热泵原理与工程设计（唐志伟）

随着经济的快速发展以及人民生活水平的提高，能源与环境问题日益突出，节能环保、低碳减排不仅仅是宣传口号，实际上已经融入了我们的日常生产生活中。热泵技术通过消耗一定的能量（电、燃气等）将热量从低位热源向高位热源进行转移，既可以实现制热，也可以实现制冷，在制热方面节能效果尤其显著，其制热效率是传统制热方式（电热锅炉、燃气锅炉等）的几倍，在节约了一次能源的同时降低了对环境的污染。热泵的低位热源有很多，比如空气、太阳能、地热能以及生产生活中的排热等，可以看出热泵也是一种可再生能源和余热回收利用技术。目前，热泵装置不仅为民用建筑、公共建筑、工厂厂房提供供暖、空调和热水，还在一些工业的生产工艺过程中得到了应用。

本书首先对热泵技术进行了介绍，重点阐述了蒸气压缩式热泵和吸收式热泵的工作原理与结构部件；然后针对不同类型的低位热源，阐述了几种应用比较广泛的热泵系统应用形式、结构组成以及设计方法；后介绍了大中型热泵空调系统的工程设计应用案例。本书将热泵理论与实践紧密结合，可以作为高等院校新能源科学与工程专业、建筑环境与设备工程专业本科生及研究生的教学用书，也可以为工程技术人员在设计、施工和使用过程中提供参考。

本书共分为10章，第1、2章由唐志伟编写，第3、4、5、10章由张宏宇编写，第6、7、8章由牛利敏编写，第9章由刘爱洁编写。全书由唐志伟统稿。另外，刘静、陆颖、肖荣晖、王昊等参与了本书的编写工作，在此表示衷心感谢。

本书引用了许多参考文献和工程实例，在此向作者一并致谢。

限于编者学术水平及教学经验，书中难免有不足之处，敬请读者批评指正。

编著者

2021年6月

　　　　　　　

《热泵原理与工程设计》主要分为两个部分，首先对热泵技术进行了介绍，重点阐述了蒸气压缩式热泵和吸收式热泵的工作原理和结构部件，然后针对不同类型的低位热源，阐述了几种应用比较广泛的热泵系统的应用形式、结构组成和设计方法，包括土壤源热泵、地下水源热泵、地表水源热泵、污水源热泵和空气源热泵，并且讲述了热泵机房的工程设计内容和方法，后介绍了几个大中型热泵空调系统的工程应用案例。

本书可以作为高等学校新能源科学与工程专业、建筑环境与设备工程专业本科生及研究生的教学用书，也可以为热能工程技术人员提供参考。

《热泵原理与工程设计》主要分为两个部分，首先对热泵技术进行了介绍，重点阐述了蒸气压缩式热泵和吸收式热泵的工作原理和结构部件，然后针对不同类型的低位热源，阐述了几种应用比较广泛的热泵系统的应用形式、结构组成和设计方法，包括土壤源热泵、地下水源热泵、地表水源热泵、污水源热泵和空气源热泵，并且讲述了热泵机房的工程设计内容和方法，后介绍了几个大中型热泵空调系统的工程应用案例。

本书可以作为高等学校新能源科学与工程专业、建筑环境与设备工程专业本科生及研究生的教学用书，也可以为热能工程技术人员提供参考。

唐志伟，北京工业大学环境与能源工程学院，副教授，从事深层地热能和浅层地热能的利用研究达15年，完成了几拾个工程项目的设计和建设，熟悉地热利用装备，熟悉建筑物空调系统的设计和安装，地热利用技术成果被北京市列为2008年奥运推介项目。从事有色金属生产工艺的节能改造，在铝型材氧化线表面处理工艺上，节能率达到30%以上。从事燃气锅炉烟气的全热回收研究，能够使锅炉热效率提高15%。从事一线授课，多次讲述工程热力学、传热学以及地热利用技术。在国内核心期刊发表40多篇，SCI文章6篇。

