发现代暖通空调zhongjiban.docx
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1、空气源热泵工作原理
冬天热泵是以制冷剂为热媒，在空气中吸收热能（在蒸发器中间接换热），经压缩机将低温位的热能提升为高温位热能，加热系统循环水（在冷凝器中间接换热）；夏天热泵是以制冷剂为冷媒，在空气中吸收冷量（在冷凝器器中间接换热），经压缩机将高温位的热能降低为低温位冷能，制冷系统循环水（在蒸发器中间接换热）；
从而使不能直接利用的热能（冷能）再生为可直接利用的热能（冷能），得到了只消耗少量电能，而获得2--6倍于输入功率的节能回报，这是空气源热泵工作原理决定的。
空气作为可再生能源是取之不尽用之不竭的天然资源，热泵利用可再生能源—空气能，并辅以清洁能源—电能，运行中没有任何污染，是国家大力推广的开发和利用可再生能源的绿色环保设备。
2、土壤源热泵工作原理
热泵机组是制冷机的逆循环。
地源热泵是地热利用的一种形式,是将低位热能用热泵提升为高位热能加以利用。
作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。
但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。
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，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，这也是热泵的节能特点。
3:
地表水源热泵工作原理：
地表水源热泵就是利用江、河、湖、海的地表水作为热泵机组的热源。
分为开式地表水源热泵系统和闭式地表水源热泵系统。
4:
污水源热泵工作原理：
所谓污水源热泵，主要是以城市污水做为提取和储存能量的冷热源，借助热泵机组系统内部制冷剂的物态循环变化，消耗少量的电能，从而达到制冷、供暖效果的一种创新技术
5：
锅炉工作原理：
锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。
锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。
结论：
1：
锅炉作为我国能源供应的主要设备，目前在全国仍保持着其主导地位，特别是燃煤锅炉的应用，在电力、建筑等领域仍占据着领先地位。
2：
热泵作为新型能源利用设备，拥有诸多优点，在适合使用热泵的地区，采用热泵供暖的方式是更优选择。
二：
对三种地源热泵系统在工程应用中的评述
污水源热泵系统
1）水温相对稳定：
比较城市污水、河水及大气温度全年的变化可以发现，河水水温和气温的冬夏差异较大,而城市生活污水的水温全年比较稳定.
2）水量不稳定：
城市污水主要为生活污水,水量日变化与人的生活规律有很大关系,主干渠变化较小,中型干渠变化一般,小干渠变化很大.
3）热能潜力大.
城市污水源热泵应用关键问题
1.阻塞污染问题：
城市污水含有大量大尺度污物及小尺度悬浮固体.前者表现在对管路与设备的阻塞,后者表现在对换热设备的污染形成热阻及其对流体的流动与热物性参数造成影响.
2.流动换热问题：
对城市污水只能进行粗效处理,进入换热系统时,还含有大量固体颗粒污染物,实际上是一种固液两相,其流动阻力与换热较清水有很大差异,因此,污水换热器的结构、尺寸不能简单地套用常规清水换热器的设计方法.为此研究城市污水的流动与传热问题,建立适合工程应用的计算模型与方法,是推广城市污水源热泵的应用要解决的另一个关键问题.
3.为什么不将城市污水进行有效处理？
或将城市污水引入系统内进行过滤呢？
为此进行污水处理是不可行的。
因为污水处理的最低成本都要比我们从污水中提取出来的热量获冷量的价值高；将污水引入系统中进行过滤也不是好办法，最主要的是系统中过滤格栅上污染物的清除问题，由于城市污水的水质比较差，过滤格栅上的污染物的清除量大，频率太高，必须采用机械格栅，而机械格栅的造价高，占地面值大，而且还有污染物的后期处理问题和设备间空气清洁的保持问题。
因此，最好的办法是将污杂物阻隔在污水干渠中,不让大尺度污杂物进入系统,开发新的除污工艺.
