第二章_熱泵的基本工作原理與評(píng)價(jià)

1、12 熱泵的基本工作原理與評(píng)價(jià)熱泵的基本工作原理與評(píng)價(jià) n高位能與低位能高位能與低位能 n 熱泵的定義熱泵的定義n熱泵的基本工作原理熱泵的基本工作原理 n熱泵的種類與形式熱泵的種類與形式n熱泵的評(píng)價(jià)熱泵的評(píng)價(jià) 22.1高位能和低位能1-水壩中的水；2-供水池；3-湖水中的水；4-水輪機(jī)；5-水泵 3不同取水方案比較n 取水方案取水方案1 1 由水壩直由水壩直接供水。接供水。n假設(shè)供水量為假設(shè)供水量為10 10 噸噸/ /s s，且不計(jì)機(jī)械摩擦損失和且不計(jì)機(jī)械摩擦損失和管路阻力損失。則方案管路阻力損失。則方案1 1不需要外界作功，但將不需要外界作功，但將損 失 掉 勢(shì) 能損 失 掉 勢(shì) 能 1

2、0 1 0 1001001000=101000=106 6 kg.m/s kg.m/s n 取水方案取水方案2 2 用水泵從用水泵從湖中取水，由壩中的水湖中取水，由壩中的水驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)，水輪機(jī)再驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)，水輪機(jī)再拖動(dòng)水泵。拖動(dòng)水泵。n用水壩中的水用水壩中的水0.909 噸噸/s, 其作功值為其作功值為0.909 1001000=9.09104 kg.m/s。拖動(dòng)拖動(dòng)水輪機(jī)，水輪機(jī)，從湖中取水從湖中取水9.09噸噸,即能完成取水即能完成取水任務(wù)。任務(wù)。4n由此可見(jiàn)，壩中的水和由此可見(jiàn)，壩中的水和湖中的水，雖然都是水，湖中的水，雖然都是水，但其價(jià)值是不同的。壩但其價(jià)值是不同的。壩中的水具有作功能力

3、，中的水具有作功能力，其價(jià)值也高。其價(jià)值也高。n能量不僅有數(shù)量多少之能量不僅有數(shù)量多少之分，也有質(zhì)量問(wèn)題。分，也有質(zhì)量問(wèn)題。5不同供熱方案的比較n 方案方案1 直接用電加熱，直接用電加熱，則需要?jiǎng)t需要10 kW電能。電能。 n方案方案2 2 采用熱泵供熱，采用熱泵供熱，即用電能拖動(dòng)熱泵機(jī)組即用電能拖動(dòng)熱泵機(jī)組向室內(nèi)供熱。向室內(nèi)供熱。n假定供熱溫度假定供熱溫度4545，低，低溫物體溫度溫物體溫度00，如果熱，如果熱泵按理想的逆卡諾循環(huán)泵按理想的逆卡諾循環(huán)工作，則所需要的電能工作，則所需要的電能為為1.1451.145kWkW熱負(fù)荷10kW6不同溫度下的能量比較n室溫下的室溫下的4.1868 4.

4、1868 kJkJ的熱量的熱量n100100下的下的4.1868 4.1868 kJkJ的熱量相比，數(shù)量的熱量相比，數(shù)量相等，但其質(zhì)量卻不同。相等，但其質(zhì)量卻不同。7 綜上所述，可以說(shuō)明以下幾點(diǎn) :n評(píng)價(jià)能源的價(jià)值時(shí)，既要看其數(shù)量，又要看其評(píng)價(jià)能源的價(jià)值時(shí)，既要看其數(shù)量，又要看其質(zhì)量。能量按其質(zhì)量可劃分為高位能和低位能質(zhì)量。能量按其質(zhì)量可劃分為高位能和低位能兩種。同樣，熱源也可分為高位熱源和低位熱兩種。同樣，熱源也可分為高位熱源和低位熱源。源。 n合理地使用高位能的問(wèn)題是十分重要的。因?yàn)楹侠淼厥褂酶呶荒艿膯?wèn)題是十分重要的。因?yàn)閷?shí)際的能量利用過(guò)程有兩個(gè)特性：量的守恒性實(shí)際的能量利用過(guò)程有兩個(gè)特性

