浅谈地源热泵在暖通空调中的应用.docx
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浅谈地源热泵在暖通空调中的应用
浅谈地源热泵在暖通空调中的应用
姓名:
郝凯睿学号:
1132620326班级:
1326203
摘要:
从地源热泵技术的原理和分类着手,了解地源热泵在暖通空调中的优点与缺点。
通过对比地源热泵与空气源热泵各方面特性,指出地源热泵是节能环保型暖通空调技术,大有发展前景。
关键词:
地源热泵;暖通空调;发展前景
ApplicationofgroundsourceheatpumpintheHVACfield
Abstract:
Proceedfromtheprincipleandclassificationofgroundsourceheatpumptechnology,understandingtheadvantagesanddisadvantagesofgroundsourceheatpumpinHVAC.Throughthecomparisonofthegroundsourceheatpumpandairsourceheatpumpinallaspectsofcharacteristics,pointingoutthatthegroundsourceheatpumpisanenergy-savingandenvironmentalprotectiontypeHVACtechnology,withgreatdevelopmentprospect.
Keywords:
groundsourceheatpump;HVAC;developmentprospects
0引言
为了创造舒适的室内空调环境,必须消耗大量的能源。
暖通空调能耗是建筑能耗中的大户,居统计,在发达国家暖通空调能耗占建筑能耗的65%,以建筑能耗占总能耗的356%计算,暖通空调能耗占总能耗的比例竟高达22.75%,由此可见建筑节能工作的重点应该是暖通空调的节能。
从1995年的《建筑部建筑节能“九五”计划和2010年规划》到2006年的《国家十一五规划》,我国的建筑节能工作取得了丰硕的成果:
全国单位国内生产总值(GDP)能耗结束了连续三年的持续攀升,转为下降1.23%,而且建成了几十个国家和国际示范工程。
但是近几年全国每年新增建筑达16~19亿平方米,能达到采暖节能设计标准的还不到30%,更何况有的工程设计达到建筑采暖节能标准,在实际中根本达不到。
到2020年,我国新增城镇民用建筑面积量将会达到150亿平方米,所以我国的建筑要实现可持续发展,必须首先考虑建筑市场上能源供需之间矛盾和建筑能源节约问题。
如果我国不采取有效的建筑节能措施,到2020年我国增加的建筑能耗将会达到目前建筑总能耗的1.3倍。
如果仅仅依靠目前我国大部分地区50%和少数城市65%的通常的建筑节能目标,根本无法满足建筑节能的可持续发展要求,到2020年,建筑能耗依然巨大。
因此,我国的建筑节能任务艰巨。
清洁无污染的地热则是一种可利用的、适宜的新能源之一。
地热是来自地球内部的一种能量资源。
地球上火山喷出的熔岩温度高达1200℃~1300℃,天然温泉的温度大多在60℃以上,有的甚至高达100℃~140℃。
这说明地球是一个庞大的热库,蕴藏着巨大的热能。
这种热量渗出地表,于是就有了地热。
根据温度的高低可对其进行分类:
高于150℃的属于高温地热资源:
处于90℃~150℃之间的是中温地热资源:
而低于90℃的是低温地热资源。
高温地热可用于发电,而低温地热则可以用于暖通空调领域,地热泵技术正是该领域地热利用的具体体现。
1热泵
热泵(HeatPump)是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置,也是是全世界倍受关注的新能源技术。
它不同于人们所熟悉的可以提高位能的机械设备——“泵”;热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能,经过电力做功,然后再向人们提供可被利用的高品位热能。
热泵装置的工作原理与压缩式制冷是一致的遵循逆卡诺循环。
在小型空调器中,为了充分发挥它的效能,在夏季空调降温或在冬季取暖,都是使用同一套设备来完成的。
在冬季取暖时,将空调器中的蒸发器与冷凝器通过一个换向阀来调换工作。
由图中可看出,在夏季空调降温时,按制冷工况运行,由压缩机排出的高压蒸汽,经换向阀(又称四通阀)进入冷凝器,制冷剂蒸汽被冷凝成液体,经节流装置进入蒸发器,并在蒸发器中吸热,将室内空气冷却,蒸发后的制冷剂蒸汽,经换向阀后被压缩机吸入,这样周而复始,实现制冷循环。
