸汽或热水,来驱动，故称为,热驱动热泵。电能是属于二次能源范畴，而煤、石油天然气等,属于一次能源范畴。因此,热泵的驱动能源不同时，必须用一次,能源利用率来评价热泵的效率,。,1-4,热泵技术,1.4.3,热泵的驱动装置,一、电动机,(,普遍形式,),电动机是一种方便可靠、技术成熟和价格较低的原动机。家用热泵均采用单相电机，中大型热泵一般采用三相电动机。后者效率高，如果采用变频电机，更节能。,将电动机和压缩机装在一个壳体里面，做成全密封式压缩机，可以提高热泵装置运行的安全性。,1-4,热泵技术,二、燃料发动机,燃料发动机按热机工作原理不同，有,内燃机和燃气轮机,两种。其效率在百分之三十左右，当,电力短缺,而有燃料时，使用,燃料发动机,对城市的能源平衡有着积极的意义。,1-4,热泵技术,三、燃烧器,燃烧器是热驱动热泵达到良好使用性能的最重要器件。燃烧器由燃料喷嘴、调风器、火焰检测器、程序控制器、自动点火装置、稳焰装置、风机、燃气阀等组成。由,程序控制器,控制燃烧器的整个工作过程。,液体、气体燃料的主要成分是烃类。,1-4,热泵技术,14.4,热泵的蓄热,一、蓄热的意义,原因,：,由于有些热泵低温热源的温度和能量是变化的（如,空气源的温度、太阳能的辐射强度,等），所以，热泵的制热量将随之而变，同时需热量也不均衡,。,因此，供需之间总存在不一致的矛盾。,设置,：,解决该问题比较节能的方法是在系统内设置,蓄热器,，当热泵制热量供过于求时，将多余的热量储存起来，反之，供不应求时把热量释放出来使用。,1-4,热泵技术,二、蓄热的优点,蓄热器储存低峰负荷时的热能，并提供给高峰负荷时使用。使热泵装置在高效下运行，既提高热泵装置的利用率，又减少设备的能量消耗。,由于设备容量减小，减小了设备费和基建投资。,电动热泵中蓄热还有调节电负荷的作用，可平衡电量的高峰及低峰负荷，实现,削峰平谷,。,弥补低位热源的不可靠性和间歇性。,1-4,热泵技术,三、蓄热材料,1,、单相蓄热材料,利用材料的温度变化,储存显热,，如水、岩石、土壤等。,要求比热大、密度大、有良好的热稳定性、不燃不爆、无毒无腐蚀性、价廉易得。,说明,：,水是一种良好的,单相蓄热材料,。,1-4,热泵技术,2,、相变蓄热材料,利用材料的相变,储存潜热,，如冰、石蜡等为常用,相变蓄热材料,。,相变：,物质从一种相转变为另一种相的过程。物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。,与固、液、气三态对应，物质有固相、液相、气相,。,1-4,热泵技术3,、蓄热器,用于储存低温热源能量的热容器,主要有,岩石蓄热器,、,蓄热水槽,等,1-4,热泵技术,岩石,蓄热器,1-4,热泵技术,1.4.,5,热泵的经济性分析,一、额外投资回收年限法,热泵常用的技术经济比较方法是,额外投资回收年限法,一般情况下，回收年限为,35,年。,1-4,热泵技术,二、能耗费用对比,1-4,热泵技术,1.4.,6,热泵的优点,节能,热效率高，运行费用低,环保,无废热、废水、废气,适用,环境温度要求不高,1-4,热泵技术,节能,热泵的制热性能系数,制热的效率，不受能量转换效率,(100%,为其极限,),的制约，而是受到逆向卡诺循环效率的制约，这就是其制热系数可以达到,300,500%,甚至更高的原因。,1-4,热泵技术,环保,无废热、废水、废气,而且能回收利用废水、废气等中的废热,1-4,热泵技术,适用,一般的传热工质常压下其沸点为,-41,，凝固点为,-100,实际运行中，压缩机将工质的压力和温度升高，在绝对压力,0.25Mpa,下，主机中传热工质的蒸发温度在零下,20,左右,因此适用温度范围很广,1-4,热泵技术,1.4.,8,热泵的分类及应用,按常用的,供热介质,分类：,空气源热泵,水源热泵,土壤源热泵,太阳能热源热泵,1-4,热泵技术,按,用途,分类：,小型热水器,大型的集中采暖热泵,同时供热供冷热泵,废热利用热泵,1-4,热泵技术,小型热水器,热效率,400%,以上,运行费用是电热水器的,1/4,，比太阳能低,40%,。,空气源热泵热水器经历了几年的起步阶段后，已经步入快速成长时期。据,中央空调市场,杂志市场调研显示，,2008,年上半年，空气源热泵热水器市场呈现持续快速增长的态势。