5、：量的守恒性和質(zhì)的貶值性。任何用能過(guò)程實(shí)質(zhì)上也可以說(shuō)和質(zhì)的貶值性。任何用能過(guò)程實(shí)質(zhì)上也可以說(shuō)成能的量與質(zhì)的利用過(guò)程。要使熱能得到合理成能的量與質(zhì)的利用過(guò)程。要使熱能得到合理利用，必須合理使用高位能，必須做到按質(zhì)用利用，必須合理使用高位能，必須做到按質(zhì)用能。能。 8由燃料直接提供采暖等所需的低位能，即使在不損失熱量的條件下,室內(nèi)所得到的熱量最多為燃料發(fā)熱量的100%，也應(yīng)該說(shuō)是一種巨大的浪費(fèi) 。因?yàn)?在這種情況下，儲(chǔ)藏在燃料中的化學(xué)能所具有的作功能力未加以合理利用而被貶值了。9n節(jié)約能量的途徑節(jié)約能量的途徑 ，過(guò)去認(rèn)為不用能即節(jié)，過(guò)去認(rèn)為不用能即節(jié)能，實(shí)際上應(yīng)該提高能量的利用率，能，實(shí)際上應(yīng)該提

6、高能量的利用率，“建筑節(jié)能建筑節(jié)能”應(yīng)更準(zhǔn)確地表述為應(yīng)更準(zhǔn)確地表述為“建筑建筑合理用能合理用能”。 102.2熱泵的定義 n目前目前, ,標(biāo)準(zhǔn)、論文、書籍中有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、論文、書籍中有關(guān)“熱泵熱泵”的定義與內(nèi)涵卻各不相同，常給人們一的定義與內(nèi)涵卻各不相同，常給人們一種模糊不清的熱泵概念。因此種模糊不清的熱泵概念。因此, ,有必要做有必要做個(gè)概念明確的統(tǒng)一定義，其內(nèi)涵要更全個(gè)概念明確的統(tǒng)一定義，其內(nèi)涵要更全面、更準(zhǔn)確。面、更準(zhǔn)確。11不同文獻(xiàn)中熱泵的定義n GB50155-99 “熱泵熱泵”的解釋是的解釋是“能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)”。n在在 ( (N

7、ew International Dictionary of New International Dictionary of Refrigeration) Refrigeration) “ “熱泵熱泵”的定義是的定義是“以冷凝器放出的熱量來(lái)供以冷凝器放出的熱量來(lái)供熱的制冷系統(tǒng)熱的制冷系統(tǒng)”。 12n 徐邦裕、徐邦裕、 馬最良等編馬最良等編 “熱泵熱泵”定義為定義為“靠高位能拖動(dòng)，迫使熱量從靠高位能拖動(dòng)，迫使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。低位熱源流向高位熱源的裝置。n熱泵的原理與應(yīng)用（郁永章編）熱泵的原理與應(yīng)用（郁永章編） “熱泵熱泵”是把處于低位的熱能輸送至高位的機(jī)是把處于低位的熱能輸送至

