地源熱泵
地源熱泵空調(diào)原理及效益
文章來源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時間:2021-11-03 10:07:26瀏覽次數(shù):1475
一 中央空調(diào)系統(tǒng)形式介紹:
1、傳統(tǒng)的中央空調(diào)有空氣源熱泵(風(fēng)冷機(jī)組)+輔助電加熱和水冷冷水機(jī)組+鍋爐兩種形式。空氣源熱泵(風(fēng)冷機(jī)組)和水冷冷水機(jī)組在制冷時都是把房間的熱量向室外空氣排放,受室外氣溫因素影響太大,其制冷量隨室外空氣溫度升高而降低,尤其在高溫高濕地區(qū),機(jī)組制冷性能極不穩(wěn)定,效率低下,有時甚至不能工作。在制熱時,空氣源熱泵當(dāng)室外溫度降到零度以下時需加輔助電加熱裝置,耗電量大,效率很低;而水冷冷水機(jī)組+鍋爐這種空調(diào)形式,在供熱時需用電鍋爐或燃煤、燃油鍋爐,污染嚴(yán)重,運(yùn)行費(fèi)用昂貴。
2.1.1、水源熱泵概念
水源熱泵技術(shù)是一種利用地球表面或淺層水源(如地下水、河流和湖泊),或者是人工再生水源(工業(yè)廢水、地?zé)嵛菜?/a>等)的低溫低位熱能資源,采用熱泵原理,通過少量的高位電能輸入,實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移,既可供熱又可制冷的高效、環(huán)保、節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。
2.1.2、水源熱泵原理
地球表面淺層水源(一般在 1000 米以內(nèi)),像地下水、地表的河流、湖泊和海洋中,吸收了太陽進(jìn)入地球的相當(dāng)?shù)妮椛淠芰?,并且水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵技術(shù)的工作原理就是:在夏季將建筑物中的熱量“取”出來,釋放到水體中去,由于水源溫度低,所以可以高效地帶走熱量,以達(dá)到夏季給建筑物室內(nèi)制冷的目的;而冬季,則是通過水源熱泵機(jī)組,從水源中“提取”熱能,送到建筑物中采暖。
通常水源熱泵消耗 1kW 的能量,用戶可以得到 4kW 以上的熱量或冷量。
2.1.3、水源熱泵的分類
當(dāng)利用的對象都是水體和地層(含水地層)的蓄能,而且都是以水作為熱泵機(jī)組的冷熱源,都可以將之歸類為水源熱泵系統(tǒng)。水源熱泵可以分為地下水源熱泵以及地表水源熱泵。 地下水熱泵系統(tǒng),也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。 通過建造抽水井群將地下水抽出,通過二次換熱或直接送至水源熱泵機(jī)組,經(jīng)提取熱量或釋放熱量后,由回灌井群灌回地下。
2.2 土壤熱交換器地源空調(diào)系統(tǒng)。
這種空調(diào)系統(tǒng)是把熱交換器埋于地下,通過水在由高強(qiáng)度塑料管組成的封閉環(huán)路中循環(huán)流動,從而實現(xiàn)與大地土壤進(jìn)行冷熱交換的目的。夏季通過機(jī)組將房間內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下,對房間進(jìn)行降溫。同時儲存熱量,以備冬用。冬季通過熱泵將土壤中的熱量轉(zhuǎn)移到房間,對房間進(jìn)行供暖,同時儲存冷量,以備夏用,大地土壤提供了一個很好的免費(fèi)能量存貯源泉,這樣就實現(xiàn)了能量的季節(jié)轉(zhuǎn)換。 垂直埋管地源熱泵系統(tǒng) 水平埋管地源熱泵系統(tǒng)
〈1〉工作原理:地源熱泵空調(diào)的心臟是一個“熱泵”(制冷、供熱)。供暖時,它吸取地?zé)?/a>向用戶排放,此過程只消耗少量電能,如圖1所示。制冷時,它吸取用戶室內(nèi)的熱量向地下排放,同樣也消耗少量熱能。
〈2〉 機(jī)組運(yùn)行過程:冬天熱泵中制冷劑正向流動,壓縮機(jī)排出的高溫高壓R22氣體進(jìn)入冷凝器向集水器中的水放出熱量,相變?yōu)?a href="http://mhkwt.com/t/高溫.html" >高溫高壓的液體,再經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流降壓變?yōu)?a href="http://mhkwt.com/t/低溫.html" >低溫低壓的液體進(jìn)入蒸發(fā)器,從地下循環(huán)液中吸取低溫熱后相變?yōu)?a href="http://mhkwt.com/t/低溫.html" >低溫低壓的飽和蒸汽后進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣端,由壓縮機(jī)壓縮排出高溫高壓氣體完成一個循環(huán)。如此循環(huán)往復(fù)將地下低溫?zé)崮堋鞍徇\(yùn)”到集水器,從而不斷的向用戶提供45℃-50℃的熱水。如圖3所示。 夏天熱泵中制冷劑逆向流動,與用戶換熱的冷凝器變?yōu)檎舭l(fā)器從集水器中的低溫水(7-12℃)提取熱能,與地下循環(huán)液換熱的蒸發(fā)器變?yōu)槔淠飨虻叵卵h(huán)液排放熱量,循環(huán)液中熱量再向地下低溫區(qū)排放,如此循環(huán)往復(fù)連續(xù)地向用戶提供7-12℃的冷水。
〈3〉土壤熱交換器埋管形式:地下埋管換熱器主要有兩種形式,即水平埋管和垂直埋管。選擇哪種形式取決于現(xiàn)場可用地表面積、當(dāng)?shù)貛r土類型以及鉆孔費(fèi)用。盡管水平埋管通常是淺層埋管,可采用人工開挖,初投資比垂直埋管小些,但它的換熱性能比豎埋管小很多,并且往往受可利用土地面積的限制,所以在實際工程應(yīng)用中,一般都采用垂直埋管。
2.3 地源熱泵發(fā)展概況
