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第七章空调系统（2）7.5热泵空调系统•7.5.1空气源热泵（ASHP)空调系统•7.5.2水源热泵（WAHP）空调系统7.5.1空气源热泵(ASHP)空调系统•概述•水源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、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。水源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。•空气源热泵的原理及特点••空气源热泵又称热泵热水器，就是一种能全天24小时大水量、高水压、恒温提供不同热水需求，同时又能消耗最少的能源完成上述要求的热水器。并在高效制取生活热水的同时，能够像空调一样释放冷气，满足制冷需求，同时可以在阳台、储物间、车库等局部空间达到除湿的作用防止物品发霉变质或者快速晾干衣物。•发展历史••第一代大功率燃气热水器：••1、出水温度和水压受气候条件影响大，不稳定不易调节水温。2、燃烧能耗高并伴随排放大量有毒废气，使用年限低。•第二代大功率电热水器：••1、主要是能耗较高，容易漏电伤人，储水量不足。2、水温过高导致内胆结垢严重使用寿命短。•第三代太阳能热水器：••1、理论上最为节能，但是考虑到实际情况现实环境中会经常下雨阴天及北方冬季等需要外加电辅助，就相当一个电热水器安全隐患大。•2、由于一般太阳能为开式系统热水的水压，完全由高差决定，舒适性差。3、一般太阳能所使用的真空管极易破碎，维修麻烦，使用年限较低。•第四代：空气源热泵•是将空气中的能量吸收，变成热量转移到水箱中，把水加热起来，同时把失去大量能量的低温空气释放出来，用于制冷。空气在失去能量降低温度的同时，大量的水蒸气被冷凝，因而释放的冷气湿度大大降低，相当于具有除湿的效果。因此该系统集节能中央热水、制冷、局部除湿功能于一体，大大挺高的产品的性价比和使用性能。为更多家庭享受高品质生活提供了条件•工作原理••热泵是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求，传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。建筑空调系统由于必须有冷源（制冷机），如果让它在冬季以热泵的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的大气污染问题。热泵利用的低温热源通常是环境（大气、地表水和大地）或各种废热由热泵从这些热源吸收的热量属于可再生能源。•空气源热泵是将空气中的能量吸收，变成热量转移到水箱中，把水加热起来，同时把失去大量能量的低温空气释放出来，用于制冷。空气在失去能量降低温度的同时，大量的水蒸气被冷凝，因而释放的冷气湿度大大降低，相当于具有除湿的效果。因此该系统集节能中央热水、制冷、局部除湿功能于一体，大大挺高的产品的性价比和使用性能。为更多家庭享受高品质生活提供了条件.•供冷/热系统流程图••空气源热泵通常由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀4部分构成，传热工质在机组内封闭运行，空气源热泵热水机组目前常用的传热工质有R22和R134a，并通过冷凝器和蒸发器与外部发生热交换。•1．冬天供热•在制热时,液态制冷剂在空气换热器中汽化,吸收空气中的热量,低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩后变为高温高压气体送至水换热器。由于制冷剂的温度高于水的温度。制冷剂从气态冷却为液态,液体制冷剂经膨胀阀节流后,在压力作用下进入空气换热器,低压气体制冷剂再次汽化,完成一次循环。在这个循环中,随着制冷剂状态的变动,实现了热量从空气侧向水侧的转移•夏季制冷在制冷时,液态制冷剂在水换热器中汽化,使水温降低。低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩,变为高温高压气体,进入空气换热器,由于制冷剂温度高于空气温度,制冷剂向空气传热,制冷剂经气体冷凝为高压液体,高压液态制冷剂经膨胀阀节流后进入水换热器,低压液体制冷剂再次汽化,完成一个循环。在这个循环过程中,随着制冷剂状态的变动,实现了热量从水侧向空气侧的转移.•机组用性能系数ＣＯＰ来评价其运行效率，ＣＯＰ的计算公式如下：•ＣＯＰ=制热功率/输入功率••在标准工况下，机组的ＣＯＰ值通常４。对不同的传热工质、压缩机类型、容量和种类的机组，其ＣＯＰ值会有些差异。在运行中，影响热泵机组ＣＯＰ值的主要因素是蒸发器和冷凝器外部介质（空气或水）的工作温度，以及它们之间的温差。两者之间的温差越大，ＣＯＰ值就越低，反之，ＣＯＰ值就越高。•空气源热泵的运行特点是机组出水温度过高，当需要高温热水时，需采用辅助热源；被加热水１次温升通常为５摄氏度，故采用蓄热运行。另外，机组均有最佳运行工况，这时的ＣＯＰ值最高，当运行工况偏离时，ＣＯＰ值降低，偏离过大时甚至不能正常工作。由以上的工作原理可以看出，空气源热泵的工作原理与空调原理有一定相似，应用了逆卡诺原理，通过吸收空气中大量的低温热能，经过压缩机的压缩变为高温热能，传递给水箱中，把水加热起来。整个过程是一种能量转移的过程（从空气中用转移到水中），不是能量转换的过程，没有通过电加热元件加热热水，或者燃烧可燃气体加热热水。•空气源热泵的优缺点••空气源热泵是新型的绿色能源产业，与传统的燃气、电热水器产品相比，它不仅安全而且节能环保，即使与太阳能相比，也有明显的优势。它一改传统太阳能产品只依赖太阳光直射或辐射来收取能源的方式，利用设备内的冷媒从自然环境空气中采集热能并通过热交换器使冷水升温。其特点包括：优点:1）设计先进•通过计算机仿真测试实验室，模拟各种恶劣环境的运行，调试评估出机组系统的最优化配置方案及机组最合理的COP值。运用现代计算机仿真技术结合设计风道系统，有效减少高频噪音。