熱泵原理與工程設計

第1章概述1
1.1熱泵的熱力學原理1
1.1.1熱泵的定義1
1.1.2逆卡諾（Carnot）迴圈2
1.1.3洛倫茲（Lorenz）迴圈3
1.1.4熱泵的性能指標3
1.2熱泵的節能和環境效益5
1.2.1熱泵的節能效益5
1.2.2熱泵的環境效益5
1.3熱泵的低位熱源5
1.3.1空氣5
1.3.2太陽能6
1.3.3淺層地熱能7
1.3.4餘熱能7
1.4熱泵的驅動能源和驅動裝置9
1.4.1驅動能源和能源利用係數9
1.4.2驅動裝置10
1.5熱泵的分類11
1.5.1按工作原理分類11
1.5.2按載熱（冷）介質分類14
1.5.3按低位熱源分類16
1.5.4按熱泵制取熱能的溫度分類18
1.6熱泵的發展歷程與政策支持18

第2章蒸氣壓縮式熱泵22
2.1蒸氣壓縮式熱泵迴圈22
2.1.1蒸氣壓縮式熱泵工作過程22
2.1.2蒸氣壓縮式熱泵的迴圈23
2.1.3蒸氣壓縮式熱泵理論迴圈熱力計算26
2.2蒸氣壓縮式熱泵工質31
2.2.1熱泵工質的發展歷程31
2.2.2熱泵工質的分類及編號32
2.2.3對熱泵工質的要求35
2.2.4常用熱泵工質42
2.3蒸氣壓縮式熱泵的基本部件43
2.3.1蒸氣壓縮式熱泵壓縮機43
2.3.2蒸氣壓縮式熱泵換熱器64
2.3.3蒸氣壓縮式熱泵節流裝置73
2.4蒸氣壓縮式熱泵的其他部件75
2.4.1四通換向閥75
2.4.2篩檢程式75
2.4.3氣液分離器76
2.4.4油分離器77
2.4.5儲液器77
2.4.6電磁閥77

第3章吸收式熱泵78
3.1吸收式熱泵概述78
3.1.1吸收式熱泵的基本構成和工作過程78
3.1.2吸收式熱泵的熱力係數79
3.1.3吸收式熱泵的分類80
3.2吸收式熱泵的工質對81
3.2.1工質對的選擇81
3.2.2水-溴化鋰工質對的基本特性83
3.3吸收式熱泵迴圈及計算88
3.3.1吸收式熱泵迴圈88
3.3.2單效溴化鋰吸收式熱泵迴圈及計算90
3.3.3雙效溴化鋰吸收式熱泵迴圈及計算96
3.3.4第二類吸收式熱泵的迴圈102
3.4吸收式熱泵的結構和流程106
3.4.1單效溴化鋰吸收式熱泵的結構和流程106
3.4.2雙效溴化鋰吸收式熱泵的結構和流程108
3.5吸收式熱泵的主要部件110
3.5.1發生器110
3.5.2吸收器112
3.5.3冷凝器113
3.5.4蒸發器114
3.5.5溶液熱交換器114
3.5.6工質節流部件115
3.5.7凝水換熱器115
3.5.8抽氣裝置115
3.5.9遮罩泵116
3.5.10燃燒裝置117
3.5.11安全裝置118

第4章土壤源熱泵系統設計120
4.1土壤源熱泵系統概述120
4.1.1土壤源熱泵的定義120
4.1.2土壤源熱泵系統結構120
4.1.3地埋管換熱系統的形式121
4.1.4土壤源熱泵系統的特點127
4.2土壤換熱器管材及換熱介質128
4.2.1土壤換熱器管材128
4.2.2管材規格和壓力級別128
4.2.3土壤換熱器迴圈介質130
4.3地埋管換熱系統設計131
4.3.1地埋管換熱器負荷計算131
4.3.2土壤熱物性測試與計算132
4.3.3土壤換熱器數量計算141
4.3.4土壤換熱器佈置形式148
4.3.5土壤換熱器阻力損失計算151
4.4土壤熱平衡問題157
4.4.1土壤熱平衡概念157
4.4.2土壤熱失衡的原因157
4.4.3土壤熱失衡的影響和危害158
4.4.4解決方案158
4.5土壤源熱泵-冷卻塔複合式系統159
4.5.1複合系統的形式159
4.5.2控制策略160
4.5.3複合系統的設備選型161
4.5.4複合系統的設計優化與關鍵問題164
4.6土壤源熱泵-太陽能複合系統165
4.6.1複合系統的形式165
4.6.2太陽能集熱系統設計167
4.6.3系統應用的關鍵問題169

第5章地下水源熱泵系統設計171
5.1地下水資源171
5.1.1地下水的形成171
5.1.2地下水的類型172
5.1.3地下水的性質172
5.2地下水資源勘察與系統形式176
5.2.1地下水資源勘察176
5.2.2地下水源熱泵系統的形式177
5.3地下水換熱系統設計178
5.3.1設計基本步驟178
5.3.2地下水總水量的確定178
5.3.3板式換熱器的選擇179
5.4熱源井的設計與施工180
5.4.1熱源井的形式180
5.4.2管井的構造181
5.4.3篩檢程式的設計要點182
5.4.4單井流量185
5.4.5管井的施工186
5.4.6管井的維護與管理187
5.5地下水的回灌188
5.5.1地下水回灌技術188
5.5.2回灌井回灌的設計施工要點191
5.6地下水源熱泵系統設計需要注意的問題192

