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    地源热泵与建筑节能
    2012-12-05 16:59:49

    地源热泵建筑节能新技术

    随着我国经济的发展和人民生活水平的提高,供热和空调已成为普通百姓的基本需求。作为中国传统供热热源的燃煤锅炉是最主要的大气污染源,因此城镇中的中小型燃煤锅炉已经被逐步淘汰。燃油和天然气锅炉虽减轻了对大气的污染,但运行费用很高。此外,供热需要的温度较低的低品位能源,直接燃烧矿物燃料的锅炉房供热方式是能源利用上很大的浪费。而热泵就是一种在技术和经济性上都有较大优势的解决供热问题的建筑节能新技术。

    热泵是通过做功使热量从低温介质向高温介质流动的装置,通常的热泵采用电力作为驱动能源。热泵与制冷机的工作原理和过程是完全相同的,区别只在于应用的目的不同:制冷机的目的是从低温热源除去热量,或称得到冷量;通常称的热泵则以得到较高温度的热量为目的。因此就其工作原理来说,大家日常所见的电冰箱和家用空调都是热泵。建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季的制冷两种相反的要求,传统的空调系统通常需分别设置冷源和热源。建筑空调系统必须有冷源,如果让它在冬季以热泵的方式运行,则可以省去锅炉和锅炉房,不但节省了初投资,而且全年仅采用电力这种清洁能源,彻底解决了大气污染问题。而与直接把电能转换为热能的电锅炉相比,采用热泵空调系统供热的电耗仅为前者的1/3—1/4,可以大大节省运行费用。热泵还可兼顾生活热水供应,特别是在制冷工况下可利用制冷的废热加热热水,不需额外消耗能量。

        以建筑物的空调(包括供热和制冷)为目的的热泵系统有许多种,例如有利用建筑通风系统的热量(冷量)的热回收型热泵和应用于大型建筑内部不同分区之间的水环热泵系统等。这里主要讨论利用周围环境作为空调冷热源的热泵系统。就其性质来分,国外的文献通常把它们分为空气源热泵和地源热泵两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵、地下水热泵和地埋管地源热泵。我国对热泵系统的术语尚未形成规范的用法。例如对地下水热泵系统有“地温空调”的商业名;而地埋管地源热泵则在一些文献中称为“土壤源热泵”,或直接称为“地源热泵”。

        空气源热泵以室外空气为一个热源。在供热工况下将室外空气作为低温热源,从室外空气中吸收热量,经热泵提高温度送入室内供暖。空气源热泵系统简单,初投资较低。空气源热泵的主要缺点是在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低。而且,其制热量随室外空气温度降低而减少,这与建筑热负荷需求趋势正好相反。因此当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度时,需要用电或其他辅助热源对空气进行加热。此外,在供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜,需要定期除霜,这也消耗大量的能量。在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障碍。在夏季高温天气,由于其制冷量随室外空气温度升高而降低,同样可能导致系统不能正常工作。空气源热泵不适用于寒冷地区,在冬季气候较温和的地区,如我国长江中下游地区,已得到相当广泛的应用。

        另一种热泵利用大地(土壤、地层、地下水)作为热源,可以称之为“地源热泵”。由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度,远高于冬季的室外温度,又低于夏季的室外温度,因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍,且效率大大提高。此外,冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热,同时使大地中的温度降低,即蓄存了冷量,可供夏季使用;夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地,对建筑物降温,同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用,进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。

    地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。经过换热的地下水可以排入地表水系统,但对于较大的应用项目通常要求通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。但是,应用这种地下水热泵系统也受到许多限制。首先,这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。因此在决定采用地下水热泵系统之前,一定要做详细的水文地质调查,并先打勘测井,以获取地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据。地下水热泵系统的经济性与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低,不仅成井的费用增加,运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。此外,虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层,但目前国内地下水回灌技术还不成熟,在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度,从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内,造成地下水资源的流失。此外,即使能够把抽取的地下水全部回灌,怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手的课题。水资源是当前最紧缺、最宝贵的资源,任何对水资源的浪费或污染都是绝对不可允许的。国外由于对环保和使用地下水的规定和立法越来越严格,地下水热泵的应用已逐渐减少。

        地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大体量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的型式。当然,这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。此外,由于地表水温度受气候的影响较大,与空气源热泵类似,当环境温度越低时热泵的供热量越小,而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关,需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。

