热泵论文

HUNAN UNIVERSITY

论文题目：对空调热泵节能技术的思考学生姓名：杨涛

学生学号：20090120323

专业班级：建筑环境与设备工程09 级 3 班学院名称：土木工程学院

指导老师：

2012 年12月1日

对空调热泵节能技术的思考

摘要热泵技术的应用，在建筑节能中越来越受到人们的重视，在分析太阳能—空气源热泵空调系统、地源热泵空调系统、水环热泵空调系统的原理、特点以及应用等方面的问题的基础上，指出了热泵技术现阶段发展遇到的难题，并给出了热泵技术在中国良性发展的几点建议。

关键词：建筑节能；空气源热泵；地源热泵；水环热泵

目录

摘要

引言 (4)

1太阳能—空气源热泵热水系统的应用 (4)

1.1太阳能在热水供应中的应用 (4)

1.2空气源热泵供水原理及优势 (5)

1.3太阳能—空气源热泵组合热水供应系统 (6)

2地源热泵技术与水和土壤资源的利用 (6)

2.1地源热泵中央空调系统的特点.......................................................... .. (7)

2.1.1属可再生能源利用技术 (7)

2.1.2 属经济有效的节能技术 (7)

2.1.3 环境效益显著 (7)

2.2 地源热泵中央空调系统工作原理 (8)

2.3 地源热泵中央空调系统的分类 (8)

3 水环热泵及其特点 (9)

3.1 水环热泵的定义及工作原理 (9)

3.2 水环热泵在国内外的发展概况 (10)

3.3 水环热泵的主要特点 (11)

4 热泵技术实现良性发展的几点建议 (13)

5 结语 (14)

参考文献 (14)

引言

当前，随着各类建筑物向着舒适化的方向发展，各类建筑中的中央空调系统已经成为建筑技术的重要标志之一，可以说，在很大程度上，中央空调系统是现代建筑创造舒适、高效的工作环境的一种非常重要的基础设施。但是，中央空调又是建筑物中能耗最大的设备，其使用带来了巨大的能源消耗，这种能源消耗一方面大大增加了建筑物的运营成本，另一方面也导致能源供需矛盾加剧，给城市的供电带来了较大的难题，对社会的可持续发展带来了较大的威胁。

环境污染和能源危机问题已经成为我国能源问题的头等大事, 因此, 节能和可再生能源的开发和利用逐渐成为我们国家目前工作的重点。发展热泵技术是应用可再生能源的重要技术手段, 并确保我国能源结构调整的需要, 真正实现节能降耗。

1、太阳能—空气源热泵热水系统的应用

太阳能、空气能作为可再生能源，在建筑节能中越来越受到人们的重视。

在分析两类能源各自优缺点的基础上。指出了太阳能一空气源热泵组合热水系统在热水稳定供应及节能环保方面的优势。通过实例进一步分析了技术经济性，结果表明太阳能一空气源热泵组合热水系统在经济性和节能性方面均优于常规热水器，值得大力推广使用。

1.1 太阳能在热水供应中的应用

太阳能是一种无污染且蕴藏丰富的自然资源，被认为21世纪最可期待的清洁能源之一。每年到达地球表面的太阳辐射能折合后约为1 30万亿标准煤可释放的热能，是目前世界各种能源消耗总和的20 000倍。

太阳能在办公建筑热水供应中的应用。是利用专用的太阳能集热器对其进行光一热转换，来满足人员热水需求，从而达到减少建筑能耗、节约常规能源、降低供热成本的目的。整个系统通过定温放水、温差循环的方式运作，即在集热器与贮热水箱中各设一个温度探头，当集热器出水末端的温度探头测到水温T，高于预先设定值T时，就启动热水循环泵，将热水输入贮热水箱，低于T时就自动关闭;当贮热水箱中的温度探头测到水箱与集热器的水温差达到预设值T'时。启动热水循环泵，使集热器与水箱中的水进行交换循环。作为一种绿色、

环保、运行费用低廉的系统，太阳能热水器目目前已十分普及。

1.2 空气源热泵供水原理及优势

空气源热泵遵循能量

梯级利用原则。通过系统少

量电力的高效驱动，将从空

气中吸收的低位热能转变

为高位热能，从而用于

制取热水。其机组主要由蒸

发器、冷凝器、压缩器和膨

胀阀4部分组成，如图1所

示。

传热介质（即通常所说的冷媒，沸点很低）在蒸发器中与空气进行热交换，吸收空气热能后由液态变为气态：气态冷媒进入压缩机。通过输入少量电能，传热介质转变为高温高压气体：其后在冷凝器中与冷水进行热交换，高温高压的传热介质遇冷后温度下降，释放大量热能，同时从气态变回液态进入下一次循环，而冷水就可以吸收这种热量，使温度升高。正是传热介质这种周而复始的循环。从而把空气中的热能源源不断地带到冷水中。

