太阳能与空气源热泵在建筑节能中的应用

　　本书分为三大部分，**部分讲述相关内容的基础知识；第二部分讲述热泵的原理、构造及制冷剂的发展，利用温湿图和压焓图表示的热力循环过程，即如何利用这两种主要工具图进行热泵性能的分析计算和研究；第三部分重点论述在寒冷气候下空气源热泵低温热水、低温辐射供暖的理论依据与实践验证，并从实测与理论计算两方面揭示来自室外不稳定的空气中的热，通过地板辐射供暖，如何获得稳定的室温。第三部分还描述了太阳能与空气源热泵与辐射地板如何集成，可以获得高节电率的供暖效果，*后描述了太阳能与空气源热泵结合，如何实现建筑中的空调节能。 

　　本书分为三章。章讲述了建筑围护结构的传热理论及人体在室内与周围物体热湿交换的物理数学描述等相关内容的基础知识,又针对本书的中心内容——空气源热泵供暖、空调讲述了相关的传热与热力学基础理论知识。第二章讲述了蒸汽压缩式热泵的原理、组件、制冷剂和替代物和热力循环在温熵图与压焓图上的表达方法，以及中小型压缩机的种类、特性及适应低温气候的热泵的研究进展，进一步讲述了如何选择、设计空气源热泵机组的主要参数，即蒸发温度(压力)、冷凝温度(压力)、过冷度、过热度、压缩机出口参数及与之相关的压缩机的效率、功率、能效比等确定方法。第三章重点讲述了建筑中的辐射供冷暖的结构、原理及特性，给出了空气源热泵辐射地板供暖的系统图示、设计参数，特别针对北方寒冷地区气象条件、建筑能耗及常用的水盘管式辐射供暖地板结构给出单位供热量与供、回水温度的相关关系；第三章中还举出多项工程示范实例验证理论的正确性。 本书可供暖通空调、能源利用、环境保护等领域的专业工作者、管理工作者参考，也可供高等学校、设计单位人员阅读。

李元哲 清华大学热能系空调专业教授。曾担任我国“*”期间国家攻关课题“可再生能源”“太阳能利用”国家二级课题组长，在中、西德合作的可再生能源村的建设中，两次获得太阳房科技进步二等奖，一次获得太阳能热水器科技进步三等奖，先后在国内外发表了90余篇论文和三部专著，即李元哲主编、六单位合编的《被动式太阳房热工设计手册》，李元哲等编著的《被动式太阳房的原理及其设计》、《太阳能原理、制造与施工》。拥有三十五项国家专利，其中有两项发明专利。作为主要编写人参与编写了《被动式太阳房热工技术条件与测试方法》（GB/T15405-2003）及《村镇住宅太阳能采暖应用技术规程》（DB/635-2009）。曾任中国太阳能学会太阳能热利用专业委员会委员，《甘肃科学》、《太阳能学报》、《太阳能》、《中国建设信息·供热制冷》编委，为我国太阳能热利用行业学术带头人之一。 李元哲教授在太阳能行业内率先成功地应用了热管技术，于大面积热水工程上被称为100%成功者。 李元哲教授于1978年曾在清华大学建立了一座太阳能地板采暖实验室，也是我国个太阳能地板采暖房，在无其它补充能源的情况下，低温辐射地板在北京用于采暖取得成功。2000年以来，首创的空气源热泵低温辐射地板采暖在寒冷地区得到了推广，取得节能60%以上的效果，经建设部鉴定为“国内首创，国际先进”，为我国寒冷地区创建了一种全新的清洁节能采暖模式，2005年至今已稳步推广了几十万平米。近年来，李元哲教授一直不断地从理论上完善着该技术。 2012年，作为首席专家参与编写了住建部立题的“空气源热泵低温热水辐射地板采暖研究导则”，该技术产品随即列入了北京市发改委等七单位联合印发的北京市2012年节能低碳技术产品推广目录，“京发改【2012】780号”。 2008年以来，在昌平清华阳光太阳能设备厂、顺义力正锅炉厂安装了空气源热泵，太阳能辅助地板采暖为热源，经全冬季测试节约电能80%，减排显著，其论述发表于一级学报（2009.11）。 夏季又以其发明的一种新型固体吸附除湿机，将太阳能与空气源热泵综合利用，实现了温湿度独立控制的空调。实现了用户满意的节能效果。为寒冷地区太阳能和空气能综合利用取得了成功的数据，并为制定项目规范打下了基础。2005年获海淀区发改委技术创新一等奖；2008-2009年承担海淀区发改委太阳能综合利用示范项目；2009-2011年获北京海淀区中关村创新基金项目支持，同年承担海淀区科委空气源热泵产业化项目。 2013—2014年冬季，与清华大学、北京华业阳光能源科技有限公司、清华索兰环能技术研究所，等三单位合作，在昌平马池口某职工宿舍，合作“主、被动太阳能空气源热泵集成优化系统”示范项目，获得全冬季节能80%以上的效果，被北京市工信委主持鉴定，评价为“国内首创、国际先进”。

