地源熱泵技術(shù)講座_二_熱泵循環(huán)與熱泵機組

1、熱泵循環(huán)（）逆卡諾循環(huán)根據(jù)熱力圖上進行方向的不同，熱力循環(huán)可分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)。正向循環(huán)沿順時針方向進行，熱能從高溫熱源向低溫熱源傳遞的過程中對外做功，亦稱為熱機循環(huán)。逆向循環(huán)沿逆時針方向進行，通過消耗能量使熱量從低溫熱源向高溫熱源傳遞。逆向循環(huán)可以用來制冷，也可以用來制熱。用來制冷的逆向循環(huán)稱為制冷循環(huán)，用來制熱的逆向循環(huán)稱為熱泵循環(huán)。制冷循環(huán)關(guān)注的是從低溫熱源吸收的熱量，即制冷量；熱泵循環(huán)關(guān)注的是向高溫熱源放出的熱量，即制熱量。理想的熱泵循環(huán)是逆卡諾循環(huán)。如圖所示，逆卡諾循環(huán)由個等熵過程和個等溫過程組成。這個過程都是可逆的。假設低溫熱源的溫度為，高溫熱源的溫度為，在吸熱和放熱過程中工質(zhì)

2、與低溫熱源及高溫熱源之間沒有溫差，壓縮和膨脹過程沒有任何損失。逆卡諾循環(huán)過程：首先工質(zhì)在下從低溫熱源吸取熱量，并進行等溫膨脹（），然后通過等熵壓縮（），其溫度由升高至，再在下進行等溫壓縮（），并向高溫熱源放出熱量，最后再進行等熵膨脹（），其溫度由降至，工質(zhì)回到初始狀態(tài)（），從而完成一個循環(huán)。循環(huán)所消耗的功為。根據(jù)熱力學第一定律，轉(zhuǎn)換和傳遞的能量守恒，即由熱力學第二定律，可逆循環(huán)的熵增為零，即用性能系數(shù)來衡量熱泵循環(huán)裝置的能量效率，定義為熱泵輸出熱量與消耗的能量之比。逆卡諾循環(huán)的熱泵性能系數(shù)為（）由上式可見，逆卡諾循環(huán)的性能系數(shù)與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，只取決于高低個熱源的溫度。由于熱泵工作時不可避免地

3、存在各種損失，逆卡諾循環(huán)實際上是一個不可能實現(xiàn)的虛擬循環(huán)。但是逆卡諾循環(huán)具有最高的效率，是熱泵循環(huán)研究的終極目標。逆卡諾循環(huán)不僅從理論上指出了提高熱泵循環(huán)性能的重要方向，還可以用來評價實際熱泵循環(huán)的完善程度。通常將工作于相同溫度間的實際熱泵性能系數(shù)與逆卡諾循環(huán)熱泵性能系數(shù)的比值稱為熱力完善度，用表示，即! 熱力完善度也是熱泵循環(huán)的一個技術(shù)經(jīng)濟指標，但它與性能系數(shù)的意義不同。反映了能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量性能，而反映了能量轉(zhuǎn)換的不可逆影響程度。對于不同工作溫度的熱泵循環(huán)無法按的大小來比較其循環(huán)經(jīng)濟性，而只能根據(jù)的大小來判斷。（）蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)蒸氣壓縮式熱泵循環(huán)是在具有溫差傳熱的兩相區(qū)的逆卡諾循環(huán)基礎上

4、改造而成的。利用冷凝器和蒸發(fā)器實現(xiàn)等壓的冷凝放熱和氣化吸熱過程。將等熵壓縮過程移到了蒸氣區(qū)，以取代在兩相區(qū)內(nèi)的不安全、效率低的濕壓縮過程，利用節(jié)流機構(gòu)取代了膨脹機，使設備大為簡化。如圖所示，工質(zhì)經(jīng)歷蒸發(fā)、壓縮、冷凝和節(jié)流個基本過程，在由部件和管路構(gòu)成的封閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)不已，狀態(tài)不斷發(fā)生收稿日期：。 作者簡介：胡連營（），男，遼寧營口人，研究員，碩士，從事熱能利用技術(shù)的研究與開發(fā)。：熱泵循環(huán)與熱泵機組地源熱泵技術(shù)講座（二）胡連營（遼寧省能源研究所，遼寧營口）中圖分類號：文獻標志碼：文章編號：（）可再生能源第卷第期年月 變化，同時完成熱量的傳遞。在熱泵循環(huán)的研究中，通常采用適當簡化的、能代表實際循環(huán)