8、高位的機(jī)械械”。n制冷工程技術(shù)詞典（尉遲斌編）制冷工程技術(shù)詞典（尉遲斌編） 熱泵解釋為熱泵解釋為“可連續(xù)將熱量從溫度較低的物體可連續(xù)將熱量從溫度較低的物體（或環(huán)境）傳遞給溫度較高物體的機(jī)械（或環(huán)境）傳遞給溫度較高物體的機(jī)械”。13熱泵定義的剖析與看法n把把“熱泵熱泵”理解為制冷機(jī)、制冷系統(tǒng)、裝置與機(jī)械，各不理解為制冷機(jī)、制冷系統(tǒng)、裝置與機(jī)械，各不相同。顯然熱泵不是制冷機(jī)，也不是制冷系統(tǒng)，而應(yīng)該是相同。顯然熱泵不是制冷機(jī)，也不是制冷系統(tǒng)，而應(yīng)該是一種裝置或稱為機(jī)械。熱泵概念的引出應(yīng)從合理的使用高一種裝置或稱為機(jī)械。熱泵概念的引出應(yīng)從合理的使用高位能的角度引出。位能的角度引出。n 制冷機(jī)可以作為熱

9、泵的工作機(jī)。因?yàn)橹评溲h(huán)既制造了制冷機(jī)可以作為熱泵的工作機(jī)。因?yàn)橹评溲h(huán)既制造了低于環(huán)境溫度的物質(zhì)，并從環(huán)境溫度下的物體中吸取熱量，低于環(huán)境溫度的物質(zhì)，并從環(huán)境溫度下的物體中吸取熱量，又制造了高于環(huán)境溫度的熱量，而獲得供熱效果，形成了又制造了高于環(huán)境溫度的熱量，而獲得供熱效果，形成了所謂的熱泵作用。所謂的熱泵作用。n把把“熱泵熱泵”理解為一種裝置或機(jī)械還不夠，而應(yīng)明確是一理解為一種裝置或機(jī)械還不夠，而應(yīng)明確是一種節(jié)能裝置或節(jié)能機(jī)械種節(jié)能裝置或節(jié)能機(jī)械 14熱泵的定義與內(nèi)涵n熱泵：熱泵： 是一種利用高位能使熱量從低位熱源流是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置。向高位熱源的節(jié)能裝

10、置。 顧名思義，熱泵也就是像泵那樣，可以把不能直接利用顧名思義，熱泵也就是像泵那樣，可以把不能直接利用的低位熱能的低位熱能( (如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽(yáng)能、如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽(yáng)能、工業(yè)廢熱等工業(yè)廢熱等) )轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，從而達(dá)到節(jié)轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，從而達(dá)到節(jié)約部分高位能（如煤、燃?xì)?、油、電能等）的目的。約部分高位能（如煤、燃?xì)狻⒂?、電能等）的目的?5熱泵定義內(nèi)涵的理解：熱泵定義內(nèi)涵的理解：n 熱泵雖然需要消耗一定量的高位能，但熱泵雖然需要消耗一定量的高位能，但所供給用戶的熱量卻是消耗的高位熱能所供給用戶的熱量卻是消耗的高位熱能與吸取的低位熱能的總和

11、。因此，熱泵與吸取的低位熱能的總和。因此，熱泵是一種節(jié)能裝置。是一種節(jié)能裝置。16低位能環(huán)境溫度高于環(huán)境溫度的熱源高位能動(dòng)力機(jī)工作機(jī)17n熱泵既遵循熱力學(xué)第一定律，在熱量傳熱泵既遵循熱力學(xué)第一定律，在熱量傳遞與轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，遵循著守恒的數(shù)量遞與轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，遵循著守恒的數(shù)量關(guān)系；又遵循著熱力學(xué)第二定律，熱量關(guān)系；又遵循著熱力學(xué)第二定律，熱量不可能自發(fā)的、不付代價(jià)的、自動(dòng)的從不可能自發(fā)的、不付代價(jià)的、自動(dòng)的從低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體。在熱泵定義低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體。在熱泵定義中明確指出，熱泵是靠高位能拖動(dòng)，迫中明確指出，熱泵是靠高位能拖動(dòng)，迫使熱量由低溫物體傳遞給高溫物體。使熱量由低溫物體傳遞給

