專題熱泵課件

利用中低品位能源的熱泵技術(shù)2003.9.19內(nèi)容提要

熱泵的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

我們已經(jīng)和將要進行的工作

尚待解決的問題制冷與熱泵q2q2q1q1wwT2T0T0T1

兩者的目的和著眼點不同制冷熱泵高溫高溫低溫低溫

兩者的工作溫度范圍不同工作原理相同主要供暖方式熱用戶燃煤、燃氣鍋爐集中供熱直接電采暖（蓄熱鍋爐、地板輻射、電熱膜）熱泵（空氣源、水源）熱泵的能量利用系數(shù)高直接電100%電廠發(fā)電33%損失67%房間33%鍋爐100%鍋爐效率70%房間70%損失30%熱泵熱泵100%電廠發(fā)電33%損失67%99%房間130%COP=4熱泵與能源燃燒供熱供冷熱水熱泵化石燃料熱能電能原子能，自然能（水、風、太陽）城市排熱自然熱源下水、地下鐵道、工廠、大樓、變電所、垃圾焚燒空氣、地下水、海水、河川水、土壤、生物質(zhì)氣熱泵種類循環(huán)方式電驅(qū)動吸收式熱力驅(qū)動低端來源空氣源水源高端溫度常溫中高溫土壤源地源燃氣引擎驅(qū)動空氣－空氣熱泵(a)夏季制冷循環(huán)(b)冬季熱泵循環(huán)

制冷與熱泵兩用裝置示意圖A四通換向閥，B毛細節(jié)流裝置，C壓縮機制冷制熱土壤源熱泵地下井水熱泵系統(tǒng)熱泵地表水熱泵系統(tǒng)熱泵地熱水和余熱水熱泵系統(tǒng)水環(huán)熱泵系統(tǒng)示意圖大功率水源熱泵GWHP-400型R134a,72oC熱泵的發(fā)展歷史

1852年湯姆遜（Thompson）提出設(shè)想，1930年，美國愛迪生公司，將制冷設(shè)備用于供熱，供熱量達1050kW

1912年，瑞士Zoelly首次提出水源熱泵概念，并申請專利，1938年，歐洲第一臺較大的熱泵175kW，利用蘇黎世河水

1974年，能源危機，出現(xiàn)應(yīng)用實例

近十幾年，特別是近5年，節(jié)能與環(huán)保壓力，得到迅猛發(fā)展。

美國單元熱泵國外水源熱泵裝機現(xiàn)狀

中、歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國、丹麥等，1999年統(tǒng)計，在家用供暖裝置，水源熱泵所占比例，瑞士96％，奧地利38％，丹麥27％。

1985年，美國有1.4萬臺，1997年4.5萬臺，2001年40萬臺，每年10％的速度增長，1998年占商用建筑19％，其中新建筑30％國外土壤源熱泵的實例

美國較大的土壤源熱泵系統(tǒng)，加州斯托克頓州立大學

390多個深度120m孔，地下總長93600m

高強度聚氯乙烯管，冬夏兩季

地面上為停車場、花園、建筑、道路

為32000m2多功能建筑群服務(wù)

年節(jié)約費用45.5萬美元，節(jié)電25％，節(jié)約燃料70％土壤源熱泵實例

IEA/HeatPumpCenter,2001全球熱泵的使用量

家用熱泵：110106臺商業(yè)和公用熱泵:

15106臺

工業(yè)熱泵:30000臺全球熱泵的年產(chǎn)量

家用熱泵：12.3106臺商業(yè)和公用熱泵:

1.5106臺

工業(yè)熱泵:4000臺全球熱泵每年產(chǎn)熱800TWh，減排CO2130Mt

日本的超級熱泵計劃

1984開始，預(yù)算經(jīng)費100億日元供熱專用出水85°CCOP=8冷熱兼用出水45°CCOP=6出水7°CCOP=7高溫型出水150°CCOP＝3以上出水300°CCOP＝3以上

日本的超級熱泵計劃

國內(nèi)的供暖熱泵情況1965年，第1臺風冷熱泵(3720W)1980年，空氣-水熱泵(55kW+48kW輔助電加熱)國家用電政策限制1996年開始大量空氣源90年代后期，50余個水環(huán)熱泵1996－2000年，130多個地源熱泵工程中國空氣源熱泵產(chǎn)量中國水源熱泵應(yīng)用北京友誼醫(yī)院共7.6萬m2冬天供暖夏天供冷國內(nèi)土壤源熱泵系統(tǒng)中國水源熱泵應(yīng)用北京市海淀區(qū)區(qū)政府共5.8萬m2供暖功率6503kW供冷功率4845kW中國水源熱泵應(yīng)用北京華清地熱中心共6千m21臺QYHP300H空氣源熱泵現(xiàn)狀和存在的問題