2）智能控制•强大的微电脑控制功能，彻底解决系统运行的安全问题，能够智能化的向终端用户提供连续、稳定的卫生热水。3）高端配置电子膨胀阀本身具有很大的调节能力，从而更保证了更强的节流能力；管翅片热交换器采用内螺纹铜管，翅片采用亲水铝箔，具有高效的热交换性能，从而增大其换热量；机组冷凝器采用进口高效优质的螺旋铜管制作，换热能力充足，能效比更高；拥有专利的融霜控制技术，保证机组具有良好的制热性能，除霜更快更彻底；确保机组能够稳定运行。•4）高效节能•空气源热泵是通过大量获取空气中免费热能，消耗的电能仅仅是压缩机用来搬运空气能源所用的能量，因此热效率高达380%—600%，制造相同的热水量，空气源热泵的使用成本只有电热水器的1/4，燃气热水器的1/3，太阳能热水器的1/2。高热效率是空气源热泵最重要的法宝之一。）绿色环保、安全可靠•空气源热泵独特的使用原理，实现其在工作过程中彻底水电分离，从根本上杜绝漏电事故；并且由于其在使用过程中无需任何燃料输送管道，没有燃料泄露等引起火灾、爆炸、中毒等危险；同时，空气源热泵在工作过程中没有任何有毒气体、温室气体和酸雨气体排放，也没有费热污染。这些也成为空气源快速发展铺垫了宽阔的道路6）全方位保护•机组有全方位的保护系统、各种参数查询、故障查询、系统参数查询等功能，动行安全可靠、方便，真正做到无需人员值守，节省开支。•缺点：•1）外观问题•可以说，空气源热泵目前主要的弊病之一是体积硕大，对安装场所的选择有一定要求。空气源热泵一般可分为一体式和分体式两种，由于城市家庭卫生间普遍较小，因此不管是哪种类型，其庞大的身躯可能会让使用者望而却步。•2）结霜问题•区域性特征明显，因其对外界环境温度依赖过大，其正常工作环境温度在-5度-40度之间，故基本适用于华东、华南等长江以南地区，广东、福建、浙江、湖南、江西、云南等省份空气能热泵发展比较良好。•3）压缩机易烧坏•目前市面上的空气源热泵普遍采用循环式加热系统，该系统日益暴露出技术缺陷，即在高温高压工况下运行，容易使压缩机老化、碳化，加之系统润滑效果不好，导致压缩机易被烧坏。•4）换热器和套管换热器易结垢断裂。•空气源热泵的出水温度通常可达到50至60摄氏度，在这个温度范围内水是最易结垢的，如果不能定期清洗换热器，对于板式换热器而言，就会胀破，对于套管式换热器而言，其内管会破裂，从而导致整个热泵热水机组失去功能。•分类•根据热泵的热源介质来分，热泵可分为空气源热泵和水源热泵，而水源热泵又分为水环热泵和地源热泵。水环热泵是充分利用室内余热的一种热泵，冬季当室内余热不足时，可利用锅炉进行加热；夏季当室内余热过多时，可利用冷却塔进行排热。地源热泵在国内的应用刚刚起步，有关地源热泵的术语很多，也很不规范，为了避免混淆，现统一采用ASHRAE1997年规定的标准术语，即地源热泵(Ground-SourceHeatPump,GSHP)。地源热泵是一个广义的术语，它包括以地下水、地表水和土壤作为热源和热汇的热泵系统。以土壤为热源和热汇的热泵系统称之为土壤源热泵(Ground-CoupledHeatPump,GCHP)；以地下水为热源和热汇的热泵系统称之为地下水源热泵(Ground-WaterHeatPump,GWHP)；以地表水为热源和热汇的热泵系统称之为地表水源热泵(SurfaceWaterHeatPump,SWHP)。7.5.2水源热泵(WSHP)空调系统•工作原理•作为自然现象，热量总是从高温端流向低温端。但如同水泵把水从低处提升到高处那样，人们可以用热泵技术把热量从低温端抽吸到高温端。所以热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中储存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这就是热泵节能的关键所在。水源热泵机组工作原理就是利用地球表面浅层地热能如土壤、地下水或地表水（江、河、海、湖或浅水池）中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，在夏季利用制冷剂蒸发将空调空间中的热量取出，放热给封闭环流中的水，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量；而冬季，利用制冷剂蒸发吸收封闭环流中水的热量，通过空气或水作为载冷剂提升温度后在冷凝器中放热给空调空间。•系统组成•水源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机主要有两种形式：水—水式或水—空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。优缺点水源热泵空调系统主要具有以下技术优势：•（1）水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接地接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵一种利用清洁的可再生能源的技术。•（2）水源热泵机组可利用的水体温度冬季为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℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。据美国环保署（EPA）估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户30％～40％的供热制冷空调的运行费用。•（3）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。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。•（4）水源热泵使用的是电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源并导致污染物和CO2温室气体的排放。所以节能的设备本身的污染就小。设计良好的水源热泵机组的电力消耗