空气源热泵机组运行过程所取得的热能与输入电能的比值称为热电性能系数COP，比值越高，系统的节能性越好。如果一台空气源热泵热水器的热电性能系数为4即意味消耗1 kW*h的电能，可以获得4KW*h的热能，与仅作1：1电热转换的电热水器相比。可以节省3/4的能耗。此外，空气源热泵热水器还具有以下3点优势：

(1)环保。空气源热泵利用空气中的热能，在制取热水过程中无废气排放、无空气污染，可保证环境的清洁。

(2)安全。储热水箱内无电热管，水电分离，可保证使用的安全性和可靠性，消除了电热水器使用过程中的安全隐患。

便捷。空气源热泵的热源获取十分方便，只要安装空间满足，便可随时获得空气热能。同时机组安装位置及朝向不受限制。使用不易受天气变化影响。

晴天、雨天、夜间均可制取热水。

1. 3 太阳能—空气源热泵组合热水供应系统

由于空气源热泵在能源利用、运行过程、使用成本等方面具有很大优势, 因此得到了愈来愈广泛的应用；但在低温环境下会产生蒸发器结霜、COP 值降低等问题，这使其在北方地区的推广受到很大限制, 往往需要辅助热源进行配合运行。

同时太阳能热水器也存在不足，即由于太阳辐射具有很强的季节性和不稳定性，使得机组运行过程产生间歇性，在阴雨天无法制热。因此单一的太阳能装置往往难以满足办公楼热水供应的需要，配置高效率、自动化、绿色环保的辅助热源十分必要。基于此，考虑将太阳能利用技术和热泵技术结合起来。形成优势互补的复合热源热泵系统，一般可通过两种集成模式来达到稳定供热的目的：一是以太阳能热水器为主，空气源热泵进行辅助加热。即在平时晴天只利用太阳能制取生活热水，从而充分利用太阳能免费制热；在阴雨天或夜间，太阳能集热器。无法运行时，就通过空气源热泵加热，使水温达到设计温度，满足热水使用的舒适度。二是以空气源热泵为主，太阳能作为辅助热源。主要通过太阳能集热来解决冬季夜晚低温环境下空气源热泵效率下降的问题，其余时间利用空气源热泵单独制热，从而可通过空气热能补偿太阳能的不确定性，最大限度地利用可再生能源来实现办公建筑热水需求，减少能源消耗，促进节能减排。

2 地源热泵技术与水和土壤资源的利用

地源热泵是一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展，地源热泵中央空调系统是一种利用地下浅层冷热资源（如地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统．地源热泵中央空调系统通过输入少量的高品味能源（电能），实现低温位热能向高温位转移．与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70- 90%的燃料内能转化为热量，供用户使用．因此地源热泵中央空调系统要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于地源热泵中央空调系统的冷热温度全年较为

稳定，一般为8·14℃，其制冷制热系数可超过3.5- 6.3，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50- 600/"因此，近几年来，地源热泵中央空调系统在发达国家取得了较快的发展，我国的地源热泵中央空调系统市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为今后最有效和最有发展前景的冷暖空调技术之一．

2.1地源热泵中央空调系统的特点

2.1.1属可再生能源利用技术

地源热泵中央空调系统是利用了地球表面浅层的资源（通常小于400米）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统．地表浅层资源可以称为地源(Earth Energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能．地表浅层是一个巨大的太阳热能集热器，收集了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多，它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在，这种存储于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地源也称为清洁的可再生能源一种形式．2.1.2 属经济有效的节能技术

地源或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵中央空调系统比传统空调运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右，另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性．

2.1.3 环境效益显著

地源热泵中央空调系统的污染物放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与常规电供暖相比，相当于减少70%以上如果结合其他节能措施减排会更明显虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

2.2 地源热泵中央空调系统工作原理

图2

地源热泵中央空调系统是利用稍经处理的水（或水加乙二醇）与地源（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地源中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地源为“热泵”；夏季把室内的热量“取”出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地源为“冷源”．地源热泵中央空调供暖系统主要分三部分：室外地源换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统．三个系统之间靠水和空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地源之间的换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气．地源热泵中央空调系统同空气源热泵相比，有许多优点：(1)全年温度波动小．冬季温度比空气高，夏季比空气低，因此地源热泵中央空调系统的制热制冷系数要高于空气源热泵，一般可高40%,因此可节能和节省费用40%左右．(2)冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失．(3)地源有较好的储能作用．