1、技術(shù)較簡單和成熟2、性能系數(shù)比水源熱泵低3、-10C以下運行困難4、結(jié)霜問題水源熱泵的特點1、清潔的可再生能源利用技術(shù)2、高效節(jié)能3、運行穩(wěn)定可靠4、環(huán)保效益顯著5、一機多用，應(yīng)用范圍廣6、維護費用低，自動化程度高7、缺點:水源國內(nèi)目前水源熱泵現(xiàn)狀

簡單采用空調(diào)用冷水機組的翻版

缺乏水源熱泵的系列技術(shù)

缺乏水源熱泵的相關(guān)數(shù)據(jù)庫和計算方法內(nèi)容提要

熱泵的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

我們已經(jīng)和將要進行的工作

尚待解決的問題國內(nèi)現(xiàn)水源熱泵技術(shù)北京恒有源“中央液態(tài)冷熱源”：R22清華同方：R22北京金萬眾：R22東宇制冷：R22濟南英特制冷：R407C秦皇島松普空調(diào)：R22(57oC)山東海陽富爾達：R22中科能：R134a（60-65℃）當溫度高，壓力太高常溫與中、高溫水源熱泵常溫：利用10-25度的低溫熱水產(chǎn)生45-55度的高溫熱水中、高溫：利用30-60度的低溫熱水產(chǎn)生60-90度的高溫熱水北京市科委項目技術(shù)目標

合同要求：制熱量：200kW能效比：3.0外供熱水溫度：85℃低品位來水溫度：55℃實際達到：制熱量：300kW左右能效比：3.6左右外供熱水溫度：60

90℃低品位來水溫度：30

60℃研究的指導(dǎo)思想

符合出水溫度85℃的要求

高溫工質(zhì)兼顧環(huán)保和安全性能

盡量使用技術(shù)成熟的R22壓縮機

盡量使用礦物冷凍油

盡量低的成本

機組能達到商業(yè)化生產(chǎn)要求THR01(發(fā)明專利)的壓焓圖

HTR01材料相容性實驗綜合ASHRAE標準的密封玻璃管法和美國保險商實驗室(UL)標準的高壓釜法搭建實驗臺

材料相容性試驗臺示意圖1．不銹鋼高壓釜2．熱敏電阻測溫探頭3．溫度控制器4．壓力表5．閥門 6．恒溫器金屬材料相容性實驗材料：曲軸、銅、閥片、漆包線、硅鋼片

試驗工況：參照美國MCLR計劃的規(guī)定，金屬材料試驗溫度為150℃，試驗壓力為1.03～2.42MPa，試驗時間為14天。

金屬材料相容性實驗結(jié)果R22與硅鋼片

HTR01與硅鋼片

實驗前

實驗前

實驗后

實驗后

塑膠材料相容性實驗結(jié)果材料：聚四氟乙烯、硬聚酯薄膜、軟聚酯薄膜、硬套管、軟套管、引出線、線圈綁線

試驗工況：參照美國MCLR計劃的規(guī)定，塑膠材料試驗溫度為70℃，試驗壓力為1.03～2.42MPa，試驗時間為14天。

實驗前

實驗后

HTR01與軟套管

制冷劑和礦物油的比例約為1：5HTR01油溶性實驗0℃不溶5℃微溶10℃相溶20℃相溶HTR01與礦物油≥10℃時完全相溶，滿足需要

HTR01可燃性實驗在按照美國試驗與材料協(xié)會標準ASTM681搭建的一套制冷劑的可燃性試驗裝置上進行實驗。

小型實驗系統(tǒng)圖高溫水源熱泵小型實驗裝置小型實驗機組循環(huán)水系統(tǒng)小型實驗機組自動控制系統(tǒng)

壓縮機：德國比澤爾半封閉式雙螺桿CSH8561-125Y，額定電功率92kW

蒸發(fā)器和冷凝器：采用臥式殼管換熱器內(nèi)螺紋銅管高效強化換熱技術(shù)水側(cè)設(shè)計壓力為1.6MPa

雙膨脹閥。便于能量調(diào)節(jié)