,2007,年热泵热水器行业的总销售额约为,7,亿元，,2008,年全年销售额有望突破,12,亿元，增长幅度超过,70%,，市场前景相当广阔。,1-4,热泵技术,大型的集中采暖热泵,1-4,热泵技术,同时供热供冷热泵,装置的用途,用热,用冷,鱼类加工厂,清洗用温水,制冷,肉类加工厂,清洗用温水,冷却和制冷,农舍,清洗机器和清洁用温水,牛奶冷却、空调用冷,乳品厂,清洗用温水,牛奶冷却、储存室冷却,屠宰场,清洗用温水,冷藏库及速冻间,溜冰场,采暖、游泳池,冰场制冷,大型冷库,供热、出售热量,冷藏间,啤酒厂,温水,啤酒窖及麦芽汁冷却,工业能源中心,温水和热水,冷盐水、冰、冰水,1-4,热泵技术,废热利用热泵,装置用途,用热,废热来源,洗衣房,热水,废水,旅馆、医院,温水,废水,印染和其他纺织工业,热水、热碱水,废水,造纸和其他加工工业,热水、干燥过程,排气、废水,麦芽作坊,干燥室,蒸气,农用空调装置,采暖、热水,马棚、孵化室等,香蕉催熟装置,催熟间,冷藏室,干燥装置,干燥空气,排气、排出的空气去湿,1-4,热泵技术,1755,年，爱丁堡的化学教授,William Cullen,利用乙醚使水结冰。他的学生,Black,从本质上解释了融化和气化现象，导出了潜热的概念，并发明了冰量热器。标志着现代制冷技术的开始。,1834,年，美国人,Perkins,造出了第一台以乙醚为工质的压缩式制冷机。,1.4.,7,热泵的发展史,1-4,热泵技术,热泵的工作原理虽然与制冷机相同，但热泵的发展却远不如制冷机顺利。在很长的一段时间内，热泵的历史几乎是空白。,1852,年，,W.Thomson,教授发表论文指出：制冷剂也可以用于供热。第一个提出了正式的热泵系统，当时称为“,热量倍增器,”。,1-4,热泵技术,1930,年，,Haldane,报道了他,1927,年在苏格兰安装与试用的家用热泵，其工质为,氨,，用空气作热源，供室内采暖及热水之用。,1938,年,1939,年，瑞士苏黎世议会大厦安装了欧洲第一个大型热泵采暖装置，以河水为热源，输出热量达,175Kw,。,1-4,热泵技术,20,世纪,40,年代到,50,年代早期，热泵工业得到迅速发展，家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场，热泵进入了早期发展阶段。,20,世纪,70,年代能源危机以来，热泵工业进入了黄金时期，世界各国对热泵的研究工作都十分重视，诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制定了大型热泵发展计划，热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断的开拓，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。,14,热泵技术,21,世纪，随着“能源危机”的再度出现和人们环保节能意识的增强，经过改进发展成熟的热泵以其高效回收低温环境热能，节能环保的特点，进一步引起了人们的广泛关注。,1-4,热泵技术,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。,1-4,热泵技术,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,。,1-4,热泵技术,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-,5,小结,2009,年哥本哈根世界气候大会，中国向世界承诺到,2020,年时,GDP,二氧化碳排放强度将比,2005,年降低,40%,到,45%,。,根据,“,十一五,”,规划，从,2006,年至,2010,年间，要完成单位国内生产总值能耗降低,20%,左右，主要污染物排放总量减少,10%,的约束性指标。今年下半年，必须完成降耗,4.48%,的目标。,1-,4,小结,为了降低能耗，进行掩耳盗铃式的拉闸限电,企业的强制性停产导致钢铁水泥等涨价,拉闸限电也导致了柴油发电潮，导致了一段时间的,“,柴油荒,”（日本地震）,节能减排不仅仅是个数字指标！,1-,5,小结,节能减排，任重道远，,师生同心，刻苦钻研，,晓之以泵，造福子孙，,众志成城，促进发展。,