5、本質(zhì)特性的理論循環(huán)進行分析。如圖所示，理論循環(huán)由個等壓過程、個等熵過程和個等焓過程所組成，各狀態(tài)點的特征見表。理論循環(huán)的性能與熱源的溫度和工質(zhì)的性質(zhì)都有關(guān)，其過程要點列于表。蒸氣壓縮式熱泵的實際循環(huán)比理論循環(huán)更加偏離逆卡諾循環(huán)，其性能系數(shù)還與部件的特性有關(guān)，明顯低于逆卡諾循環(huán)和理論循環(huán)。在實際循環(huán)中，壓縮機的壓縮過程并非是等熵過程；工質(zhì)在冷凝器、蒸發(fā)器和連接管路的流動會產(chǎn)生壓降并存在與外界的熱交換；液態(tài)工質(zhì)和氣態(tài)工質(zhì)分別存在過冷和過熱。這些因素都會對循環(huán)產(chǎn)生一定的影響。為了使節(jié)流閥工作穩(wěn)定，要求液態(tài)工質(zhì)在進入節(jié)流閥之前，具有一定的過冷度。這時壓焓圖上的等焓線（）將向左偏移，可使循環(huán)性能改善，而

6、且過冷度越大對循環(huán)越有利。但是過冷度的提高會受到高溫熱源的限制。為了防止將液滴帶入壓縮機，希望氣態(tài)工質(zhì)在進入壓縮機之前具有一定的過熱度。這時壓焓圖上的等熵線（）將向右偏移，會使壓縮機排氣溫度提高，對壓縮機的可靠性和壽命很不利，因此過熱度的允許值將受到排氣溫度的限制。熱泵工質(zhì)（）熱泵工質(zhì)與制冷劑熱力循環(huán)過程中，能量轉(zhuǎn)換和傳遞是通過工作流體（熱泵工質(zhì)）的狀態(tài)變化進行的。在一定壓力下的工質(zhì)，均有過冷液、飽和液、飽和氣、過熱氣等狀態(tài)。工質(zhì)的飽和液被加熱時，會發(fā)生沸騰（或稱為氣化、蒸發(fā)）并吸熱；反之，工質(zhì)的飽和氣被冷卻時，會發(fā)生凝結(jié)（或稱為冷凝）并放熱。沸騰和凝結(jié)均稱為相變，當壓力發(fā)生變化時，相變溫度也

7、隨之變化。一般將制冷系統(tǒng)中的工作流體稱為制冷劑。從本質(zhì)上說，熱泵工質(zhì)就是制冷劑。特別是對那些兼具制熱和制冷功能的機組來說，只使用一種工作流體，這時就不再區(qū)分熱泵工質(zhì)和制冷劑。對單獨進行制熱或制冷運行的機組來說，由于這種功能的溫度區(qū)域差別往往較大，為了更好地發(fā)揮工作流體在某種溫度下的循環(huán)特性，熱泵工質(zhì)和制冷劑則可能不是同一種流體。早期的制冷劑主要是自然或容易制取的物質(zhì)，如乙醚、氨、等。世紀年代，美國合成的、等以“氟利昂”為商標的制冷劑，熱力性能優(yōu)良、無毒、不燃，很快成為制冷劑的主角。在發(fā)現(xiàn)其環(huán)境影響問題之前，“氟利昂”幾乎風靡于制冷領(lǐng)域。（）工質(zhì)的環(huán)境影響熱泵工質(zhì)的分類見表。世紀年代以后，和對大

8、氣臭氧層的破壞作用及其溫室效應問題被確認。從年的蒙特利爾議定書開始，國際社會多次提出淘汰和限制和的具體日程（表）。發(fā)展綠色環(huán)保工質(zhì)已成為一項緊迫而重要的任務，目前主要由向過渡，最終將回歸到自然物質(zhì)。限制日程發(fā)達國家發(fā)展中國家年停用年停用年削減，年停用。年削減，年停用。表和限制日程表種類表工質(zhì)分類表種類典型工質(zhì)環(huán)境影響危害大即將淘汰有危害限期使用友好溫室效應友好可燃混合工質(zhì)友好溫室效應天然工質(zhì)環(huán)境友好表蒸氣壓縮式熱泵理論循環(huán)狀態(tài)點的特征點號位置狀態(tài)蒸發(fā)等壓線與飽和蒸氣線交點出蒸發(fā)器，進壓縮機冷凝等壓線與過點等熵線交點出壓縮機，進冷凝器冷凝等壓線與飽和蒸氣線交點過熱氣冷卻為飽和氣冷凝等壓線與飽和液

