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熱泵空調系統的原理及主要特點

熱泵與建筑空調

熱泵空調系統的原理及主要特點

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流向溫度高的介質的裝置。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。熱泵與制冷機在名稱上的差別只是反映了在應用的目的上的不同：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 建筑的空調系統一般應滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統的空調系統通常需分別設置冷源（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，但排放的溫室效應氣體（CO2）仍造成環境問題，而且運行費用很高。建筑空調系統由于必須有冷源（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，采用熱泵空調系統還可以兼顧生活熱水供應，特別在制冷（空調）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）產生熱量，并通過若干個傳熱環節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熱量之比）不可能超過*。如果先利用燃燒燃料產生的高溫熱能發電，然后利用電能驅動熱泵從周圍環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，即供熱量與消耗的電能之比，現在可達到3~4；火力發電站的效率可達35~58%（高值為燃氣聯合循環電站）。采用燃料發電再用熱泵供熱的方式，在現有先進技術條件下一次能源利用率也可以達到200%以上。用電熱設備（例如電暖氣、電鍋爐，電輻射采暖）也可以把電能轉變為熱能，為什么還要用熱泵呢？由于用電阻加熱設備把電能轉化為熱能的性能系數 (COP) 為1，而在火力發電廠中由燃料的化學能轉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，是不經濟的。

（二）空調熱泵的分類及其優缺點 以建筑物的空調（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統，其一個熱源就是建筑物內部的環境，就其另一個熱源的性質來分，現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zui為簡單，因而初投資zui省，現有的家用冷暖空調器就是這樣的空氣源熱泵。空氣源熱泵的缺點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，空氣源熱泵的蒸發器上會結霜，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有明顯的節能和保護大氣環境的效益，對宣傳和推動熱泵技術在空調中的應用也起到了積極的作用。但是，這種“地下水源熱泵”技術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應采取慎重的態度。

3． 地源熱泵 另一種熱泵利用大地作為熱泵系統的熱源的技術，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中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調系統全年的能源利用效率。據測算，采用地源熱泵供熱時在濟南地區的住宅在一個采暖季節的供熱費用可在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。夏季空調的電耗也大大減少。簡要的說，地源熱泵空調系統主要優點是：環保節能，可持續發展；一機多用，節省建筑空間，無需冷卻塔和室外風冷部分，對建筑外觀影響?。贿\行費用低，快；全年運行，均衡用電負荷?，F在在國外得到較為廣泛應用的地源熱泵系統采用介質流經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。

地源熱泵空調系統組成及主要型式

（一） 系統組成 地源熱泵空調系統一般由三個必需的環路組成，必要時可增加第四個預熱生活熱水環路。如圖1所示。 1．地熱換熱器環路 由高強度塑料管組成的在地下循環的封閉環路，循環介質為水或防凍液。冬季從周圍土壤（地層）吸收熱量，夏季向土壤（地層）釋放熱量，其循環有一臺低功率的循環泵來實現。 2．制冷劑環路 即在熱泵機組內部的制冷循環，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，其它結構基本相同。 3．室內環路 室內環路在建筑物內和熱泵機組之間傳遞熱量，傳遞熱量的介質有空氣、水或制冷劑等，因而相應的熱泵機組分別應為水—空氣熱泵機組、水—水熱泵機組或水—制冷劑熱泵機組。 4．生活熱水環路 將水從生活熱水箱送到冷凝器去進行循環的封閉加熱環路，是一個可供選擇的環路。對于夏季工況，該循環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；在冬季或過渡季，其耗能也大大低于電熱水器。供熱循環和制冷循環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冷熱工況的轉換，即內部轉換。也可通過互換冷卻水和冷凍水的熱泵進出口而實現，即外部轉換。

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

與此相應的空調系統型式主要有三種：

1．水－水系統 水－水系統熱泵主機的制冷工況與普通冷水機組的功能相同，即它是空調系統的冷源，為各種空調系統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，能夠為空調系統提供45～550C的熱水。在選用該型主機時，應著重注意兩點：一是空調系統供熱工況或供暖方式末端裝置的選擇、設計應與熱媒參數相匹配；二是該型主機制冷與供熱工況間的轉換一般是通過機外二次冷媒水與地熱換熱器循環水流道切換實現的。因此水系統的設計應滿足這一要求。

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

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

機組本身應有如下降低噪聲的措施：

壓縮機應裝設專門的減震彈簧；

機箱內側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。

水源熱泵機組保養規程

保養工作內容

1．檢查機組運行情況，查閱運行記錄及機組報警內容

1.1 檢查機組運行記錄，分析zui后報警內容

1.2 檢查報警可能的發生點

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 檢查蒸發器、冷凝器連接固定可靠

3．檢查機組冷凝器及蒸發器的污染情況

3.1 檢查發器結垢情況

3.2.檢測水側與冷媒間溫差

3.3 根據蒸發器水系統污染情況進行蒸發器排污或建議用戶化學清洗

4．檢查系統與潤滑系統情況

4.1 檢查壓縮機潤滑油油質，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．檢查控制箱內電氣接線、運行可靠性，應避免由于存在接觸、振動，在運行中磨損損壞

6.1 檢查壓縮機接線盒內接線柱固定可靠

6.2 檢查控制箱內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，必要時作保養和更換

8．檢查機組校準各傳感器和儀表、壓力開關的整定值

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

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 檢查高低壓開關可靠性