地表水源热泵系统
地表水源热泵在应用过程中有着众多的优点：
（1）和空气相比，水的热容量大，是比较理想的传热介质。
因此，传递一定的热量所需要的水量比较小，换热器的尺寸可以缩小。
（2）地表水体的温度比空气稳定，可以提高机组的效率。
因为水的热容大，所以地表水体的温度变化一般比气温变化慢，夏季温度比空气低，冬季温度比空气高。
（3）冬季供暖时，同锅炉相比，没有污染排放。
（4）冬季应用地表水源热泵不存在结霜危险。
避免了空气源热泵冬季运行时结霜的问题
（5）可以实现供热、供冷、供热水同时进行，最大限度地利用了能量，提高了能源的利用率。
缺点及面临的问题：
1、冬季运行时大型离心机可能不能正常工作。
就目前数据来看,大型离心式压缩机在进水温度低于8℃的时候很难开机。
所以,目前的工程多采用螺杆机组。
这样,如果工程比较大,需要的冷量、热量比较多的情况下,就会出现因机器数量过多,效率不高的情况。
2、长途取水的经济性。
3、大规模应用时,对水体温度以及生态环境的影响未经过测试。
水域温度与微生物的数量和种群分布有着密切的相关性。
4、开式系统和闭式系统的选择。
开式系统的优点在于省去中间换热环节,使换热效率提高。
开式系统最大的问题在于结垢。
闭式系统就是在地表水和机组之间设置一个二次换热的回路,机组和地表水不直接接触,没有结垢问题,但是回路中的水在夏季会产生1～2℃的温升,冬季会有同样幅度的温降,在不利条件下使水温变得更加不利。
闭式的取水能耗更低。
水源的问题主要集中在水温和水质两个方面
水温方面,机组的自保护功能限制了进水温度,温度较低的情况下，可以先通过其他方法提高温度后再进人机组；取水温差不宜过大,防止破坏生态环境。
排水口的位置要选择得当,避免“水短路”的情况发生。
水质方面,结垢、腐蚀和生物污泥是三大主要问题。
水源的水质不同,引起三大问题的严重程度也不同。
对于水质不好的水源,在进入系统前要进行处理,以减少结垢、腐蚀和生物污泥的危害,同时要注意处理的方法,防止产生二次污染。
综上所述,采用地表水水源热泵首先注意当地气候条件及水量、水质、水温等综合条件。
总体来讲：
夏热冬冷地区应优先考虑，如长江流域;夏热冬暖地区,从系统能耗角度出发,应用地表水源热泵的优势不明显,如珠江流域;寒冷地区的海河流域夏季水温与气温差距小,而且严重缺水,也不太适合地表水水源热泵；严寒地区,如东北三省的松花江流域虽然水量丰富,但由于夏季负荷不大,冬季水温过低,使用地表水源热泵能效不高。
三：
土壤源热泵系统与其推广所面临的技术难题和解决办法
优点：
1、利用可再生能源，属于可再生清洁能源的可持续利用。
2、机组运行稳定、高效节能，运行费用低。
3、环境效益、节能效益显著。
4、节水省地，产生附加经济效益。
按埋管形式分为：
水平式、垂直式
对于垂直式埋管系统:
其优点有：
较小的土地占用，管路及水泵用电少，其缺点是钻井费用较高；
对于水平式埋管系统，其优点有：
安装费用比垂直式埋管系统低，应用广泛，使用者易于掌握，其缺点有：
占地面积大，受地面温度影响大，水泵耗电量大
按管道布置方式分为：
串联、并联
串联系统管径大，管道费用高，并且长度压降特性限制了系统能力；并联系统管径小，管道费用低，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力；
但不论是串联系统换是并联系统，都要满足：
1：
管道要达到足够保持最小输送功率的要求
2：
管道要小到足够使管道内保持紊流。
推广地源热泵技术要“因地制宜”：
气候、用地、冷热负荷平衡等方面综合考虑
地源热泵的要务是地热换热器：
影响换热的因素多，计算方法复杂；施工技术要求较高，管件及配件特殊
应对措施：
准确设计---专业人员设计，借助软件、仪器；
精心施工---培养专业安装队伍，开发专用零配件
作为一项横跨土壤环境学、钻探、热质交换、制冷供暖、材料学等多学科的新技术，其关键技术的突破需要多学科的技术人员跨学科相互合作。
（1）埋地换热器传热模型的研究
埋地换热器传热模型的主要目的是建立热泵运行期间土壤温度场的分布，目前主要的基础理论是线源理论、BNL修正的线源理论，基于此，相继发展了著名的V.C.Mei、IGSHPA、NWWA埋地换热器传热模型。
