热泵原理：空气源热泵、水源热泵、地源热泵等一次性讲清楚

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课程大纲：完成本单元后，您将

· 了解什么是热泵

· 了解热泵的工作原理

· 了解如何计算热泵的效率

· 了解热泵的制冷循环

· 了解各种热源

· 了解热泵的各种应用和市场

1热泵的概念

1）、热泵是一种利用机械能将热量从一个地点转移到另一个地 点的设备。

2）、 热泵通过逆制冷循环工作。

3）、热泵可以用于供暖或制冷，具体视构造而定 

4）、在制冷模式下，热泵作为制冷系统而工作。

5）、制冷回路中有一个四通阀，用于在供暖模式和制冷模式之间 切换。

6）、热泵可以用于空间（房间）取暖器或热水器。

7）、热源可以在自然环境中找到（土壤、空气、地下水等）。

热泵的工作原理：

2热泵的效率

性能系数（COP）

·  可以将热泵的性能系数定义为热量输出与电力输入的比率。

·      例如，若 COP 为 4，表示 1 kW 电能加上 3 kW 热能，产生 4 kW 热能输出。

取得 EHPA 标签所需的 COP：

·  盐水/水热泵：4.3

·  空气/水热泵：3.1

·  水/水热泵：5.1

季节能效比（SPF）

·  SPF 是指在为期一年的比较期内，热泵消耗的能量与提供的 能量的平均比率。

·  例如，若 SPF 为 4:1，表示每年消耗 8,000 kWh 电力，产生32,000 kWh 热能。.

为何热泵的效率高于传统供暖设备？

·  土壤和空气中的热能是完全免费的。

·  它天然存在于土壤中，经常从风、阳光和降雨中得到补充。

·  在热泵每年为空间供暖和家用热水提供的能量中，有四分之 三来自于阳光，储存于土壤或空气中。

·  在地球接收的太阳能中，有 44% 最终储存于土壤中。

·  这种太阳能是地球上人类能源需求总量的 480 倍。

·  热泵的核心是可再生的太阳能，因此有助于营造更清洁的环 境。

·  热泵搭配高效率的供暖系统，再由值得信赖的供应商进行安 装，可以将供暖成本降低 50% 以上。

· 如图所示，与燃油锅炉相比，典型的热泵系统在环境财务方 面具有极大的优势。

3热泵的系统原理图

制冷循环 - 供暖系统

· 动画显示了热泵如何利用逆制冷循环来工作。

· 热泵的基本元件包括一台压缩机、一个冷凝器、一个膨胀 装置和一个蒸发器。

·  在蒸发器中，空气中的热能转移到制冷剂，气态制冷剂被 输送到压缩机。

·   液态制冷剂从压缩机流向冷凝器，热量在此转移到需要加 热的空间或水

制冷循环 - 制冷和供暖系统（可逆）

热泵可以用于供暖，也可以用于制冷。制冷回路中有一个四通阀，用于在供暖模式和制冷模式之间切换。点击按钮，查看如何将 制冷循环同时用于供暖和制冷。

冬季制热运行系统原理图：

夏季制冷运行系统原理图：

控制系统原理图：

4热泵的分类

按照热源，可以分为五大类：

5地源热泵

1 地源热泵采集地下存储的太阳能。

2 热量采集方法多种多样。

3 使用水平管路。

4 使用垂直管路。

5使用开放式回路抽取地下水。

地源热泵—水平管路

·  适用于水/水系统和盐水/水系统。

· 安装时需要移走表层土壤或挖沟。

·  提取能量的上限为每米管道 10 至 30 瓦特，具体取决于土 壤和环境的温度。.

地源热泵—垂直管路

·  适用于水/水系统和盐水/水系统，具体取决于最低环境温度

· 使用基岩中的垂直集热管道

·  每 10 kW 供暖容量中，2.5 kW 来自压缩机和泵消耗的电能，7.5 kW 取自土壤

·  提取能量的上限为每米管道 50 瓦特（这是湿孔的容量。它低 于干孔的容量）

· 单钻孔的最小深度为 150 米，双钻孔的最小深度为 75 米。

· 钻孔的最小间距：10 米（具体细节请参考地方和国家法规。）

地源热泵—地下水

· 仅适用于水基系统。

·  必须保证供水的质量（过滤器）、流量和温度（10- 12°C）。

·  对于一个 COP 为 4、将水温降低 5 K 的 10 kw 热泵，需要 的水流量为 0.36 dm3/s 或 1.3 m3/h。

·  泵水也要消耗能量

·  钻孔的最小间距约为 15 米（具体细节请参考地方和国家法规）。

地源热泵—水系统

·         水热泵利用水或盐水，从地源中采集热量。

·         集热管注满水或盐水。

·         可以构建水-水系统或盐水-水系统。

·         可以是开环或闭环系统。

·         开环系统必须考虑污垢、腐蚀等问题。

·         重要的是保持水温和蒸发器表面温度高于冰点。

·         相对于盐水-水系统，水-水系统需要较高的蒸发温度。

·         当冷凝温度较低时，必须确保较大的蒸发力度。

·         在这些条件下，可以实现较高的 COP。

地源热泵—地板供暖

·         传统的家用中央供暖系统便是水系统。

·         这种系统适用于地板供暖和/或暖气。

·         房间温度可以单独调节。

·         COP 最大为 4

·         适用于新建筑或旧设施（水温不超过 60°C）。

·         夏季到来时，同一套系统可用于地板制冷。

·         该系统可以用于游泳池加热。

·         该系统能够灵活适应将来的需要。

6空气源热泵

·         空气源热泵从室外空气中采集能量，并将能量转移到室内。

·         空气源热泵比地源热泵易于安装，因为安装时无需挖掘或 钻孔。

·         冬季可能需要辅助供暖系统。

·         可以构建空气-空气系统和空气-水系统。

空气源热泵——空气-空气换热系统

·         空气-空气式空气源热泵从室外空气中采集能量，并将能量转 移到室内或空间内的再循环空气。

·         可以提供不同的温度范围（冬季较冷，春秋两季较暖）。

·         室外气温降至大约 6°C 以下时，需要除霜（通常利用逆循环）。

·         为了让蒸发温度覆盖较低和较高的室外温度，要求压缩机有较 宽的工作范围。

·         冷凝温度几乎终年不变。

空气源热泵——空气-水换热系统

·         空气-水式空气源热泵从室外空气中采集能量，并将能量转 移到在供暖系统的循环水中。

·         风冷式蒸发器。

·         房屋内传统的基于水的集中供暖系统。

·         地板供暖和/或暖气。

·         房间温度可以单独调节。

·         COP 高达 4.5（空气 7C，水 30/35°C）和 3.5（空气 7C，水40/45°C）

·         适用于新建筑和旧设施。（水温最高可达 60°C，具体取决于 环境温度）

·         夏季：地板制冷。

·         游泳池加热。

·         能够灵活适应将来的需要。

7热泵的市场分析

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