第6章地表水源熱泵系統設計194
6.1地表水源熱泵系統概述194
6.1.1地表水194
6.1.2地表水源熱泵應用的形式195
6.1.3地表水源熱泵的特點197
6.1.4地表水源熱泵研究與應用中存在的主要問題197
6.2地表水源熱泵工程勘察198
6.2.1工程場地及地表水源勘察198
6.2.2地表水設計水溫的確定198
6.3開式地表水源熱泵系統設計199
6.3.1取水口的位置199
6.3.2岸邊式取水構築物200
6.3.3河床式取水構築物202
6.3.4浮船取水205
6.3.5滲濾取水206
6.3.6地表水排水設施207
6.4閉式地表水源熱泵系統設計208
6.4.1閉式地表水源熱泵設計步驟208
6.4.2盤卷式盤管換熱器設計209
6.5海水源熱泵系統設計217
6.5.1海水源熱泵系統設計的基本原則217
6.5.2海水源熱泵系統的設計方案217
6.5.3海水取水構築物218
6.6地表水水質的影響220
6.6.1結垢問題220
6.6.2堵塞問題221
6.6.3腐蝕問題222
6.6.4水生生物的影響224

第7章污水源熱泵系統設計225
7.1污水源熱泵系統概述225
7.1.1污水源熱泵的特點225
7.1.2污水的特性226
7.1.3工業汙廢水228
7.1.4系統形式228
7.2污水源熱泵應用的關鍵問題230
7.2.1污染物問題231
7.2.2污垢問題232
7.2.3腐蝕問題234
7.3污水源熱泵系統設計235
7.3.1系統設計的前提條件235
7.3.2污水水源235
7.3.3循環系統設計235
7.3.4設備的選用237
7.4污水引退水系統設計238
7.4.1城市原生污水引退水238
7.4.2汙水處理廠引退水241

第8章空氣源熱泵系統設計242
8.1空氣源熱泵機組242
8.2空氣源熱泵機組的除霜244
8.2.1空氣源熱泵的結霜244
8.2.2除霜方法246
8.2.3除霜控制248
8.3空氣源熱泵在寒冷地區的應用249
8.3.1空氣源熱泵在低溫工況存在的問題249
8.3.2改善空氣源熱泵低溫運行特性的技術措施250
8.4空氣源熱泵系統設計255
8.4.1方案選擇中的注意事項255
8.4.2空氣源熱泵機組的名義工況與變工況特性258
8.4.3空氣源熱泵機組及輔助熱源的設計選型262

第9章熱泵冷熱源機房設備選型計算268
9.1熱泵機組的選擇268
9.2迴圈水泵269
9.2.1迴圈水泵選型參數269
9.2.2阻力計算270
9.3系統定壓補水280
9.3.1開式膨脹水箱280
9.3.2氣壓罐定壓282
9.3.3變頻補水泵定壓283
9.4軟化水處理設備284
9.5其他設備285
9.5.1冷卻塔285
9.5.2分/集水器286
9.5.3旋流除沙器287

第10章熱泵系統設計案例288
10.1土壤源熱泵系統設計案例288
10.2地下水源熱泵系統設計案例293
10.3地表水源熱泵系統設計案例298
10.4污水源熱泵系統設計案例303
參考文獻307

隨著經濟的快速發展以及人民生活水準的提高，能源與環境問題日益突出，節能環保、低碳減排不僅僅是宣傳口號，實際上已經融入了我們的日常生產生活中。熱泵技術通過消耗一定的能量（電、燃氣等）將熱量從低位元熱源向高位熱源進行轉移，既可以實現制熱，也可以實現製冷，在制熱方面節能效果尤其顯著，其制熱效率是傳統制熱方式（電熱鍋爐、燃氣鍋爐等）的幾倍，在節約了一次能源的同時降低了對環境的污染。熱泵的低位熱源有很多，比如空氣、太陽能、地熱能以及生產生活中的排熱等，可以看出熱泵也是一種可再生能源和餘熱回收利用技術。目前，熱泵裝置不僅為民用建築、公共建築、工廠廠房提供供暖、空調和熱水，還在一些工業的生產工藝過程中得到了應用。

本書首先對熱泵技術進行了介紹，重點闡述了蒸氣壓縮式熱泵和吸收式熱泵的工作原理與結構部件；然後針對不同類型的低位熱源，闡述了幾種應用比較廣泛的熱泵系統應用形式、結構組成以及設計方法；最後介紹了大中型熱泵空調系統的工程設計應用案例。本書將熱泵理論與實踐緊密結合，可以作為高等院校新能源科學與工程專業、建築環境與設備工程專業本科生及研究生的教學用書，也可以為工程技術人員在設計、施工和使用過程中提供參考。

本書共分為10章，第1、2章由唐志偉編寫，第3、4、5、10章由張宏宇編寫，第6、7、8章由牛利敏編寫，第9章由劉愛潔編寫。全書由唐志偉統稿。另外，劉靜、陸穎、肖榮暉、王昊等參與了本書的編寫工作，在此表示衷心感謝。

本書引用了許多參考文獻和工程實例，在此向作者一併致謝。

限於編者學術水準及教學經驗，書中難免有不足之處，敬請讀者批評指正。

編著者
2021年6月