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熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理及主要特點

熱泵與建筑空調(diào)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理及主要特點

1. 熱泵原理 熱泵（制冷機）是通過作功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。熱泵與制冷機的工作原理和過程是*相同的，從熱力學的觀點看都是熱機工作過程的反循環(huán)。熱泵與制冷機在名稱上的差別只是反映了在應(yīng)用的目的上的不同：如果以得到高溫的熱量為主要目的，則一般稱為熱泵，反之則稱為制冷機。

2. 主要特點 建筑的空調(diào)系統(tǒng)一般應(yīng)滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常需分別設(shè)置冷源（制冷機）和熱源（鍋爐）。燃煤鍋爐是zui主要的大氣污染源，中小型燃煤鍋爐在城市中已被逐步淘汰；燃油和天然氣的鍋爐雖然減輕了對大氣的污染，但排放的溫室效應(yīng)氣體（CO2）仍造成環(huán)境問題，而且運行費用很高。建筑空調(diào)系統(tǒng)由于必須有冷源（制冷機），如果讓它在冬季以熱泵的模式運行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節(jié)省了很大的初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，*解決了大氣污染的問題。此外，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)還可以兼顧生活熱水供應(yīng)，特別在制冷（空調(diào)）工況下可利用制冷的廢熱加熱熱水，不需額外消耗能量。采用熱泵為建筑物供熱可以大大降低一次能源的消耗。通常我們通過直接燃燒礦物燃料（煤、石油、天然氣）產(chǎn)生熱量，并通過若干個傳熱環(huán)節(jié)zui終為建筑供熱。在鍋爐和供熱管線沒有熱損失的理想情況下，一次能源利用率（即為建筑物供熱的熱量與燃料發(fā)熱量之比）不可能超過*。如果先利用燃燒燃料產(chǎn)生的高溫熱能發(fā)電，然后利用電能驅(qū)動熱泵從周圍環(huán)境中吸收低品位的熱能，適當提高溫度再向建筑供熱，就可以充分利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供熱的一次能源消耗。供熱用熱泵的性能系數(shù)，即供熱量與消耗的電能之比，現(xiàn)在可達到3~4；火力發(fā)電站的效率可達35~58%（高值為燃氣聯(lián)合循環(huán)電站）。采用燃料發(fā)電再用熱泵供熱的方式，在現(xiàn)有先進技術(shù)條件下一次能源利用率也可以達到200%以上。用電熱設(shè)備（例如電暖氣、電鍋爐，電輻射采暖）也可以把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑸槭裁催€要用熱泵呢？由于用電阻加熱設(shè)備把電能轉(zhuǎn)化為熱能的性能系數(shù) (COP) 為1，而在火力發(fā)電廠中由燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能總的效率約為32-50%；因此這種電阻加熱方式總的一次能源利用率很低，是不經(jīng)濟的。

（二）空調(diào)熱泵的分類及其優(yōu)缺點 以建筑物的空調(diào)（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統(tǒng)，其一個熱源就是建筑物內(nèi)部的環(huán)境，就其另一個熱源的性質(zhì)來分，現(xiàn)在常用的有空氣源熱泵、地下水源熱泵和地源熱泵等幾大類。在冬季供熱工況下，室外空氣、水或大地中的低品位熱量通過熱泵做功而提高溫度以對建筑物供熱。

1． 空氣源熱泵 空氣源熱泵利用室外的空氣作為低溫熱源，系統(tǒng)zui為簡單，因而初投資zui省，現(xiàn)有的家用冷暖空調(diào)器就是這樣的空氣源熱泵?？諝庠礋岜玫娜秉c是室外空氣溫度越低時供熱量越小，特別是當空氣溫度低于 -5℃ 時熱泵就難以正常工作，需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱，熱泵的效率大大降低。此外，空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會結(jié)霜，需要定期除霜，也損失相當大一部分能量。

2． 地下水源熱泵推廣這種技術(shù)有明顯的節(jié)能和保護大氣環(huán)境的效益，對宣傳和推動熱泵技術(shù)在空調(diào)中的應(yīng)用也起到了積極的作用。但是，這種“地下水源熱泵”技術(shù)也存在明顯的先天缺陷。首先，這種抽取地下水的辦法需要有豐富的地下水為先決條件，如果地下水位較低，水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但在很多地質(zhì)條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，造成地下水資源的流失。即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個棘手的課題。水資源是當前zui緊缺、zui寶貴的資源，任何對水資源的浪費或污染都是不可允許的。因此，對大面積推廣這種技術(shù)應(yīng)采取慎重的態(tài)度。