12、高溫物體。182.3熱泵的基本工作原理熱泵的工作原理與制冷的原理相同，但它們工作的溫度范圍不同。圖中TA是環(huán)境溫度，Te是低溫物體的溫度，Th是高溫物體的溫度。 按熱泵驅(qū)動(dòng)功的型式，可把常見(jiàn)的熱泵分為多種形式：19機(jī)械壓縮式熱泵 20吸收式熱泵； 21蒸汽噴射式熱泵； 22帖爾帖熱泵（熱電熱泵 23吸附式熱泵24熱泵的制熱性能系數(shù)：熱泵的制熱性能系數(shù)：靜輸入的能量有效制熱量h靜輸入的能量有效制熱量h靜輸入的能量有效制熱量h25n機(jī)械壓縮式熱泵機(jī)械壓縮式熱泵 （理想情況，卡諾循環(huán)）理想情況，卡諾循環(huán)）1cLhhehTTTWQLhLccTTTWQ26n機(jī)械壓縮式熱泵機(jī)械壓縮式熱泵 （實(shí)際循環(huán)）實(shí)際

13、循環(huán)）LhhhhTTT55. 055. 0國(guó)外研制的熱泵裝置，其制熱性能系國(guó)外研制的熱泵裝置，其制熱性能系數(shù)一般為數(shù)一般為3636之間。之間。 272.4熱泵的種類與形式熱泵可按多種特征進(jìn)行分類熱泵可按多種特征進(jìn)行分類n按低位熱源分：按低位熱源分：n按熱泵與供熱介質(zhì)的組合方式分按熱泵與供熱介質(zhì)的組合方式分 n按用途分按用途分 n按供熱溫度分按供熱溫度分n按熱泵循環(huán)的驅(qū)動(dòng)方式分按熱泵循環(huán)的驅(qū)動(dòng)方式分28按低位熱源分n空氣源熱泵空氣源熱泵n水源熱泵（地表水、地下水、生活廢水、水源熱泵（地表水、地下水、生活廢水、工業(yè)廢水）工業(yè)廢水）n土壤源熱泵土壤源熱泵n太陽(yáng)能熱泵等太陽(yáng)能熱泵等 29按熱泵與供熱介

14、質(zhì)的組合方式分n空氣空氣/ /空氣熱泵空氣熱泵n空氣空氣/ /水熱泵水熱泵n水水/ /空氣熱泵空氣熱泵n水水/ /水熱泵水熱泵n土壤土壤/ /空氣熱泵空氣熱泵n土壤土壤/ /水熱泵水熱泵 n 低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩? /熱媒：熱媒：30按用途分n小型水加熱器美國(guó)小型水加熱器美國(guó) 19881988年已運(yùn)行的熱泵熱水器達(dá)年已運(yùn)行的熱泵熱水器達(dá)200200多萬(wàn)臺(tái)多萬(wàn)臺(tái)。n全年運(yùn)行的空調(diào)和采暖熱泵全年運(yùn)行的空調(diào)和采暖熱泵 n同時(shí)供熱供冷熱泵同時(shí)供熱供冷熱泵n同時(shí)供熱供冷熱泵同時(shí)供熱供冷熱泵n廢熱利用熱泵廢熱利用熱泵n蒸氣壓縮機(jī)及蒸餾裝置蒸氣壓縮機(jī)及蒸餾裝置31裝置的用途裝置的用途用熱用熱用冷用冷魚類加工廠魚