地源熱泵的概念最早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份專利文現(xiàn)中。20世紀(jì)50年代,歐洲和美國開始了研究地源熱泵的第一次高潮。但在當(dāng)時能源價格低,這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì),因而未得到推廣。直到上世紀(jì)70年代,石油危機(jī)和日益惡化的環(huán)境把人們的注意力集中到節(jié)能、高效益用能和環(huán)境保護(hù)上時,使地源熱泵的研究進(jìn)入了又一次高潮,最近20年在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家取得了迅速的發(fā)展,已成為一項成熟的應(yīng)用技術(shù)。在美國地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)占整個空調(diào)系統(tǒng)的40%,是美國政府極力推廣的節(jié)能、環(huán)保技術(shù)。為了表示支持這種技術(shù),美國總統(tǒng)布什在他的得克薩斯州的別墅中也安裝了這種地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)(見2001年5月28日參考消息)。到目前為止美國已安裝了600,000臺,而且計劃每年安裝40萬臺的目標(biāo),能降低溫室氣體排放一百萬噸,相當(dāng)于減少50萬輛汽車的污染排放或種植樹一百萬英畝,年節(jié)約能源費(fèi)用4、2億美元。瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用地源熱泵,用于供暖及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計,為家用的供熱裝置中,地源熱泵所占比例:瑞士為96%,奧地利為38%,丹麥為27%。
在我國由于能源價格的特殊性以及人們節(jié)能、環(huán)保的認(rèn)識程度等原因以及其它一些因素的影響,地源熱泵空調(diào)技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展比較緩慢,人們對之尚不十分了解,推廣較困難,然而隨著人們生活水平的提高,人均能耗的增長,一次性礦物能源的日益衰竭以及環(huán)境的日趨惡化,地源熱泵技術(shù)已越來越引起人們的重視。在目前節(jié)能和環(huán)保的潮流下,該技術(shù)以其特有的節(jié)能性和穩(wěn)定性受到行業(yè)的矚目,國內(nèi)許多院校、科研所作了大量的應(yīng)用研究。國家建設(shè)部在《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中專門作了推薦。據(jù)統(tǒng)計,僅在北京2004年施工并投入運(yùn)行的地源熱泵系統(tǒng)的空調(diào)工程占全年空調(diào)工程總量的2/3以上。可以預(yù)見,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們節(jié)能、環(huán)保意識的日益提高,地(水)源熱泵作為一種節(jié)能、環(huán)保的綠色空調(diào)設(shè)備適應(yīng)能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求,在中國必將有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。
2.4 地源空調(diào)系統(tǒng)的特點
地(水)源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)相比有著無可比擬的優(yōu)勢。
(2) 高效節(jié)能,運(yùn)行費(fèi)用低:屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)。
地源熱泵的冷熱源溫度一年四季相對穩(wěn)定,冬季比環(huán)境空氣溫度高,夏季比環(huán)境空氣溫度低,這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高40%,因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。另外,地能溫度較恒定的特性,使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定,也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。在制熱制冷時,輸入1KW的電量可以得到5KW以上的制冷制熱量。運(yùn)行費(fèi)用每年每平方米僅為15——18元,比常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)低40%左右。
(3) 節(jié)水省地:
2)省去了鍋爐房及附屬煤場、儲油房、冷卻塔等設(shè)施,機(jī)房面積大大小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng),節(jié)省建筑空間,也有利于建筑的美觀
(4) 環(huán)境效益顯著 該裝置的運(yùn)行沒有任何污染,可以建造在居民區(qū)內(nèi),在供熱時,沒有燃燒,沒有排煙,也沒有廢棄物,不需要堆放燃料廢物的場地,不會產(chǎn)生城市熱島效應(yīng),對環(huán)境非常友好,是理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品。