（2）回填材料的研发
早期的传热模型都是忽略回填土的影响，80年代后期在实验中发现，回填土的性能对埋地换热器换热的影响不能忽略。
1999年Kavabaugh对回填土的性能进行了测试，发现一种添加粘合剂的砂土比传统使用的高密度泥土作回填土导热性能高3～4倍。
（3）土壤源热泵系统的合理配置
目前运行的土壤热源热泵系统普遍存在一个问题——系统的配置不合理。
因此我们应加大对热泵机组各部分参数之间匹配问题的研究，以建立适合工程应用的动态数学模型，提供与埋地换热器运行参数关联的土壤热源热泵系统的动态仿真模型，模拟各种环境条件下土壤热源热泵机组的工作特性。
（4）土壤热物性的研究
土壤的热物性决定了土壤的蓄热性能及土壤温度场的分布，进一步决定了土壤热源热泵系统的效率高低、埋地换热器的尺寸大小。
由于土壤质地、土壤潮湿程度、土壤透气性，在不同的国家、不同的地区、不同的城市、甚至是同一城市的不同的片区是互不相同，造成了土壤热物性的随机性和不确定性。
加之目前我国尚缺乏详细的城市土壤地质实测数据，这些均给我国土壤热源热泵的应用和推广造成了很大的困难。
此外，土壤源热泵系统的成功应用还与政府政策引导、地下管井的设计与施工、地质探测技术、地下水水质处理技术、地下水的回罐技术等分不开的。
总之，土壤源热泵系统是一个整体设计，需要从政府政策、主机设计制造、系统的设计和运行管理等各个方面来共同参与。
（5）与桩基础相结合的土壤源热泵系统
将换热盘管设置在基础垫层的外围，不会影响基础垫层的受力基础，也就不会影响结构的受力体系。
优点：
1）节省地埋管换热器的钻孔费用与埋管费（这两项费用占整个系统费用的50%以上）
2）节省地埋管换热器的占地面积
3）由于桩基础的间距比较大，U型换热管的相互热影响几乎为零
缺点：
1）埋管深度收桩基深度的限制，只能承担部分符合
2）桩基础的沉降是桩埋管系统不可避免的问题
（6）如何缓解土壤源热泵系统的热不平衡问题：
优化设计以减少空调系统冬夏累计负荷差异：
1）减少地埋管换热器群的密集度：
增大埋管间距
2）减少地埋管换热器单位深度承担的设计负荷：
设置系统调峰，利用热泵机组的热回收技术，夏季减少排热量，冬季增加吸热量，并可提供部分生活热水
3）依靠复合式系统的调节管理保证系统长期稳定运行：
北方地区，冬季辅助锅炉，太阳能集热器来平衡地埋管换热器多向土壤中吸收的热量；南方地区，夏季辅助冷却塔散热器，平衡地埋管换热器多向土壤排放的热量。
（7）土壤中水分的含量对埋管系统的影响
在供热工况下，地埋管换热器的入口温度低于0℃时，换热器周围的含湿土壤就有可能被冻结，而水分在冻结的时候会释放出大量潜热，因此，在吸收同等数量的热量的情况下土壤降低的温度幅度小，水分越多，释放的潜热越多，温度降低的幅度越小，对热泵的供热工况的运行越有利。
四：
哈尔滨、北京、重庆、广州四个城市关于空气源、水源土壤热泵的适宜性的讨论
北京：
由于室外空气温度的限制，以及地表水资源的限制，空气源热泵与地表水源热泵在北京均不适合。
而从上图可以看出，北京（寒冷地区）全年累计冷热负荷近似相等。
北京地区土壤主要为冲积层，以棕黄、灰黄色泥质砂砾石为主。
北京地区建筑产生的热堆积现象，由于土壤初始温度较低，因此土壤少量的热堆积对机组PER影响不大，因此北京采用地埋管地源热泵可以保持较高的效率运行。
哈尔滨：
哈尔滨地处中国东北北部地区，属于严寒地区，冬季漫长寒冷，而夏季则显得短暂凉爽。
一般是冬季采暖，而夏季不需要制冷，而且采暖季较长。
综合分析来看，空气源热泵与地表水源热泵，不适合在在哈尔滨采用；对于土壤源热泵，由于冬季热负荷要远大于夏季的冷负荷，会造成土壤的冷热负荷不平衡，故也不宜单独采用。
但可以采用土壤源热泵与其他辅助热源联合使用，如太阳能
广州：
广州年平均气温21.9℃。
以7月份的平均气温最高，为32.8℃，1月份虽然气温较低，但月平均气温仍在10℃以上。
我们在选择热泵形式的时候，要充分考虑到这个地区的地形限制及气候条件所带来的优势。
以空气源热泵为例：
风冷式制冷机一般置于高层建筑的裙楼屋顶或多层建筑的屋顶，这样就节省了在建筑物内因设置了制冷机房而多占用的面积。