9、體線交點出冷凝器，進節(jié)流閥蒸發(fā)等壓線與過點等焓線交點出節(jié)流閥，進蒸發(fā)器表蒸氣壓縮式熱泵理論循環(huán)的過程要點代號過程部件狀態(tài)等熵壓縮壓縮機耗功等壓冷凝冷凝器放熱等焓節(jié)流節(jié)流閥等壓蒸發(fā)蒸發(fā)器吸熱胡連營熱泵循環(huán)與熱泵機組可再生能源，（）水源熱泵機組（）原理與組成水源熱泵機組是一種可全年運轉(zhuǎn)的空調(diào)設備，其熱源側(cè)以水作為傳熱介質(zhì)，制冷時以水為高溫熱源，制熱時以水為低溫熱源。水源熱泵機組使用側(cè)的換熱介質(zhì)為水或空氣，因此，水源熱泵機組分為水水型和水空氣型種。從功能轉(zhuǎn)換的角度，水源熱泵機組分為無四通閥機組和有四通閥機組類。無四通閥機組通常是用于集中供冷、供熱的大型的水水型機組，其制冷、制熱工況的轉(zhuǎn)換通過水系統(tǒng)的

10、切換來完成；有四通閥機組通常是小型的水水型機組和水空氣型機組，其制冷、制熱工況的轉(zhuǎn)換通過四通閥的切換來完成。水源熱泵機組由壓縮機、熱源側(cè)換熱器、使用側(cè)換熱器、節(jié)流控制元件以及自動控制系統(tǒng)組成，按蒸氣壓縮式循環(huán)的原理工作。在壓縮機的作用下，工質(zhì)在系統(tǒng)中各部件間循環(huán)流動，通過冷凝器向外界流體放熱，通過蒸發(fā)器從外界流體吸熱，從而達到制冷或制熱的目的。制冷、制熱工況的轉(zhuǎn)換通過水系統(tǒng)的切換來完成時，工質(zhì)的流動方向不變，冷凝器和蒸發(fā)器的功能也固定不變，只是轉(zhuǎn)換與熱源側(cè)和使用側(cè)的連接關(guān)系即可；制冷、制熱工況的轉(zhuǎn)換通過四通閥的切換來完成時，工質(zhì)的流動方向改變，冷凝器和蒸發(fā)器的功能也互換，但不需要轉(zhuǎn)換與熱源側(cè)和

11、使用側(cè)的連接關(guān)系。水源熱泵機組由包括壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥的基本部件和輔助部件組成。壓縮機是蒸氣壓縮式熱泵的心臟，它將工質(zhì)從低壓蒸氣壓縮為高壓蒸氣。水源熱泵機組的壓縮機依據(jù)機組的容量和結(jié)構(gòu)進行選用?；钊麎嚎s機和螺桿壓縮機一般用于大中型機組；轉(zhuǎn)子壓縮機運動部件較少，廣泛用于以下的小型機組；渦旋壓縮機只有個運動部件，效率較高，廣泛用于中小型機組。蒸發(fā)器是熱量輸入設備。工質(zhì)與外界流體在其中進行換熱，吸收低溫熱源的熱量，使工質(zhì)從低壓氣液混合物氣化為低壓蒸氣。蒸發(fā)器分為空氣工質(zhì)式、套管式、殼管式、板式等多種類型。冷凝器是熱量輸出設備。工質(zhì)與外界流體在其中進行換熱，向高溫熱源放出熱量，使工質(zhì)從高壓

12、蒸氣冷凝為高壓液體。冷凝器也分為空氣工質(zhì)式、套管式、殼管式、板式等多種類型。節(jié)流閥起到對工質(zhì)節(jié)流降壓的作用，使工質(zhì)從高壓液體變?yōu)榈蛪簹庖夯旌衔?，并調(diào)節(jié)進入蒸發(fā)器的工質(zhì)流量。節(jié)流閥分為毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥種。輔助部件主要包括油分離器、氣液分離器、干燥過濾器、儲液器等專用部件及電磁閥、四通閥、壓力表、溫度計、高低壓控制器、溫控器等測控部件。（）結(jié)構(gòu)形式水水型機組水水型機組按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式和模塊式。整體式機組以一臺或多臺壓縮機為主機，共用蒸發(fā)器和冷凝器。機組單機容量相對較大，效率較高，容量調(diào)節(jié)范圍為，可滿足各種大型負荷用戶使用，并可進行部分負荷調(diào)節(jié)運行（圖）。模塊式機組由多個獨立回路的單元機組組成，每個單元機組有獨立的循環(huán)部件，采用標準的快速接頭連接，根據(jù)不同容量進行組合，將水管連接起來組合成一臺機組。由于每個模塊相對獨立且互為備用，機組的容量擴展與負荷調(diào)節(jié)性能較好，改善了低負荷運行效率（圖）。水空氣型機組按安裝方式分，水空氣型機組有暗裝和明裝種。暗裝機組一般吊裝在房間的天花板中，便于與室內(nèi)的裝潢協(xié)調(diào)一致，一般需要接風管，因此噪音相對較低。暗裝機組也可以設置在專用的小型機房內(nèi)。明裝機組通常直接置于室內(nèi)窗下或墻角處，安裝維修相對方便。按結(jié)構(gòu)形式分，水空氣型機組有整體式和分體式種。整體式機組使用側(cè)換熱器、風機、壓縮機、熱源側(cè)換熱器置于同