在冬季取暖时,先将换向阀转向热泵工作位置,于是由压缩机排出的高压制冷剂蒸汽,经换向阀后流入室内蒸发器(作冷凝器用),制冷剂蒸汽冷凝时放出的潜热,将室内空气加热,达到室内取暖目的,冷凝后的液态制冷剂,从反向流过节流装置进入冷凝器(作蒸发器用),吸收外界热量而蒸发,蒸发后的蒸汽经过换向阀后被压缩机吸入,完成制热循环。
这样,将外界空气(或循环水)中的热量“泵”入温度较高的室内,故称为“热泵”。
2热泵分类
2.1空气源热泵
以空气作为“源体”,空气源热泵,通过冷媒作用,进行能量转移。
目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热水机组。
热泵空调器已占到家用空调器销量的40—50%,年产量为400余万台。
热泵冷热水机组自90年代初开始,在夏热冬冷地区得到了广泛应用,据不完全统计,该地区部分城市中央空调冷热源采用热泵冷热水机组的已占到20—30%,而且应用范围继续扩大并有向此移动的趋势。
2.2水源热泵
以地下水作为冷热"源体",在冬季利用热泵吸收其热量向建筑物供暖,在夏季热泵将吸收到的热量向其排放、实现对建筑物供冷。
虽然目前空气能热泵机组在我国有着相当广泛的应用,但它存在着热泵供热量随着室外气温的降低而减少和结霜问题,而水源热泵克服了以上不足,而且运行可靠性又高,近年来国内应用有逐渐扩大的趋势。
2.3地源热泵
地源热泵是以大地为热源对建筑进行空调的技术,冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖,同时蓄存冷量,以备夏用;夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温,同时蓄存热量,以备冬用。
由于其节能、环保、热稳定等特点,引起了世界各国的重视。
欧美等发达国家地源热泵的利用已有几十年的历史,特别是供热方面已积累了大量设计、施工和运行方面的资料和数据。
2.4复合热泵
为了弥补单一热源热泵存在的局限性和充分利用低位能量,运用了各种复合热泵。
如空气-空气热泵机组、空气-水热泵机组、水-水热泵机组、水-空气热泵机组、太阳-空气源热泵系统、空气回热热泵、太阳-水源热泵系统、热电水三联复合热泵、土壤-水源热泵系统等。
2.4.1太阳-空气热源热泵系统
太阳-空气热源热泵系统是在传统的空气热源热泵系统的基础上,利用太阳能热源而新开发的系统。
它可以制冷、供热、供生活热水,是一种利用自然能源、无污染、适用性广、效率高的新型冷热源系统。
2.4.2土壤-水热泵系统
土壤-水热泵(下称土壤热泵)可利用低品位的土壤热能提供热水或向建筑物供暖。
美国、德国及瑞典等北欧国家,已有上万台此类热泵装置在运行,土壤热泵技术已趋成熟,并迅速地加以推广使用。
目前正在制订土壤热泵用于供暖的技术规范。
2.4.3太阳能-水源热泵空调系统
太阳能水源热泵系统由三部分组成,即太阳能集热系统、水源热泵系统和热水供应系统。
其系统是将建筑物的消防水池作为蓄水供应系统。
以解决太阳能的间歇性和不稳定性。
当环路水温高于35℃时,水源热泵空调系统同消防水池断开,冷却塔投入运行,当环路水温在15~35℃之间时,太阳能作为冷却塔停止运行,生活热水供应的热源收集的太阳能用来加热生活用水;当环路水温低于15℃时,环路与消防水池连通,太阳能水源热泵空调系统吸收太阳能。
若仍有多余的太阳能时,可继续加热生活用水。
2.4.4热泵除上述四类以外,还有喷射式热泵、吸收式热泵、工质变浓度容量调节式热泵及以CO2为工质的热泵系统。
3地源热泵
3.1简介
地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源(如电能)实现由低品位热能向高品位热能转移。
通常地源热泵消耗1kWh的能量,用户可以得到4.4kWh以上的热量或冷量。
"地源热泵"的概念,最早在1912年由瑞士的专家Zoelly提出,而这项技术的提出始于英、美两国。
北欧国家主要偏重于冬季采暖,而美国则注重冬夏联供。
由于美国的气候条件与中国很相似,因此研究美国的地源热泵应用情况,对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。
3.2组成部分
地源热泵供暖空调系统主要分三部分:
室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。
其中地源热泵机主要有两种形式:
水—水式或水—空气式。
三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递,地源热泵与地能之间换热介质为水,与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。
3.3主要特点
3.3.1地源热泵技术属可再生能源利用技术。