2.3 地源热泵中央空调系统的分类

地源按照室外换热放热方式的不同可分为三类：(1)土壤埋盘系统；(2)地下水系统；(3)地表水系统．

根据循环水是否为密闭系统可分为闭环和开环系统．所谓开式系统是将地下水

直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器．

虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制．现在国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国研究和实验研究及普及的重点均是土壤源热泵系统。

3 水环热泵及其特点

随着我国国民经济的高速发展，电力负荷不断刷新纪录。其中空调耗电量的增加是造成用电量大幅飙升的一大原因。因此，大力推广包括水环热泵空调系统在内的各种空调节能技术具有积极和深远的意义。

3.1 水环热泵的定义及工作原理

水环热泵空调系统是指小型的水／空气热泵机组的一种应用方式，即用水环路将小型的水／热泵机组并联在一起，形成一个封闭环路，构成一套回收建筑物内部余热作为其低位热源的热泵供暖、供冷的空调系统。典型的水环热泵空调系统由三部分组成：

1)室内的小型水／空气热泵机组；

2)水循环环路；

3)辅助设备如冷却塔、加热设备、蓄热装置等）

水环热泵空调系统的基本工作原理是：

在水／空气热泵机组制热时，以水循环环路中的水为加热源；机组制冷时，则以水为排热源。当水环热泵空调系统制热运行的吸热量小于制热运行的放热量时，循环环路中的水温度升高，到一定程度时利用冷却塔

放出热量；反之循环环路中的水温度降低，到一定程度时通过辅助加热设备吸收热量。只有当水／空气热泵机组制热运行的吸热量和制冷运行的放热量基本相等时，循环环路中的水才能维持在一定温度范围内，此时系统高效运行。

制冷模式下流程：全封闭压缩机一四通换向阀一制冷剂一水套管式换热器一毛细管一制冷热交换器一四通换向阀一全封闭压缩机。

制热模式下流程：全封闭压缩机一四通换向阀一供热交换器一毛细管一制冷剂一水套管式换热器一四通换向阀一全封闭压缩机

3.2 水环热泵在国内外的发展概况

20世纪80年代末90年代初，日本经济正处于高速发展的时期。从经济规模看，20世纪90年代初日本人均国民生产总值为29 524美元，居世界第一位，超过美国20%，社会各项建设迅速发展。也是从这个时期开始，日本政府开始“实施可持续发展战略”、“把发展循环经济，建立循环型社会看作是实现可持续发展战略的重要途径和方式”。水环热泵正是基于这样的背景，响应当时大量出现的改造、新建项

目对循环利用，可持续发展的需求而产生的。

经过十几年的发展，水环热泵在日本和欧洲等发达国家取得了迅速发展，目前已经发展到了第二代产品。2005年年底，该产品相继获得2005年度日本节能大奖——节能会长奖和欧洲的政府税收奖。

进入21世纪以来，随着全面建设小康社会的开始，我国经济规模不断扩大，中国已经成为仅次于美国的第二大世界市场，工业化和城市化全面加速。而资源供需矛盾和环境问题也随之日益加剧。在经济发展的同时，我国还是世界第二大能源消费国和第二大CO，排放国。在商业、服务业领域，中央空调是主要的耗能设备。按重庆和上海的统计，中央空调的用电量分别占全市总用电量的23%和31. 1010。此外，我国的民用、公用及商用建筑的中央空调普遍存在着能耗高的问题，一般中央空调的能耗约占整个建筑总能耗的50%，对于商场和综合大楼可能高达60%以上。基于以上背景，在经济发展中节能与新能源开发，可再生能源利用并重，倡导环保技术的应用，对于我国的可持续发展有着重要意义。

因此，水环热泵由于其自身特点，在我国推广和应用有着相当广阔的市场发展空间。

3.3 水环热泵的主要特点

1)水源稳定。由于水环热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10℃～25℃，其制冷、制热系数可达4．O~ 4.7，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50%~ 60%。

2)高效节能。水环热泵机组可利用的环境水体温度冬季为12℃—22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为18℃~ 35℃，水体温度比环境温度低，所以制冷的冷凝温度降低，机组效率提高。而且水环热泵机组采用独创的高效换热器，内外螺纹不但增大换热面积，提高了换热效率，且具有不容易结垢，有自洁能力等优点，克服了一般板式换热器易堵、易漏、不易清洗等缺点。节能效果明显，夏季投入1 kW电能，可得到4 kW以上的冷量，冬季投入1 kW电能，可得到4 kW左右的热能，能源利用效率为电采暖方式的3倍～4倍以上。尤其在过渡季节可根据不同需要，在不同空间分别供应冷暖，能源可互相交替，节省过渡季节的能耗。