機組采用星角啟動。便于根據(jù)負荷變化自動調(diào)節(jié)運轉(zhuǎn)負荷樣機特點和功能

全自動控制功能。西門子6ES7-214可編程控制器；TD200操作顯示器；6ES7-235輸入輸出模塊顯示運行參數(shù)、參數(shù)設(shè)定、故障自診斷、報警等

完善的安全保護系統(tǒng)。

壓縮機排氣壓力過高保護、壓縮機吸氣壓力過低保護、電機保護、斷水保護、冷水溫度過低（防凍）保護、熱水溫度過高保護等

自動控制的油加熱回路和油冷卻回路。

能量調(diào)節(jié)功能?？筛鶕?jù)回水溫度自動加卸和卸載樣機特點和功能（續(xù)）樣機實體樣機實體用戶現(xiàn)場試驗系統(tǒng)

用戶現(xiàn)場試驗系統(tǒng)

用戶現(xiàn)場試驗系統(tǒng)用戶現(xiàn)場部分試驗結(jié)果

冷凝器進水溫度℃冷凝器出水溫度℃蒸發(fā)器進水溫度℃蒸發(fā)器出水溫度℃耗功W（kJ）制熱量Qh（kJ）COPh63.770.850.645.366.29297.264.4874.180.950.846.377.90284.703.6578.485.855.750.987.07296.193.4256.965.257.851.960.66337.875.5761.169.357.652.164.82334.445.1661.069.757.652.265.85353.885.3766.374.757.752.467.45342.855.0873.781.257.853.277.48313.834.0572.779.758.453.874.66293.733.9377.584.759.454.781.09302.523.7381.288.359.655.489.27295.243.3172.380.555.250.884.7341.504.03將要進行的工作

性能的進一步優(yōu)化匹配

出水70C左右的機組

10－75C的復(fù)疊式機組

大功率（2000kW)冷、熱、生活熱水聯(lián)供

用于木材干燥的熱泵

中央空調(diào)冷凝熱回收熱泵

熱泵與太陽能、生物質(zhì)能的優(yōu)化組合

油田污水熱泵替代燃油鍋爐復(fù)疊式雙效水源熱泵2、高溫級冷凝器6、冷凝蒸發(fā)器4、高溫級膨脹閥5高溫級壓縮機9、低溫級蒸發(fā)器7、低溫級膨脹閥8、低溫級壓縮機主機部分12、抽水井13、回灌井11、空調(diào)用戶1、供熱用戶3、供熱循環(huán)泵10、空調(diào)循環(huán)泵14、單獨制冷冷卻水供水閥15、單獨制冷冷卻水回水閥16、深井水回水閥17、深井水供水閥18、冷凍水供水閥19、冷凍水回水閥20、深井泵圖1、高溫雙效復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)圖三用熱泵電磁閥組2電磁閥組1電磁閥組3電磁閥組4自來水生活熱水蒸發(fā)器主冷凝器副冷凝器過冷器膨脹閥壓縮機冷、熱循環(huán)水冷卻、低溫熱源水冷凝熱回收熱泵系統(tǒng)圖內(nèi)容提要

熱泵的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

我們已經(jīng)和將要進行的工作

尚待解決的問題待解決的技術(shù)問題

不同用途需要的優(yōu)化匹配：單熱、冷熱、冷熱生活用水三用

不同熱源的特殊性：地表水、地熱水、余熱水、土壤熱

不同溫度范圍要求：高溫、中溫、低溫

與建筑物的協(xié)調(diào)，與工業(yè)過程的協(xié)調(diào)

與其他低品位能量的結(jié)合：太陽能、生物質(zhì)能等例：土壤源熱泵地下盤管的串聯(lián)和并聯(lián)并聯(lián)串聯(lián)地下盤管的水平布置管徑20~40mm，管埋深0.5~2.5m單層雙層四層地下盤管的垂直布置單孔單管單孔雙管淺埋8~10m，深埋33~180m土壤熱特性土壤由固體顆粒、水、空氣組成。熱特性主要與組成土壤地固體顆粒成分、導(dǎo)熱性能、土壤地含水量、密度有關(guān)。常見土壤的熱阻：

疏松干砂：1.75oC.m/W

潮濕粘土：0.8~0.9oC.m/W

含砂潮濕粘土：0.8~0.9oC.m/W

結(jié)實的砂：0.9oC.m/W