由于地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400米深)作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。
地表浅层地热资源可以称之为地能,是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。
地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳能量,比人类每年利用能量的500倍还多。
它不受地域、资源等限制,真正是量大面广、无处不在。
这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源,使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。
3.3.2地源热泵属经济有效的节能技术。
其地源热泵的COP值达到了4以上,也就是说消耗1KWh的能量,用户可得到4KWh以上的热量或冷量。
[1]
3.3.3地源热泵环境效益显著。
其装置的运行没有任何污染,可以建造在居民区内,没有燃烧,没有排烟,也没有废弃物,不需要堆放燃料废物的场地,且不用远距离输送热量。
3.3.4地源热泵一机多用,应用范围广。
地源热泵系统可供暖、空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统;可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,更适合于别墅住宅的采暖。
3.3.5地源热泵空调系统维护费用低。
地源热泵的机械运动部件非常少,所有的部件不是埋在地下便是安装在室内,从而避免了室外的恶劣气候,机组紧凑、节省空间;自动控制程度高,可无人值守.
3.4类型
3.4.1水平式地源热泵
通过水平埋置于地表面2~4M以下的闭合换热系统,它与土壤进行冷热交换。
此种系统适合于制冷供暖面积较小的建筑物,如别墅和小型单体楼。
该系统初投资和施工难度相对较小,但占地面积较大。
3.4.2垂直式地源热泵
通过垂直钻孔将闭合换热系统埋置在50M~400M深的岩土体与土壤进行冷热交换。
此种系统适合于制冷供暖面积较大的建筑物,周围有一定的空地,如别墅和写字楼等。
该系统初投资较高,施工难度相对较大,但占地面积较小。
3.4.3地表水式地源热泵
地源热泵机组通过布置在水底的闭合换热系统与江河、湖泊、海水等进行冷热交换。
此种系统适合于中小制冷供暖面积,临近水边的建筑物。
它利用池水或湖水下稳定的温度和显著的散热性,不需钻井挖沟,初投资最小。
但需要建筑物周围有较深、较大的河流或水域。
3.4.4地下水式地源热泵
地源热泵机组通过机组内闭式循环系统经过换热器与由水泵抽取的深层地下水进行冷热交换。
地下水排回或通过加压式泵注入地下水层中。
此系统适合建筑面积大,周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。
3.5优势
3.5.1环境和经济效益显著
地源热泵机组运行时,不消耗水也不污染水,不需要锅炉,不需要冷却塔,也不需要堆放燃料废物的场地,环保效益显著。
地源热泵机组的电力消耗,与空气源热泵相比也可以减少40%以上;与电供暖相比可以减少70%以上,它的制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50%,比燃气锅炉的效率高出了75%。
3.5.2一机多用,应用广泛
地源热泵系统可供暖、空调制冷,还可提供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统,特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物。
地源热泵有着明显的优点。
不仅节省了大量的能量,而且用一套设备可以同时满足供热、供冷、供生活用水的要求,减少了设备的初投资,地源热泵可应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、商场、办公楼、学校等建筑,小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。
3.5.3维护费用低并可无人值守
地源热泵系统运动部件要比常规系统少,因而减少维护,其系统不是埋在地下就是安装在室内,不暴露在风雨中,机组紧凑、节省空间,也可免遭损坏,更加可靠,延长寿命。
自动控制程度高,可无人值守、远程管理,无需雇佣人员看管。
3.5.4污染小
地源热泵的污染物排放,与空气源热泵相比,相当于减少38%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上,真正的实现了节能减排节能减排是减少能源浪费和降低废气排放更多。