(5) 運(yùn)行安全穩(wěn)定,可靠性高:地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行中無燃燒設(shè)備,因此不可能產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳之類的廢氣,也不存在丙烷氣體,因而也不會有發(fā)生爆炸的危險,使用安全。燃油、燃?xì)忮仩t供暖,其燃燒產(chǎn)物對居住環(huán)境污染極重,影響人們的生命健康。由于土壤深處溫度非常恒定,主機(jī)吸熱或放熱不受外界氣候影響,運(yùn)行工況非常穩(wěn)定,優(yōu)于其它空調(diào)設(shè)備。不存在空氣源熱泵供熱不足,甚至不能制熱的問題。整個系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用也較鍋爐-制冷機(jī)系統(tǒng)大大減少,保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。維修量極少,折舊費(fèi)和維修費(fèi)也都大大地低于傳統(tǒng)空調(diào)。
(6) 一機(jī)兩用,應(yīng)用范圍廣 地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷,一套系統(tǒng)可以代替原來的鍋爐加制冷機(jī)的兩套裝置或系統(tǒng)。 可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑,更適合于住宅的采暖、供冷。
(7) 自動運(yùn)行 地源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定,所以可以設(shè)計簡單系統(tǒng),部件較少,機(jī)組運(yùn)行簡單可靠,維護(hù)費(fèi)用低;自動控制程度高,可無人值守;此外,機(jī)組使用壽命長,均在20年以上。
2.5 地源空調(diào)系統(tǒng)的社會效益
在我國的一些發(fā)達(dá)城市,夏季制冷、冬季采暖與供熱所消耗的能量已占建筑物總能耗的40-50%。特別是冬季采暖用的燃煤鍋爐、燃油鍋爐的大量使用,給大氣環(huán)境造成了極大的污染,對人們的健康形成了威脅。因此,建筑物污染控制和節(jié)能已是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重大問題。傳統(tǒng)的采暖空調(diào)模式因其產(chǎn)生的環(huán)境污染正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。對于夏季制冷的建筑來說,隨著空氣熱泵空調(diào)的普及,空調(diào)的實際使用效果正在逐年下降,這是因為空調(diào)裝機(jī)容量的增加,空調(diào)局部熱島效應(yīng)交叉干擾的結(jié)果。天氣越炎熱,室外的溫度越高,空調(diào)負(fù)荷也越大,而此時空調(diào)機(jī)向室外散熱時,傳熱溫差越小,空調(diào)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率就越低,設(shè)備也越費(fèi)電。也就是說,除了燃煤供暖給環(huán)境造成污染之外,空調(diào)機(jī)同樣會造成大氣污染。
另一方面,我國大部分地區(qū)冬冷夏熱,夏天大量地使用風(fēng)冷空調(diào),造成某些大城市供電緊張,形成電荒,為了確保不會造成斷電等問題出現(xiàn),有些城市夏天限制用電量。另外,因為部分地區(qū)沒有暖氣供應(yīng),冬天使用電爐取暖,造成電力供應(yīng)緊張。
地源熱泵機(jī)組制冷、供暖所需能量3/4左右來自地能,另外1/4左右來自電力輸入,從而減少一次性的礦物能源消耗;不向室外排冷、熱風(fēng),減少城市熱島效應(yīng)。對環(huán)境非常友好。
地源熱泵空調(diào)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的工程系統(tǒng)。冬季向建筑物供熱,夏季又可供冷??蓮V泛應(yīng)用于各類建筑中,如商業(yè)樓宇、公共建筑、住宅公寓、學(xué)校、醫(yī)院等。隨著21現(xiàn)在,我國對建筑節(jié)能的要求越來越高。減少我國冬季采暖和夏季供冷所造成的大氣污染,降低供暖空調(diào)系統(tǒng)的能耗、節(jié)約能源是每個公民應(yīng)盡的義務(wù)。特別是近幾年來,大中城市為改善大氣環(huán)境,大力推廣使用包括可再生能源的清潔能源。隨著人們生活水平的提高,建筑物不僅要滿足冬季采暖的要求,而且需要夏季空調(diào)降溫,地源熱泵技術(shù)提供了這一問題的有效解決方案。
地源熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)對建筑物的供熱和制冷,還可供生活熱水,一機(jī)多用。一套系統(tǒng)可以代替原來的鍋爐加制冷機(jī)的兩套裝置或系統(tǒng)。系統(tǒng)緊湊,省去了鍋爐房和冷卻塔,節(jié)省建筑空間,也有利于建筑的美觀。地源熱泵系統(tǒng)的一個顯著的特點是大大提高了一次能源的利用率,因此具有高效節(jié)能的優(yōu)點。地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高約40~60%,節(jié)能50%左右。另外,地源溫度恒定的特性,使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定,整個系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用也較鍋爐-制冷機(jī)系統(tǒng)大大減少,保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。