第1章　概述 1

1.1　热泵的热力学原理 1

1.1.1　热泵的定义 1

1.1.2　逆卡诺（Carnot）循环 2

1.1.3　洛伦兹（Lorenz）循环 3

1.1.4　热泵的性能指标 3

1.2　热泵的节能和环境效益 5

1.2.1　热泵的节能效益 5

1.2.2　热泵的环境效益 5

1.3　热泵的低位热源 5

1.3.1　空气 5

1.3.2　太阳能 6

1.3.3　浅层地热能 7

1.3.4　余热能 7

1.4　热泵的驱动能源和驱动装置 9

1.4.1　驱动能源和能源利用系数 9

1.4.2　驱动装置 10

1.5　热泵的分类 11

1.5.1　按工作原理分类 11

1.5.2　按载热（冷）介质分类 14

1.5.3　按低位热源分类 16

1.5.4　按热泵制取热能的温度分类 18

1.6　热泵的发展历程与政策支持 18

第2章　蒸气压缩式热泵 22

2.1　蒸气压缩式热泵循环 22

2.1.1　蒸气压缩式热泵工作过程 22

2.1.2　蒸气压缩式热泵的循环 23

2.1.3　蒸气压缩式热泵理论循环热力计算 26

2.2　蒸气压缩式热泵工质 31

2.2.1　热泵工质的发展历程 31

2.2.2　热泵工质的分类及编号 32

2.2.3　对热泵工质的要求 35

2.2.4　常用热泵工质 42

2.3　蒸气压缩式热泵的基本部件 43

2.3.1　蒸气压缩式热泵压缩机 43

2.3.2　蒸气压缩式热泵换热器 64

2.3.3　蒸气压缩式热泵节流装置 73

2.4　蒸气压缩式热泵的其他部件 75

2.4.1　四通换向阀 75

2.4.2　过滤器 75

2.4.3　气液分离器 76

2.4.4　油分离器 77

2.4.5　储液器 77

2.4.6　电磁阀 77

第3章　吸收式热泵 78

3.1　吸收式热泵概述 78

3.1.1　吸收式热泵的基本构成和工作过程 78

3.1.2　吸收式热泵的热力系数 79

3.1.3　吸收式热泵的分类 80

3.2　吸收式热泵的工质对 81

3.2.1　工质对的选择 81

3.2.2　水-溴化锂工质对的基本特性 83

3.3　吸收式热泵循环及计算 88

3.3.1　吸收式热泵循环 88

3.3.2　单效溴化锂吸收式热泵循环及计算 90

3.3.3　双效溴化锂吸收式热泵循环及计算 96

3.3.4　第二类吸收式热泵的循环 102

3.4　吸收式热泵的结构和流程 106

3.4.1　单效溴化锂吸收式热泵的结构和流程 106

3.4.2　双效溴化锂吸收式热泵的结构和流程 108

3.5　吸收式热泵的主要部件 110

3.5.1　发生器 110

3.5.2　吸收器 112

3.5.3　冷凝器 113

3.5.4　蒸发器 114

3.5.5　溶液热交换器 114

3.5.6　工质节流部件 115

3.5.7　凝水换热器 115

3.5.8　抽气装置 115

3.5.9　屏蔽泵 116

3.5.10　燃烧装置 117

3.5.11　安全装置 118

　　

第4章　土壤源热泵系统设计 120

4.1　土壤源热泵系统概述 120

4.1.1　土壤源热泵的定义 120

4.1.2　土壤源热泵系统结构 120

4.1.3　地埋管换热系统的形式 121

4.1.4　土壤源热泵系统的特点 127

4.2　土壤换热器管材及换热介质 128

4.2.1　土壤换热器管材 128

4.2.2　管材规格和压力级别 128

4.2.3　土壤换热器循环介质 130

4.3　地埋管换热系统设计 131

4.3.1　地埋管换热器负荷计算 131

4.3.2　土壤热物性测试与计算 132

4.3.3　土壤换热器数量计算 141

4.3.4　土壤换热器布置形式 148

4.3.5　土壤换热器阻力损失计算 151

4.4　土壤热平衡问题 157

4.4.1　土壤热平衡概念 157

4.4.2　土壤热失衡的原因 157

4.4.3　土壤热失衡的影响和危害 158

4.4.4　解决方案 158

4.5　土壤源热泵-冷却塔复合式系统 159

4.5.1　复合系统的形式 159

4.5.2　控制策略 160

4.5.3　复合系统的设备选型 161

4.5.4　复合系统的设计优化与关键问题 164

4.6　土壤源热泵-太阳能复合系统 165

4.6.1　复合系统的形式 165

4.6.2　太阳能集热系统设计 167

4.6.3　系统应用的关键问题 169

　　