3.5.5维护简单
地源热泵系统运动部件要比常规系统少,因而减少维护,系统安装在室内,不暴露在风雨中,也可免遭损坏,更加可靠,延长寿命。
3.5.6寿命长
地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管,寿命可达50年,要比普通空调高35年使用寿命。
3.5.7维持生态环境平衡
地源热泵夏天把室内的热量排到地下,冬天把地下的热量取出来供室内使用,相对来说,向环境排放更少的能量,维持生态环境的平衡。
3.5.8节省空间
没有冷却塔、锅炉房和其它设备,省去了锅炉房,冷却塔占用的宝贵面积,产生附加经济效益,并改善了环境外部形象。
地源热泵系统的能量来源于自然能源。
它不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种理想的“绿色空调”。
被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。
该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。
可广阔应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。
3.6存在问题
目前地源热泵的技术存在的最大不足是“土壤热不平衡”的问题。
南方地区以供冷为主,常年向地下注入热量;而北方地区冬季供暖需求大,从土壤中大量吸热,长年运行后将导致土壤温度失衡,影响周围生态。
夏热冬冷地区的夏季供冷量往往大于冬季供热量,多出的热量可通过冷却塔散去,也可通过余热回收系统,用于供应生活热水,从一定程度上缓解土壤热不平衡的问题。
4关于发展地热源热泵的思考
实测表明,地球表面下30m以上的土壤层温度受太阳照射与气温影响呈一年四季周期性变化,地球表面300m以下的温度只受来自地核的导热与对流的影响,平均地温梯度约为25~30℃。
但地下30~300m间的地层是一个恒温带,其温度是地球表面的太阳照射与气温影响和地核的导热与对流影响的综合平衡点。
在我国的华北地区平衡点温度在14~18℃范围内,在中南地区平衡点温度在20~22℃范围内。
此平衡温度与当地的全年平均气温有非常好的相关性,但完全不受当地一年四季气温变化的影响。
有的设计者在应用与设计地源热泵系统时常常忽视了一条必须遵守的原则,即夏季向地源累计放热量等于冬季向地源累计吸取的热量,以保持该地区地下恒温带的全年温度变化的平衡。
如果我们真的能把此恒温带看作取之不尽、可不断再生的低温地热资源,那么我们的地源热泵系统就可以每年只从地下取热供暖,无需每年夏季提供冷排热了。
如果我们真的这样做,五六年后该地层温度就会有明显下降,该地源热泵系统中水源热泵机组的制热效率也会随之下降,10年后就会迫使热泵机组停止使用。
在30~300米深的地下,地源热泵系统都是以天、周、年的时间尺度周期地取热与排热,只要其全年的总取热量与总排热量相等,就能持久地维持恒温带的状态;如果把恒温地层看作为“取之不及,可不断再生的低温地热资源”,可由深层的地热资源或地表太阳能来补充,那就会犯原理性错误。
由于地壳的导热系数很小,热容量极大,若要让地表太阳照射的热能或地幔的热能的传递到此恒温带,其恢复温度的时间尺度将是几十年,乃至上百年。
因此,单纯地,连续地从此恒温带取热而不考虑及时地热量平衡,此恒温带的温度必然会逐年下降,使地源热泵系统的工况逐年恶化,效率逐年下降,5到10年后就会失效与报废。
实际上地下土壤、卵石与岩石的传热,地下含水层的热迁移都是十分缓慢的。
如果我们不遵守年热平衡原则,倘若真的每年夏季累计向地下排放的热量大于冬季累计吸取的热量,即使该地区地下恒温带每年只升高0.5度,10年后该地源热泵系统就不能有效正常工作了。
因此,我们不应该把地下30~300米深这一恒温带地层看作“取之不尽,可不断再生的低温地热资源,而只能看作“蓄热层”。
5结束语
地源热泵作为一种环保节能的空调方式,应该得到研究工作者对其进行更为深入的研究,探索其关键性技术。
目前在国内地源热泵机组的设计、安装、运行、维护等各个方面还没有成型的行业标准和规范,其推广应用还有待时日。
作为一门新技术,它为我国的可持续发展带来了契机,在不远的将来,随着国富民强,紧急实力的提高和生活水平的进步,研究和技术人员的努力,它在中国一定有广阔的市场前景。
参考文献
【1】王宇航陈友明等地源热泵的研究与应用
【2】杨文芳地源热泵在新建建筑中应用的经济性研究及政策建议
【3】刁永飞张小力等地源热泵的优越性及前景展望
【4】汪训昌关于发展地源热泵系统的若干思考
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