3． 地源熱泵 另一種熱泵利用大地作為熱泵系統(tǒng)的熱源的技術(shù)，可以稱之為“地源熱泵”，或“地埋管地源熱泵”。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度。因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。據(jù)測算，采用地源熱泵供熱時在濟南地區(qū)的住宅在一個采暖季節(jié)的供熱費用可在10元/m2以下，約為采用電鍋爐或天然氣鍋爐供熱時的費用的1/3。夏季空調(diào)的電耗也大大減少。簡要的說，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要優(yōu)點是：環(huán)保節(jié)能，可持續(xù)發(fā)展；一機多用，節(jié)省建筑空間，無需冷卻塔和室外風冷部分，對建筑外觀影響??；運行費用低，快；全年運行，均衡用電負荷。現(xiàn)在在國外得到較為廣泛應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)采用介質(zhì)流經(jīng)埋在地下的管子與大地（土壤、地層、地下水）進行換熱的模式。地源熱泵（Ground-Source Heat Pump）的概念zui早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份文獻中，不受污染給予了高度的重視。在鉆孔、下管以后，再用水泥、膨潤土等材料把井筒密封，杜絕了地面污染物進入地下水層或各地下水層之間互相貫通的可能性。

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成及主要型式

（一） 系統(tǒng)組成 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)一般由三個必需的環(huán)路組成，必要時可增加第四個預熱生活熱水環(huán)路。如圖1所示。 1．地熱換熱器環(huán)路 由高強度塑料管組成的在地下循環(huán)的封閉環(huán)路，循環(huán)介質(zhì)為水或防凍液。冬季從周圍土壤（地層）吸收熱量，夏季向土壤（地層）釋放熱量，其循環(huán)有一臺低功率的循環(huán)泵來實現(xiàn)。 2．制冷劑環(huán)路 即在熱泵機組內(nèi)部的制冷循環(huán)，與空氣源熱泵相比，只是將空氣－制冷劑換熱器換成水－制冷劑換熱器，其它結(jié)構(gòu)基本相同。 3．室內(nèi)環(huán)路 室內(nèi)環(huán)路在建筑物內(nèi)和熱泵機組之間傳遞熱量，傳遞熱量的介質(zhì)有空氣、水或制冷劑等，因而相應(yīng)的熱泵機組分別應(yīng)為水—空氣熱泵機組、水—水熱泵機組或水—制冷劑熱泵機組。 4．生活熱水環(huán)路 將水從生活熱水箱送到冷凝器去進行循環(huán)的封閉加熱環(huán)路，是一個可供選擇的環(huán)路。對于夏季工況，該循環(huán)可充分利用冷凝器排放的熱量，不消耗額外的能量而得到熱水供應(yīng)；在冬季或過渡季，其耗能也大大低于電熱水器。供熱循環(huán)和制冷循環(huán)可通過熱泵機組的四通換向閥，使制冷劑的流向改變而實現(xiàn)冷熱工況的轉(zhuǎn)換，即內(nèi)部轉(zhuǎn)換。也可通過互換冷卻水和冷凍水的熱泵進出口而實現(xiàn)，即外部轉(zhuǎn)換。

（二） 主要型式 地源熱泵的地下環(huán)路中的介質(zhì)是水或防凍液溶液，根據(jù)其供熱（冷）介質(zhì)（承擔室內(nèi)負荷的介質(zhì)）的組合方式不同，地源熱泵主機可分為：水－水系統(tǒng)、水－冷劑系統(tǒng)、水－空氣系統(tǒng)熱泵。

與此相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)型式主要有三種：

1．水－水系統(tǒng) 水－水系統(tǒng)熱泵主機的制冷工況與普通冷水機組的功能相同，即它是空調(diào)系統(tǒng)的冷源，為各種空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置提供冷凍水（二次冷媒）。不同的是它所具有的供熱工況－熱泵運行方式，能夠為空調(diào)系統(tǒng)提供45～550C的熱水。在選用該型主機時，應(yīng)著重注意兩點：一是空調(diào)系統(tǒng)供熱工況或供暖方式末端裝置的選擇、設(shè)計應(yīng)與熱媒參數(shù)相匹配；二是該型主機制冷與供熱工況間的轉(zhuǎn)換一般是通過機外二次冷媒水與地熱換熱器循環(huán)水流道切換實現(xiàn)的。因此水系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足這一要求。