3)运行稳定可靠。水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。水环热泵主机采用高降噪吸音材料，能够有效降低噪声，提高环境的舒适度。冷却水系统简单，只需一般技术人员即可应付自如，无论是对房屋开发商、对用户、对建筑设计师、对设备管理人员都十分有利，且无须专人维护或操作，运行维护费用极少。冬季只有传统方式的2/3，夏季只有传统方式的1/3。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

4)环境效益显著。水环热泵使用电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源就导致污染物和二氧化碳温室气体的排放，所以节能的设备本身的污染就小。设计良好的水环热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比，相当于减少30%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上。水环热泵机组的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

5)应用范围广。水环热泵一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水环热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。水环热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑。

6)水管不需要保温。空气源热泵机组夏季输送的是冷冻水，冬季输送的是热水，因此，管路系统必须保温，而水环热泵的空调系统，夏季管内冷却水供回水设计温度30℃~ 35℃，冬季供热水温度仅为16℃—21 0C，因此，水管路系统可以不保温，管路系统的初投资与维护费用降低。

7)便于计量和收费。水环热泵空调系统的能耗主要是水环热泵机组，各用户能够安装独立的电表分户计费，便于物业管理和系统能源的管理。水环热泵的运行电费完全根据用户实际使用情况单独计量。水环热泵可以分区域使用，不使用就无需交费。这一点与集中制冷、制热的冷水机组加风机盘管系统根本不同，对用户十分有利。而常规的中央空调系统哪怕只有一个房间工作，也必须启动大型冷水机组．造成部分房间、部分负荷的能源大量浪费。这对于用户合理使用空调系统，节约空调系统的能耗，公平、公正、公开地摊派空调运行管理是很有利的。

8)节约投资。水环热泵空调系统由于没有了冷水机组，不再需要冷冻机房，只需提供冷却水塔、水泵安置场所，节省了宝贵的主机占地面积，不设大的通风管道，不设大的锅炉房和冷冻水系统，管道因是冷却水系统，不需保温，故安装和投资费用大大减少。一次性投资只有传统制冷供热方式的1/2~ 2/3。

9)智能控制系统。单机智能控制，实现局部分区的舒适运转；多机集中控制可以协调各分区的运行状况，与计算机系统可组成分布式的网络控制系统，集中统一协调运转。

10)与分体式水源热泵相比，单台机组功率高，对大面积房间，总投资低；另外，风压较分体机高，可实现远距离送风。

4 热泵技术实现良性发展的几点建议

热泵技术具有节能、环保、利用可再生能源缓解能源危机等优势, 有广阔的发展前景。但在发展的过程中, 除看到其优势积极的一面外, 更应该正视自身存在的问题, 避免发展的盲目性。

( 1)热泵的发展要本着因地制宜, 符合环境气候、水文地质的原则, 切不可以牺牲环境为代价换取经济效益, 务必实现可持续发展。

( 2)在发展的过程中, 需客观认识热泵技术设计施工以及运行中存在的问题, 部分企业采取过分包装、过度夸大热泵技术, 而在设计施工过程中忽视理论分析计算, 仅凭经验, 简化设计, 对施工运行人员缺乏必要的培训, 导致不能真正地实现节能降耗。

( 3)吸取已建工程的经验教训, 在新开发城区,宜根据当地特点进行技术经济分析, 初步确定具体的热泵系统方案, 并在城区规划过程中提前将热泵系统与城市建设结合起来, 避免出现低温热源如污水源、中水源等过于分散, 从而造成水量不稳; 或采用地埋管地源热泵占地面积不足; 或采用地下水源热泵地下水量不足等常见问题。

( 4)国外的热泵技术相对已经比较成熟, 引进国外技术的同时需考虑我国特殊的气候环境及水质特点。

( 5)由于热泵技术在我国起步比较晚,因此, 对环境造成的负面影响还亟待进一

步研究和预防, 加强水土等资源和环境的监管制度, 并需结合一定的评价方法, 尽快完善勘察、设计、运行等技术规范及工程标准。

5结语

热泵系统作为一种新技术, 顺应了当今倡导的节能、减排大力发展低碳经济的趋势，近几年在我国也得到了快速发展，虽然有许多问题尚待解决，但是，随着各种热泵技术的不断发展和改进，以及在政府的大力支持推广下，相信不远的将来，热泵技术在中国一定有更广阔的发展前景。

参考文献

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