    地埋管地源热泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统。它通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭的地下埋管中流动,实现系统与大地之间的传热。通常也称之为“闭路地源热泵”以区别于地下水热泵系统,或直接称为“地源热泵”。在冬季供热过程中,流体从地下收集热量,再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行,即从室内带走热量,再通过系统将热量送到地下岩土中。因此,地埋管地源热泵系统保持了地下水热泵利用大地作为冷热源的优点,同时又不需要抽取地下水作为传热的介质。它是一种可持续发展的建筑节能新技术。

    地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷,还可供生活热水,一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。系统紧凑,省去了锅炉房和冷却塔,节省建筑空间,也有利于建筑的美观。地源热泵系统的另一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率,因此具有高效节能的优点。地源热泵比传统空调系统运行效率要高约40-60%。另外,地源温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,整个系统的维护费用也较锅炉-制冷机系统大大减少,保证了系统的高效性和经济性。迄今为止制约地源热泵系统在我国应用的障碍主要是在地下埋管的初投资略高,以及政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解。地源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区,不同地质条件,不同能源结构及价格等都将直接影响到其经济性。根据国外的经验,由于地源热泵运行费用低,增加的初投资可在3~7年内收回,地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。

    地源热泵供热空调系统自20世纪50年代在欧洲和北美开始投入实际应用,70年代“石油危机”以后得到迅速推广,现在已是成熟的技术。近年来由于全世界对于全球环境问题的关注,地源热泵技术受到许多国际机构和政府的重视。联合国发展计划 (UNDP) 和国际能源组织 (IEA) 等国际机构都把推广应用地源热泵作为节约能源、减少二氧化碳排放、改善地球环境的重要手段。据统计,美国每年新安装的热泵约150万台。1998年美国能源部颁布法规,要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地下耦合热泵供热空调系统。在欧洲热泵在供热市场中也占有很大的分额。瑞士是世界上按人口平均安装地埋管地源热泵供热设备最多的国家之一,现在共有超过5万套正在运行的地源热泵供热系统。瑞典有5.5万套正在运行的地源热泵供热系统。在奥地利,热泵供热系统中空气源热泵占5%,地下水热泵占12%,地埋管地源热泵占83%

    随着我国能源政策的制定,节能已经成为当前我国的重要工作之一。首先应该指出,由热电联产方式实现的城市集中供热也是一种节能和环保的技术,特别适合在建筑和人口密度大的区域采用。根据我国的特点,集中供热仍将是我国北方城镇供热的主要方式。地源热泵技术作为环保节能的新技术必将在我国得到广泛的应用。推广应用地源热泵技术应该因地制宜,结合项目的不同特点,采用最适合的形式。对城市热网达不到的或比较分散的建筑,热泵供热将成为优先的选择。

    应用地下水源热泵系统时应充分考虑保护和合理利用地下水资源,经适当的审查批准后方可采用,并应保证回灌。在有合适的地表水资源条件的地方可推广地表水源(包括海水源、污水源)热泵系统。在热用户靠近污水处理厂的场合,可以考虑采用污水源热泵系统给建筑供热和空调。地埋管地源热泵系统受资源条件的制约相对较少,随着国家经济实力的不断增强和节能环保要求的不断提高,地埋管地源热泵系统将成为各种地源热泵系统中的主要形式。

    我国幅员辽阔,地理跨度大,各地气候差异明显。我国南方地区气候炎热,空调冷负荷较大,可以应用地源热泵技术将夏季建筑物内热量蓄存于地下岩土中,同时全年将蓄存于地下的热量提取出来制取生活热水,实现了可再生能源的利用,达到节能的目的。我国从华北到长江流域的中部地区,夏季气候炎热需要供冷,冬季也需要供暖,全年既有空调冷负荷,也有热负荷,全年耗能量较大,是应用地源热泵技术的最有利地区。应用地源热泵技术夏季可将建筑物内热量蓄存于地下岩土中,冬季将蓄存于地下的热量提取出来给建筑物供暖,可再生能源的利用率最高,节能效果明显。其中对于冬暖夏热的长江流域地区,可适当采用带辅助散热装置的地源热泵复合系统,将明显降低系统的初投资,并解决全年冷热负荷不平衡的问题。在寒冷地区,地埋管地源热泵系统也可用于小型建筑的供热;对大型建筑则应考虑采用像太阳能或其他余热的适当辅助加热系统。

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