2．水－冷劑系統(tǒng) 水－冷劑系統(tǒng)熱泵主機與冷、熱兩用的家用分體式空調(diào)的工作原理基本相同。不同的是它利用地熱換熱器循環(huán)水作為熱泵制冷工況的冷卻水和供熱工況的低溫熱源。家用分體空調(diào)中體積龐大、噪聲污染嚴重的室外機被兩根循環(huán)水管所取代。由該型熱泵主機組成的空調(diào)系統(tǒng)與風機盤管系統(tǒng)基本相同。只是前者承擔室內(nèi)負荷的是制冷劑，而后者是冷凍（熱）水。因此，該型熱泵主機的選擇、設(shè)計、安裝與控制可參照風機盤管系統(tǒng)進行。

3．水－空氣系統(tǒng) 水－空氣系統(tǒng)熱泵主機與全空氣系統(tǒng)中空調(diào)機組的作用相同。不同的是前者自身具備冷熱源，其蒸發(fā)器（或冷凝器）相當于空調(diào)機組的表冷器（或加熱器）。因此，該型熱泵主機的熱效率高于水－水系統(tǒng)熱泵主機。在不需要二次冷（熱）媒的情況下，宜優(yōu)先考慮選用這種主機。該機組的選擇設(shè)計方法與空調(diào)機組的基本相同。應(yīng)注意的是二者的熱媒參數(shù)有所不同，在確定加熱器（冷凝器）面積時應(yīng)區(qū)別對待。

機組本身應(yīng)有如下降低噪聲的措施：

壓縮機應(yīng)裝設(shè)專門的減震彈簧；

機箱內(nèi)側(cè)全部貼有專門的吸聲及保溫材料；

風機與壓縮機的空間分開，以避免壓縮機噪聲傳至室內(nèi)。

水源熱泵機組保養(yǎng)規(guī)程

保養(yǎng)工作內(nèi)容

1．檢查機組運行情況，查閱運行記錄及機組報警內(nèi)容

1.1 檢查機組運行記錄，分析zui后報警內(nèi)容

1.2 檢查報警可能的發(fā)生點

1.3 記錄機組當前存在問題

2．檢查機組外部情況

2.1 檢查機組外觀腐蝕和污染情況

2.2 檢查機組外部各接口、焊點的泄漏狀況

2.3 檢查壓縮機、電機等部件底座固定

2.4 檢查并緊固機組各運動部件、系統(tǒng)管路部件的固定狀況。包括底腳螺栓及對緊螺絲等

2.5 檢查機組上壓力軟管接頭連接可靠，檢查壓縮機底座固定情況

2.6 膨脹閥固定可靠和感溫包、平衡管固定可靠

2.7 檢查蒸發(fā)器、冷凝器連接固定可靠

3．檢查機組冷凝器及蒸發(fā)器的污染情況

3.1 檢查發(fā)器結(jié)垢情況

3.2.檢測水側(cè)與冷媒間溫差

3.3 根據(jù)蒸發(fā)器水系統(tǒng)污染情況進行蒸發(fā)器排污或建議用戶化學清洗

4．檢查系統(tǒng)與潤滑系統(tǒng)情況

4.1 檢查壓縮機潤滑油油質(zhì)，必要時更換潤滑油

4.2 清洗或更換潤滑油過濾器

4.3 清潔壓縮機油底殼

5．檢側(cè)壓縮機、電動機的絕緣電阻值及運行電流值

5.1 測量壓縮機電機絕緣值

5.2 運行后檢查壓縮機三相運行電流值

6．檢查控制箱內(nèi)電氣接線、運行可靠性，應(yīng)避免由于存在接觸、振動，在運行中磨損損壞

6.1 檢查壓縮機接線盒內(nèi)接線柱固定可靠

6.2 檢查控制箱內(nèi)電路各接點固定可靠

7．檢查電氣線路各個接觸器、電磁閥等電器組件的情況

7.1檢查機組各電磁閥線圈狀況良好，動作正確，必要時作保養(yǎng)和更換

8．檢查機組校準各傳感器和儀表、壓力開關(guān)的整定值

8.1 校驗冷凍水、冷卻水，進出水溫度傳感器，排氣溫度傳感器，流量開關(guān)

8.2 校驗高、低壓傳感器，水源溫度傳感器值

8.3 校驗螺桿壓縮機噴液溫度傳感器

8.4 檢查高低壓開關(guān)可靠性