15、類加工廠清洗用溫水清洗用溫水制冷制冷肉類加工廠肉類加工廠清洗用溫水清洗用溫水冷卻和制冷冷卻和制冷農(nóng)舍農(nóng)舍清洗機(jī)器和清潔用溫水清洗機(jī)器和清潔用溫水牛奶冷卻、空調(diào)用冷牛奶冷卻、空調(diào)用冷乳品廠乳品廠清洗用溫水清洗用溫水牛奶冷卻、儲(chǔ)存室冷卻牛奶冷卻、儲(chǔ)存室冷卻屠宰場(chǎng)屠宰場(chǎng)清洗用溫水清洗用溫水冷藏庫(kù)及速凍間冷藏庫(kù)及速凍間溜冰場(chǎng)溜冰場(chǎng)采暖、游泳池采暖、游泳池冰場(chǎng)制冷冰場(chǎng)制冷大型冷庫(kù)大型冷庫(kù)供熱、出售熱量供熱、出售熱量冷藏間冷藏間啤酒廠啤酒廠溫水溫水啤酒窖及麥芽汁冷卻啤酒窖及麥芽汁冷卻工業(yè)能源中心工業(yè)能源中心溫水和熱水溫水和熱水冷鹽水、冰、冰水冷鹽水、冰、冰水同時(shí)供熱供冷熱泵同時(shí)供熱供冷熱泵32裝置用途裝置

16、用途用熱用熱廢熱來(lái)源廢熱來(lái)源洗衣房洗衣房熱水熱水廢水廢水旅館、醫(yī)院旅館、醫(yī)院溫水溫水廢水廢水印染和其他紡織工業(yè)印染和其他紡織工業(yè)熱水、熱堿水熱水、熱堿水廢水廢水造紙和其他加工工業(yè)造紙和其他加工工業(yè)熱水、干燥過(guò)程熱水、干燥過(guò)程排氣、廢水排氣、廢水麥芽作坊麥芽作坊干燥室干燥室蒸氣蒸氣農(nóng)用空調(diào)裝置農(nóng)用空調(diào)裝置采暖、熱水采暖、熱水馬棚、孵化室等馬棚、孵化室等香蕉催熟裝置香蕉催熟裝置催熟間催熟間冷藏室冷藏室干燥裝置干燥裝置干燥空氣干燥空氣排氣、排出的空氣去排氣、排出的空氣去濕濕廢熱利用熱泵33 按供熱溫度分n低溫?zé)岜?，供熱溫度低溫?zé)岜?，供熱溫?00100n高溫?zé)岜茫釡囟雀邷責(zé)岜?，供熱溫?0010

17、0 按熱泵循環(huán)的驅(qū)動(dòng)方式分n電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)熱泵；電動(dòng)熱泵；n熱力驅(qū)動(dòng)熱泵熱力驅(qū)動(dòng)熱泵熱能驅(qū)動(dòng)，如吸收式熱熱能驅(qū)動(dòng)，如吸收式熱泵、蒸氣噴射式熱泵；發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)（內(nèi)泵、蒸氣噴射式熱泵；發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)（內(nèi)燃機(jī)、氣輪機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)等）燃機(jī)、氣輪機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)等）。34 常見(jiàn)閉式蒸汽壓縮循環(huán)熱泵 圖示圖示3536373839404142432.5 熱泵的評(píng)價(jià)n在暖通空調(diào)工程中采用熱泵節(jié)能的經(jīng)濟(jì)在暖通空調(diào)工程中采用熱泵節(jié)能的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)問(wèn)題十分復(fù)雜，影響因素很多，其評(píng)價(jià)問(wèn)題十分復(fù)雜，影響因素很多，其中主要有中主要有負(fù)荷特性、負(fù)荷特性、系統(tǒng)特性、地區(qū)氣系統(tǒng)特性、地區(qū)氣候特性、低位熱源特性、設(shè)備價(jià)格、設(shè)候特性、低位熱源特性、設(shè)備價(jià)格、設(shè)備使用壽命、燃料價(jià)格、電力價(jià)格備使用壽命、燃料價(jià)格、電力價(jià)格等等。n但總的原則圍繞著兩方面，但總的原則圍繞著兩方面， 即即節(jié)能效果節(jié)能效果和和經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)濟(jì)效益。 44幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)n熱泵的制熱性能系數(shù)熱泵的制熱性能系數(shù)11eeechWQWWQWQGB/T7725-1996GB/T7725-1996標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，制熱性標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，制熱性能系數(shù)中消耗的功率應(yīng)為有效輸入功能系數(shù)中消耗的功率