第5章　地下水源热泵系统设计 171

5.1　地下水资源 171

5.1.1　地下水的形成 171

5.1.2　地下水的类型 172

5.1.3　地下水的性质 172

5.2　地下水资源勘察与系统形式 176

5.2.1　地下水资源勘察 176

5.2.2　地下水源热泵系统的形式 177

5.3　地下水换热系统设计 178

5.3.1　设计基本步骤 178

5.3.2　地下水总水量的确定 178

5.3.3　板式换热器的选择 179

5.4　热源井的设计与施工 180

5.4.1　热源井的形式 180

5.4.2　管井的构造 181

5.4.3　过滤器的设计要点 182

5.4.4　单井流量 185

5.4.5　管井的施工 186

5.4.6　管井的维护与管理 187

5.5　地下水的回灌 188

5.5.1　地下水回灌技术 188

5.5.2　回灌井回灌的设计施工要点 191

5.6　地下水源热泵系统设计需要注意的问题 192

第6章　地表水源热泵系统设计 194

6.1　地表水源热泵系统概述 194

6.1.1　地表水 194

6.1.2　地表水源热泵应用的形式 195

6.1.3　地表水源热泵的特点 197

6.1.4　地表水源热泵研究与应用中存在的主要问题 197

6.2　地表水源热泵工程勘察 198

6.2.1　工程场地及地表水源勘察 198

6.2.2　地表水设计水温的确定 198

6.3　开式地表水源热泵系统设计 199

6.3.1　取水口的位置 199

6.3.2　岸边式取水构筑物 200

6.3.3　河床式取水构筑物 202

6.3.4　浮船取水 205

6.3.5　渗滤取水 206

6.3.6　地表水排水设施 207

6.4　闭式地表水源热泵系统设计 208

6.4.1　闭式地表水源热泵设计步骤 208

6.4.2　盘卷式盘管换热器设计 209

6.5　海水源热泵系统设计 217

6.5.1　海水源热泵系统设计的基本原则 217

6.5.2　海水源热泵系统的设计方案 217

6.5.3　海水取水构筑物 218

6.6　地表水水质的影响 220

6.6.1　结垢问题 220

6.6.2　堵塞问题 221

6.6.3　腐蚀问题 222

6.6.4　水生生物的影响 224

第7章　污水源热泵系统设计 225

7.1　污水源热泵系统概述 225

7.1.1　污水源热泵的特点 225

7.1.2　污水的特性 226

7.1.3　工业污废水 228

7.1.4　系统形式 228

7.2　污水源热泵应用的关键问题 230

7.2.1　污染物问题 231

7.2.2　污垢问题 232

7.2.3　腐蚀问题 234

7.3　污水源热泵系统设计 235

7.3.1　系统设计的前提条件 235

7.3.2　污水水源 235

7.3.3　循环系统设计 235

7.3.4　设备的选用 237

7.4　污水引退水系统设计 238

7.4.1　城市原生污水引退水 238

7.4.2　污水处理厂引退水 241

　　

第8章　空气源热泵系统设计 242

8.1　空气源热泵机组 242

8.2　空气源热泵机组的除霜 244

8.2.1　空气源热泵的结霜 244

8.2.2　除霜方法 246

8.2.3　除霜控制 248

8.3　空气源热泵在寒冷地区的应用 249

8.3.1　空气源热泵在低温工况存在的问题 249

8.3.2　改善空气源热泵低温运行特性的技术措施 250

8.4　空气源热泵系统设计 255

8.4.1　方案选择中的注意事项 255

8.4.2　空气源热泵机组的名义工况与变工况特性 258

8.4.3　空气源热泵机组及辅助热源的设计选型 262

　　

第9章　热泵冷热源机房设备选型计算 268

9.1　热泵机组的选择 268

9.2　循环水泵 269

9.2.1　循环水泵选型参数 269

9.2.2　阻力计算 270

9.3　系统定压补水 280

9.3.1　开式膨胀水箱 280

9.3.2　气压罐定压 282

9.3.3　变频补水泵定压 283

9.4　软化水处理设备 284

9.5　其他设备 285

9.5.1　冷却塔 285

9.5.2　分/集水器 286

9.5.3　旋流除沙器 287

第10章　热泵系统设计案例 288

10.1　土壤源热泵系统设计案例 288

10.2　地下水源热泵系统设计案例 293

10.3　地表水源热泵系统设计案例 298

10.4　污水源热泵系统设计案例 303

参考文献 307

《热泵原理与工程设计》主要分为两个部分，首先对热泵技术进行了介绍，重点阐述了蒸气压缩式热泵和吸收式热泵的工作原理和结构部件，然后针对不同类型的低位热源，阐述了几种应用比较广泛的热泵系统的应用形式、结构组成和设计方法，包括土壤源热泵、地下水源热泵、地表水源热泵、污水源热泵和空气源热泵，并且讲述了热泵机房的工程设计内容和方法，后介绍了几个大中型热泵空调系统的工程应用案例。

本书可以作为高等学校新能源科学与工程专业、建筑环境与设备工程专业本科生及研究生的教学用书，也可以为热能工程技术人员提供参考。

唐志伟，北京工业大学环境与能源工程学院，副教授，从事深层地热能和浅层地热能的利用研究达15年，完成了几拾个工程项目的设计和建设，熟悉地热利用装备，熟悉建筑物空调系统的设计和安装，地热利用技术成果被北京市列为2008年奥运推介项目。从事有色金属生产工艺的节能改造，在铝型材氧化线表面处理工艺上，节能率达到30%以上。从事燃气锅炉烟气的全热回收研究，能够使锅炉热效率提高15%。从事一线授课，多次讲述工程热力学、传热学以及地热利用技术。在国内核心期刊发表40多篇，SCI文章6篇。