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熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理及主要特點(diǎn)

熱泵與建筑空調(diào)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理及主要特點(diǎn)

1. 熱泵原理 熱泵（制冷機(jī)）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(jī)的工作原理和過程是*相同的，從熱力學(xué)的觀點(diǎn)看都是熱機(jī)工作過程的反循環(huán)。熱泵與制冷機(jī)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(jī)。

2. 主要特點(diǎn) 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(jī)）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(yùn)行費(fèi)用很高。建筑空調(diào)系統(tǒng)由于必須有冷源（制冷機(jī)），如果讓它在冬季以熱泵的模式運(yùn)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(gè)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?zé)崮馨l(fā)電，然后利用電能驅(qū)動(dòng)熱泵從周圍環(huán)境中吸收低品位的熱能，適當(dāng)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(dá)到3~4；火力發(fā)電站的效率可達(dá)35~58%（高值為燃?xì)饴?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(jìn)技術(shù)條件下一次能源利用率也可以達(dá)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?，為什么還要用熱泵呢？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(xué)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(jì)的。

（二）空調(diào)熱泵的分類及其優(yōu)缺點(diǎn) 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(gè)熱源就是建筑物內(nèi)部的環(huán)境，就其另一個(gè)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?zé)嵩矗到y(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。空氣源熱泵的缺點(diǎn)是室外空氣溫度越低時(shí)供熱量越小，特別是當(dāng)空氣溫度低于 -5℃ 時(shí)熱泵就難以正常工作，需要用電或其他輔助熱源對空氣進(jìn)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(dāng)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(hù)大氣環(huán)境的效益，對宣傳和推動(dòng)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(gè)棘手的課題。水資源是當(dāng)前zui緊缺、zui寶貴的資源，任何對水資源的浪費(fèi)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(yuǎn)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(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)在濟(jì)南地區(qū)的住宅在一個(gè)采暖季節(jié)的供熱費(fèi)用可在10元/m2以下，約為采用電鍋爐或天然氣鍋爐供熱時(shí)的費(fèi)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(diǎn)是：環(huán)保節(jié)能，可持續(xù)發(fā)展；一機(jī)多用，節(jié)省建筑空間，無需冷卻塔和室外風(fēng)冷部分，對建筑外觀影響??；運(yùn)行費(fèi)用低，快；全年運(yùn)行，均衡用電負(fù)荷?，F(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(jìn)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(xiàn)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(jìn)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(gè)必需的環(huán)路組成，必要時(shí)可增加第四個(gè)預(yù)熱生活熱水環(huán)路。如圖1所示。 1．地?zé)釗Q熱器環(huán)路 由高強(qiáng)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(shí)現(xiàn)。 2．制冷劑環(huán)路 即在熱泵機(jī)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(jī)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(jī)組分別應(yīng)為水—空氣熱泵機(jī)組、水—水熱泵機(jī)組或水—制冷劑熱泵機(jī)組。 4．生活熱水環(huán)路 將水從生活熱水箱送到冷凝器去進(jìn)行循環(huán)的封閉加熱環(huán)路，是一個(gè)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(jī)組的四通換向閥，使制冷劑的流向改變而實(shí)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(jìn)出口而實(shí)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(dān)室內(nèi)負(fù)荷的介質(zhì)）的組合方式不同，地源熱泵主機(jī)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(jī)的制冷工況與普通冷水機(jī)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(yùn)行方式，能夠?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)提供45～550C的熱水。在選用該型主機(jī)時(shí)，應(yīng)著重注意兩點(diǎn)：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(jì)應(yīng)與熱媒參數(shù)相匹配；二是該型主機(jī)制冷與供熱工況間的轉(zhuǎn)換一般是通過機(jī)外二次冷媒水與地?zé)釗Q熱器循環(huán)水流道切換實(shí)現(xiàn)的。因此水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)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?zé)釗Q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?zé)嵩?。家用分體空調(diào)中體積龐大、噪聲污染嚴(yán)重的室外機(jī)被兩根循環(huán)水管所取代。由該型熱泵主機(jī)組成的空調(diào)系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)基本相同。只是前者承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷的是制冷劑，而后者是冷凍（熱）水。因此，該型熱泵主機(jī)的選擇、設(shè)計(jì)、安裝與控制可參照風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)進(jìn)行。

3．水－空氣系統(tǒng) 水－空氣系統(tǒng)熱泵主機(jī)與全空氣系統(tǒng)中空調(diào)機(jī)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(dāng)于空調(diào)機(jī)組的表冷器（或加熱器）。因此，該型熱泵主機(jī)的熱效率高于水－水系統(tǒng)熱泵主機(jī)。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(jī)。該機(jī)組的選擇設(shè)計(jì)方法與空調(diào)機(jī)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(shí)應(yīng)區(qū)別對待。

機(jī)組本身應(yīng)有如下降低噪聲的措施：

壓縮機(jī)應(yīng)裝設(shè)專門的減震彈簧；

機(jī)箱內(nèi)側(cè)全部貼有專門的吸聲及保溫材料；

風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)的空間分開，以避免壓縮機(jī)噪聲傳至室內(nèi)。

水源熱泵機(jī)組保養(yǎng)規(guī)程

保養(yǎng)工作內(nèi)容

1．檢查機(jī)組運(yùn)行情況，查閱運(yùn)行記錄及機(jī)組報(bào)警內(nèi)容

1.1 檢查機(jī)組運(yùn)行記錄，分析zui后報(bào)警內(nèi)容

1.2 檢查報(bào)警可能的發(fā)生點(diǎn)

1.3 記錄機(jī)組當(dāng)前存在問題

2．檢查機(jī)組外部情況

2.1 檢查機(jī)組外觀腐蝕和污染情況

2.2 檢查機(jī)組外部各接口、焊點(diǎn)的泄漏狀況

2.3 檢查壓縮機(jī)、電機(jī)等部件底座固定

2.4 檢查并緊固機(jī)組各運(yùn)動(dòng)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(jī)組上壓力軟管接頭連接可靠，檢查壓縮機(jī)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(jī)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(jìn)行蒸發(fā)器排污或建議用戶化學(xué)清洗

4．檢查系統(tǒng)與潤滑系統(tǒng)情況

4.1 檢查壓縮機(jī)潤滑油油質(zhì)，必要時(shí)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(jī)油底殼

5．檢側(cè)壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)的絕緣電阻值及運(yùn)行電流值

5.1 測量壓縮機(jī)電機(jī)絕緣值

5.2 運(yùn)行后檢查壓縮機(jī)三相運(yùn)行電流值

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

6.1 檢查壓縮機(jī)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(diǎn)固定可靠

7．檢查電氣線路各個(gè)接觸器、電磁閥等電器組件的情況

7.1檢查機(jī)組各電磁閥線圈狀況良好，動(dòng)作正確，必要時(shí)作保養(yǎng)和更換

8．檢查機(jī)組校準(zhǔn)各傳感器和儀表、壓力開關(guān)的整定值

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

8.2 校驗(yàn)高、低壓傳感器，水源溫度傳感器值

8.3 校驗(yàn)螺桿壓縮機(jī)噴液溫度傳感器

8.4 檢查高低壓開關(guān)可靠性