章  基础知识
  节  能源形势
    一、能源形势
    二、建筑用能
    三、环境保护对能源利用提出的挑战
    四、加快推动绿色建筑发展
    五、能源的品位
  第二节  人体对室内环境热舒适度的要求
    一、人体的热平衡
    二、人体与周围环境的热、湿交换
    三、作用温度
    四、作用温度的测量及黑球温度tg
    五、空气相对湿度φ和风速v的影响
    六、典型建筑室内热环境的标准
  第三节  建筑围护结构的传热
    一、建筑围护结构传热分析
    二、稳定导热
    三、稳定传热
    四、对流换热
    五、辐射换热
  第四节  热力学的基本定律
第二章  蒸汽压缩式热泵
  节  热泵的发展
  第二节  蒸汽压缩式热泵
    一、蒸汽压缩式热泵的原理及组件
    二、理想循环过程在温熵图上的表示
    三、理论循环与理想循环的差异
    四、lgp-i图
  第三节  制冷剂
    一、环境保护对制冷剂的要求
    二、热力循环效率对制冷剂的要求
    三、对制冷剂的其他物理、化学性质的要求
    四、常用制冷剂及替代物
  第四节  压缩机
    一、全封闭式压缩机
    二、小型压缩机的功率和效率
    三、螺杆式压缩机
  第五节  适应低温气候的空气源热泵
    一、空气源热泵低温适应性的进展概述
    二、带经济器的准二级压缩机
    三、双级压缩的空气源热泵
    四、双级耦合的热泵
    五、谷轮低温空气源热泵压缩机
  第六节  蒸汽压缩式空气源热泵的其他主要部件
    一、蒸发器
    二、板式冷凝器与蒸发器
    三、膨胀阀
    四、电子膨胀阀
    五、毛细管
    六、四通阀
  第七节  蒸汽压缩式热力循环参数的确定
    一、冷凝温度的确定
    二、蒸发温度的确定
    三、过冷度和过热度
    四、压缩机出口蒸汽状态的确定
  第八节  蒸汽压缩式热泵实际循环的热力计算
第三章  太阳能、空气源热泵在节  能建筑中的应用
  节  节  能建筑与绿色建筑对采暖空调的需求
  第二节  民用建筑中的主要采暖方式和对热媒的要求
    一、热风供暖
    二、散热器供暖
    三、空气源热泵低温地板辐射供暖
  第三节  空气源热泵地板供暖在北方寒冷地区应用的节  能性与适用性
    一、在寒冷地区采用空气源热泵地面采暖的节  能性与舒适性
    二、空气源热泵地板辐射供暖
  第四节  空气源热泵的冲霜问题
    一、空气源热泵的室外热交换器
    二、结霜问题
  第五节  主、被动太阳能、空气源热泵辐射地板优化集成供暖系统
    一、示范建筑概况
    二、供暖系统——多热源、错时、互补、链接末端集成系统
  第六节  室外温度波动对空气源热泵供暖的影响
    一、空气源热泵的热特性
    二、辐射供暖地板的蓄热性及对热波的衰减
    三、空气源热泵辐射地板供暖的热过程分析
  第七节  空气源热泵、太阳能除湿、降温空调
    一、地板辐射供冷的进展
    二、空气调节  的室内设计工况及露点温度
    三、典型辐射供冷的地板构造与供冷量的计算
    四、地板的供冷量
    五、顶棚（板）辐射供冷、暖
  第八节  空气源热泵地板辐射供暖实践与示范工程
    一、早期产品的工程应用
    二、中期产品的工程案例
    三、近期的示范工程
  第九节  太阳能、空气源热泵除湿
    一、市场上现有除湿机使用情况
    二、固体吸附除湿——硅胶和水吸附对的优势
    三、一种内源式固体吸附除湿装置
    四、内源式固体吸附除湿机性能的实验研究
    五、关于除湿机的处理空气量与热平衡计算
    六、太阳能、空气源热泵温、湿度独立除湿降温空调系统
附录
    附录一  饱和氟利昂22蒸气表
    附录二  饱和氟利昂134a蒸气表
    附录三  饱和氟利昂407c蒸气表
    附录四  主要单位换算表
基本符号
参考文献

