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地源熱泵技術與建築節能及供熱空調關係

更新时间:2019-11-30 17:04人气:8209
摘要:熱泵(製冷機)是通過作功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝配。建築的空調係同一般應滿足冬季供熱和夏季製冷兩種相反的要求。傳統的空調係統通常需分別設置冷源(製冷機)和熱源(鍋爐)。建築空調係統由於必須有冷源(製冷機) ,假如讓它在冬季以熱泵的模式運行,則可以省往鍋爐{TodayHot}和鍋爐房,不但節省了初投資,而且全年僅采用電力這類清潔能源,大大減輕了供熱釀成的大氣汙染題目。

關鍵詞:空氣源熱泵地表水熱泵地下水熱泵一、熱泵與建築供熱空調

隨著經濟的發展和人民生活水平的進步,公共建築和室第的供熱和空調已成為普遍的需求 。在發達國家中,供熱和空調的能耗可占到社會總能耗的25-30%。我國的能源結構首要依托礦物燃料,特別是煤炭。礦物燃料燃燒產生的大量汙染物,包括大量SO2、NOX等有害氣體和CO2等溫室效應氣體。大量燃燒礦物燃料所產生的環境題目已日益成為各國當局和公眾關注的焦點。我國的供熱已曆了一家一戶的小煤爐到燃煤鍋爐的改變。現在又進一步禁止在城鎮建設中小型燃煤鍋爐房,體現了當局對保護大氣環境的高度重視 。是以,除了集中供熱的型式以外,急需發展其他的替換供熱方式。熱泵就是能有效節省能源 、減少大氣汙染和CO2排放的供熱和空調新技術。

熱泵(製冷機)是通過作功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝配。建築的空調係同一般應滿足冬季的供熱和夏季製冷兩種相反的要求。傳統的空調係統通常需分別設置冷源(製冷機)和熱源(鍋爐)。建築空調係統由於必須有冷源(製冷機),假如讓它在冬季以熱泵的模式運行,則可以省往鍋爐和鍋爐房,不但節省了初投資,而且全年僅采用電力這類清潔能源,大大減輕了供熱釀成的大氣汙染題目。

采用熱泵為建築物供熱可以大大降低一次能源的消耗。通常我們通過直接燃燒礦物燃料(煤、石油、自然氣)產生熱量,並通過若幹個傳熱環節終究為建築{HotTag}供熱 。在鍋爐和供熱管線沒有熱損失的理想情況下,一次能源利用率(即為建築物供熱的熱量與燃料發熱量之比)最高可為100%。但是,燃燒礦物燃料通常可產生1500-1800℃的高溫,是高品位的熱能,而建築供熱終究需要的是20-25℃的低品位的熱能;直接燃燒礦物燃料為建築供熱意味著大量可用能的損失。假如先利用燃燒燃料產生的高溫熱能發電,然後利用電能驅動熱泵從四周環境中吸收低品位的熱能 ,適當進步溫度再向建築供熱 ,就可以充分利用燃料中的高品位能量 ,大大降低用於供熱的一次能源消耗。供熱用熱泵的性能係數,即供熱量與消耗的電能之比 ,現在可達到3-4;火力發電站的效率可達35-58%(高值為燃氣聯合循環電站)。采用燃料發電再用熱泵供熱的方式,在現有先進技術條件下一次能源利用率可以達到200%以上。是以,采用熱泵技術為建築物供熱可大大降低供熱的燃料消耗,不僅節能,同時也大大降低了燃燒礦物燃料而引發的CO2和其他汙染物的排放。

熱泵利用的低溫熱源通常可所以環境(大氣、地表水和大地)或各種廢熱。應當指出 ,由熱泵從這些熱源吸收的熱量屬於可再生的能源。

二、空調熱泵的分類及其優缺點

以建築物的空調(包括供熱和製冷)為目的的熱泵係統有很多種 ,例如有益用建築透風係統的熱量(冷量)的熱回收型熱泵和利用於大型建築內部不同分區之間的水環熱泵係統等。

這裏首要討論利用四周環境作為空調冷熱源的熱泵係統 。就其性質來分,國外的文獻通常把它們分為空氣源熱泵(airsourceheatpump,ASHP)和地源熱泵(groundsourceheatpump,GSHP)兩大類。地源熱泵又可進一步分為地表水熱泵(su***ce-waterheatpump,SWHP) 、地下水熱泵(groundwaterheatpump,GWHP)和地下耦合熱泵(ground-coupledheatpump,GCHP)。我國對熱泵係統的術語尚未形成規範的用法。例如對地下水熱泵係統有“地溫空調”的貿易名;而地下耦合熱泵則在一些文獻中稱為“土壤源熱泵”,或直接稱為“地源熱泵”。空氣源熱泵以室外空氣為一個熱源。在供熱工況下將室外空氣作為低溫熱源,從室外空氣中吸收熱量,經熱泵進步溫度送進室內供熱 。空氣源熱泵係統簡單,初投資較低。空氣源熱泵的首要缺點是在夏季高溫順冬季嚴冷天氣時熱泵的效率大大降低。而且,其製熱量隨室外空氣溫度降低而減少,這與建築熱負荷需求趨勢正好相反。是以當室外空氣溫度低於熱泵工作的平衡點溫度時,需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱。此外,在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發器上會結霜,需要定期除霜,這也消耗大量的能量。在嚴冷地區和高濕度地區熱泵蒸發器的結霜可成為較大的技術障礙。在夏季高溫天氣,由於其製冷量隨室外空氣溫度升高而降低,同樣可能導致係統不能正常工作。空氣源熱泵不適用於嚴冷地區,在冬季天氣較溫順的地區,如我國長江中下遊地區,已得到相當廣泛的利用。