珠江流域,这一地区城市最热月平均气温在28左右,珠江年平均水温在17.5~22.9之间,但夏季的某些时段的水温高于32,若取水水泵的能耗过大,与传统冷却塔系统相比,系统能耗反而过大,不能体现地表水水源热泵节能的优势,要限制采用。
同时,该地区一般只考虑夏季供冷,属单工况运行,与全年运行工况相比,节能率不高。
因此对广州来说，空气源热泵是既经济又合理的热泵形式
重庆：
1：
重庆市气候特征分析重庆市年平均气温16-18℃，最热月份平均气26-29℃，最冷月平均气温4－8℃。
重庆市年平均相对湿度多在70％－80％，在全国属高湿区。
2.重庆市水资源状况分析
（1）水量：
重庆市位于两江交汇处，长江、嘉陵江横贯整个重庆主城区，水资源丰富。
（2）水质：
水质检测中，除浊度一项以外，其余各项都满足水源热泵机组对于水源水质的要求。
（3）水温：
夏季流动水体垂直水温稳定在23.5℃~24℃之间，冬季稳定在14℃~15℃之间。
根据美国制冷协会ARI320标准，这一温度范围满足水源热泵进水温度的要求。
3.重庆市土壤特性分析：
重庆地层以砂、泥岩为主，导热系数在2.0-3.8之间，热物性很好。
4.重庆市污水情况分析：
据资料介绍，重庆市每天排放废污水高达70万吨，主城９区废污水每年排放4.58亿吨，其中生 活排污每年排放2.67亿。
综合以上分析可知，空气源、水源、土壤源热泵在重庆市都可以有效利用。
但是重庆市在夏季的湿度较大，平均气温比较高，空气源热泵的制冷性能会有所降低；另外重庆市全年制冷所排放的热量比制热所吸收的热量大的多，单一的土壤源热泵会造成土壤累年温度上升，需要进行优化设计，并且造价比较高；重庆市水资源比较丰富且水质较好，比较适合水源热泵的推广应用。
归纳为：
哈尔滨
北京
重庆
广州
严寒地区
寒冷地区
夏热冬冷
夏热冬暖
空气源热泵
★
★
污水源热泵
★
★
★
★
地表水源热泵
★
土壤源热泵
★（与太阳能集热器联合使用）
★
★（与冷却塔联合使用）
★（与冷却塔联合使用）
五、总结
空调冷热源方案设计是一个普遍性与特殊性相结合的问题，应在考虑具体设计特定条件的基础上，对符合要求的各备选方案在总体上进行比较。
显然，对不同方案进行比较时的依据，也是影响方案设计决策的重要因素。
一般情况下，选择冷热源方案时应考虑以下因素：
（1）初投资不同冷热源方案的初投资有较大差别，在选择方案时应进行仔细的分析比较。
（2）运行费用（能耗、运行管理、维护等）空调系统的运行费用包括运行能耗，运行管理费，设备维修费等。
空调运行能耗在建筑能耗中占有很大的比例；空调运行过程中的运行管理，管理人员工资，设备故障维修费等都是应该在冷热源选择时考虑的因素。
（3）环境影响为了解决环境污染问题，保护环境也已成为我国的一项基本国策。
因而，将对环境的影响作为空调冷热源的一项决策依据是很有必要的。
（4）运行的可靠性、安全性、操作维护的方便程度、使用寿命。
（5）机房面积、燃煤锅炉房要求的储煤、渣面积、贮油条件等。
（6）增容费各城市根据其发展情况以及地理位置，能源状况不同而设定不同能源不同的增容费，而且一般数量也是比较大的，因此也是项重要的考虑因素。
综上所述，将空调冷热源方案的影响因素归纳为经济性因素、使用特性、对建筑的影响、社会效益等四个方面。
参考文献
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2．李元旦土壤源热泵冬季工况启动特性的实验研究
3．王鹏英，上海地区别墅建筑地源热泵空调系统设计，暖通空调，2003 /33 /6
4．张旭，太阳能－土壤源热泵及其相关基础理论研究，同济大学博士后报告，1999.12
5．高晓兵华东地区土壤及土沙混合物导热系数的实验研究
6．徐琳土壤热源热泵有效导热系数的分形研究及节能分析硕士论文2004
7．李雅昕桩基式土壤源热泵系统管群换热及恢复特性研究硕士论文预答辩时间2007.1
8．王鹏英，上海地区别墅建筑地源热泵空调系统设计，暖通空调，2003 /33 /6
9．张旭，太阳能－土壤源热泵及其相关基础理论研究，同济大学博士后报告，1999.12
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