 

节能减排是当今人类社会为实现可持续发展而奋斗的两大课题，PM25等细颗粒物对人类的困扰，也加快了人们清洁空气的行动。从建筑节能到可再生能源的利用，已列入国家法规，其中太阳能和空气能由于其唾手可得，取之不尽，免费索取，更成为大众的清洁能源。 建筑中的采暖空调占据社会能耗的较大份额，节能意义重大，而冬暖夏凉又关系到千家万户奔小康的幸福憧憬。尤其是在寒冷气候区，以空气源热泵为热源取代燃烧化石燃料，更是多年来人们期盼的，也是在探索与争议中被认可的成熟技术。几乎与此同时，建筑中辐射供冷暖的兴起，使人们找到了节能舒适、卫生健康、冷暖合一的末端装置。它更适合与太阳能和空气源热泵这类低品位热源配套使用，所以，本书的中心内容是围绕着空气源热泵和或太阳能低温热水辐射供暖，及供冷除湿的温湿度独立空调技术。 本书分为三章，章讲述建筑节能的重要性，建筑围护结构的传热理论及人体在室内与周围物体热湿交换的物理数学描述。又针对本书的中心内容——空气源热泵供暖、空调讲述了相关的传热与热力学的基础理论知识。 第二章讲述蒸汽压缩式热泵的原理、组件、制冷剂及替代物和热力循环在温熵图与压焓图上的表达方法。讲述了中小型压缩机的种类、特性及适应低温气候的热泵的研究进展，进一步讲述了如何选择、设计空气源热泵机组的主要参数，即蒸发温度（压力）、冷凝温度（压力）、过冷度、过热度、压缩机出口参数及与之相关的压缩机的效率、功率、能效比等确定方法，并举例说明。 第三章重点讲述建筑中的辐射供冷暖的结构、原理及特性，给出了空气源热泵辐射地板供暖的系统图示、设计参数，特别是针对北方寒冷地区气象条件、建筑能耗及常用的水盘管式辐射供暖地板结构给出单位供热量与供、回水温度的相关关系，使低温热水地板辐射供暖的推广有据可循。本部分提出一种冷、暖合一的顶板辐射管帘，对它进行了理论计算并示于图表中，可供参考；同时给出了与辐射供冷配套的“一种内源式固体吸附除湿”设备及实验研究结果。 在第三章中还举出多项工程示范实例验证理论的正确性，其中有主、被动太阳能与空气源热泵三项热源集成的辐射地板供暖工程，节电率高达80%。本部分示范工程的数据证实了在寒冷气候区空气源热泵地板辐射供暖的节能率高，舒适性与室温稳定性好。 本书、二章由李元哲执笔，第三章的示范工程实例由姜蓬勃、许杰负责完成了产品制造和工程施工，李元哲做了测试分析，并成文。 本书承方肇洪教授审定，使书的质量得到了保证，在此表示衷心感谢。 书中不妥之处，欢迎读者批评指正。 李元哲 2015年1月于北京清华园

　　为了顺应节能减排的迫切需要，特别是面对我国北方严重的大气污染问题，北方寒冷地区急需开发新型清洁供热方式。在这种背景下，利用空气源热泵作为热源为寒冷地区供热的技术正在日益得到重视，并开始进入规模化应用的阶段。这种新型供热方式的应用需要从热泵到供热末端的系统性解决方案，也需要有理论基础、设计方法和优化运行控制等一系列的新技术和知识。由李元哲教授撰写的《太阳能与空气源热泵在建筑节能中的应用》结合作者多年在该领域中的教学、研究和工程应用探索，对这一问题的理论基础进行了比较全面的阐述，对该系统的设计方法做了较详细的介绍，对一些比较前沿的领域，如太阳能与空气源热泵结合的供热系统以及温湿度独立控制的空调系统等，也进行了有益的探索。该书的出版将为空气源热泵供热技术领域的工程技术人员提供及时和宝贵的技术支持，为该技术进一步的完善和发展提出方向。希望该书稿早日出版，以飨读者。 山东建筑大学教授 方肇洪 2015年5月太阳能与空气源热泵在建筑节能中的应用