另一種熱泵利用大地(土壤 、地層、地下水)作為熱源,可以稱之為“地源熱泵”。由於較深的地層中在未受幹擾的情況下常年保持恒定的溫度,遠高於冬季的室外溫度,又低於夏季的室外溫度,是以地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術障礙,且效率大大進步。此外,冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度後對建築供熱,同時使大地中的溫度降低,即蓄存了冷量,可供夏季使用;夏季通過熱泵把建築物中的熱量傳輸給大地 ,對建築物降溫,同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。如許在地源熱泵係統中大地起到了蓄能器的感化,進一步進步了空調係統全年的能源利用效率。

地下水源熱泵係統的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。經過換熱的地下水可以排進地表水係統,但對於較大的利用項目通常要求通過回灌井把地下水回灌到本來的地下水層。比來幾年地下水源熱泵係統在我國得到了迅速發展。但是,利用這類地下水熱泵係統也受到很多限製。首先,這類係統需要有豐富和穩定的地下水資本作為先決條件。是以在決定采用地下水熱泵係統之前,一定要做具體的水文地質調查,並先打勘測井,以獲取地下溫度、地下水深度、水質和出水量等數據。地下水熱泵係統的經濟性與地下水層的深度有很大的關係。假如地下水位較低,不僅成井的用度增加,運行中水泵的耗電將大大降低係統的效率 。此外 ,固然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層 ,但目前國內地下水回灌技術還不成熟,在很多地質條件下回灌的速度大大低於抽水的速度,從地下抽出來的水經過換熱器後很難再被全部回灌到含水層內 ,造成地下水資本的流失 。此外 ,即使能夠把抽取的地下水全部回灌,如何保證地下水層不受汙染也是一個棘手的課題。水資本是當前最緊缺、最寶貴的資本 ,任何對水資本的浪費或汙染都是盡對不可許可的。國外由於對環保和使用地下水的規定和立法愈來愈嚴格,地下水熱泵的利用已逐步減少。

地表水熱泵係統的一個熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。

在靠近江河湖海等大體量自然水體的地方利用這些自然水體作為熱泵的低溫熱源是值得考慮的一種空調熱泵的型式。當然,這類地表水熱泵係統也受到自然條件的限製。此外,由於地表水溫度受天氣的影響較大,與空氣源熱泵類似,當環境溫度越低時熱泵的供熱量越小,而且熱泵的性能係數也會降低。一定的地表水體能夠承擔的冷熱負荷與其麵積 、深度和溫度等多種因數有關,需要根據具體情況進行計算。這類熱泵的換熱對水體中生態環境的影響有時也需要預先加以考慮。地下耦合熱泵係統是利用地下岩土中熱量的閉路循環的地源熱泵係統。“地下耦合熱泵”的名稱直譯自英文,不通俗。通常也稱之為“閉路地源熱泵”(closed-loopgroundsourceheatpump)以區別於地下水熱泵係統,或直接稱為“地源熱泵”。它通過循環液(水或以水為首要成分的防凍液)在封閉地下埋管中的活動,實現係統與大地之間的傳熱。在冬季供熱過程中,流體從地下收集熱量,再通過係統把熱量帶到室內。夏季製冷時係統逆向運行,即從室內帶走熱量,再通過係統將熱量送到地下岩土中。是以,地下耦合熱泵係統保持了地下水熱泵利用大地作為冷熱源的優點,同時又不需要抽取地下水作為傳熱的介質。它是一種可持續發展的建築節能新技術。1998年美國能源部頒布法規,要求在全國聯邦當局機構的建築中推廣利用地下耦合熱泵供熱空調係統。為了表示撐持這類節能環保的新技術,美國總統布什在他的得克薩斯州的宅邸中也安裝了這類地源熱泵空調係統(見2001年5月18日參考消息) 。

三、地源熱泵供熱空調係統的經濟性分析

地源熱泵係統可實現對建築物的供熱和製冷,還可供生活熱水,一機多用。一套係統可以代替本來的鍋爐加製冷機的兩套裝配或係統。係統緊湊 ,省往了鍋爐房和冷卻塔 ,節省建築空間,也有益於建築的美觀。地源熱泵係統的另一個明顯的特點是大大進步了一次能源的利用率,是以具有高效節能的優點。地源熱泵比傳統空調係統運行效率要高約40-60%。另外,地源溫度較恒定的特性,使得熱泵機組運行更可靠、穩定,全部係統的維護用度也較鍋爐-製冷機係統大大減少,保證了係統的高效性和經濟性。

迄今為止製約地下耦合熱泵係統在我國利用的障礙首要是在地下埋管的初投資較高,和當局 、建築設計職員和公眾對這一技術缺乏了解。地源熱泵空調係統的經濟性取決於多種身分 。不同地區,不同地質條件,不同能源結構及價格等都將直接影響到其經濟性。根據國外的經驗,由於地源熱泵運行用度低,增加的初投資可在3-7年內收回 ,地源熱泵係統在全部服務周期內的均勻用度將低於傳統的空調係統。

四、結束語

在建築供熱空調中采用熱泵技術可以有效地進步一次能源利用率 ,減少溫室效應氣體CO2和其它燃燒產生的汙染物的排放,是一種可持續發展的建築節能新技術 。在本文所討論<1頁

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