地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)

【專家解說】：摘要：本文系統(tǒng)介紹了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展歷史,工作原理以及特點(diǎn)等。 關(guān)鍵詞：地源熱泵 工作原理 一、概念地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地下去。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內(nèi)能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省約二分之一的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)4.0～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50～60％。因此，近十幾年來，尤其是近五年來，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發(fā)展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，可以預(yù)計(jì)，該項(xiàng)技術(shù)將會成為21世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。 二、地源熱泵國內(nèi)外發(fā)展近況地源熱泵的歷史可以追朔到1912年瑞士的一個專利，而地源熱泵真正意義的商業(yè)應(yīng)用也只有近十幾年的歷史。如美國，截止1985年全國共有14,000臺地源熱泵，而1997年就安裝了45，000臺，到目前為止已安裝了400，000臺，而且每年以10％的速度穩(wěn)步增長。1998年美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調(diào)總保有量的19％，其中有新建筑中占30％。美國地源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了由美國能源部、環(huán)保署、愛迪遜電力研究所及眾多地源熱泵廠家組成的美國地源熱泵協(xié)會，該協(xié)會在近年中將投入一億美元從事開發(fā)、研究和推廣工作。美國計(jì)劃到2001年達(dá)到每年安裝40萬臺地源熱泵的目標(biāo)，屆時將降低溫室氣體排放1百萬噸，相當(dāng)于減少50萬輛汽車的污染物排放或種植樹1百萬英畝，年節(jié)約能源費(fèi)用達(dá)4.2億美元，此后，每年節(jié)約能源費(fèi)用再增加1.7億美元。與美國的地源熱泵發(fā)展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地?zé)豳Y源，地下土壤埋盤管（埋深<400米深）的地源熱泵，用于室內(nèi)地板輻射供暖及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計(jì)，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％。美國特別看好中國市場，美國能源部和中國科技部于1997年11月簽署了中美能源效率及可再生能源合作議定書，其中主要內(nèi)容之一是“地源熱泵”，該項(xiàng)目擬在中國的北京、杭州和廣州3個城市各建一座采用地源熱泵供暖空調(diào)的商業(yè)建筑，以推廣運(yùn)用這種“綠色技術(shù)”，緩解中國對煤炭和石油的依賴程度，從而達(dá)到能源資源多元化的目的。與此同時，科技部委托的中國企業(yè)公司將美國的地源熱泵技術(shù)及設(shè)備引進(jìn)中國市場，這將促進(jìn)我國地源熱泵的市場化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，并使我國地源熱泵的研究開發(fā)盡快跟上國際潮流。我國的地源熱泵事業(yè)近幾年已開始起步，而且發(fā)展勢頭看好。天津大學(xué)、清華大學(xué)分別與有關(guān)企業(yè)結(jié)成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體開發(fā)出中國品牌的地源熱泵系統(tǒng)，已建成數(shù)個示范工程，越來越多的中國用戶開始熟悉地源熱泵，并對其應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣，可以預(yù)計(jì)中國的地源熱泵市場前景廣闊。 三、地源熱泵特點(diǎn)1、屬可再生能源利用技術(shù) 地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源（通常小于400米深）作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以稱之為地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。2、屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù) 地能或地表淺層地?zé)豳Y源的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，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，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。設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30～40％的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。3、環(huán)境效益顯著 系統(tǒng)運(yùn)行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，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，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。4、一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣 地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)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，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。此外，機(jī)組使用壽命長，均在15年以上；機(jī)組緊湊、節(jié)省空間；維護(hù)費(fèi)用低；自動控制程度高，可無人值守。 四、熱泵的分類熱泵是需要冷凝器的熱量，蒸發(fā)器則從環(huán)境中取熱，此時從環(huán)境取熱的對象稱為熱源；相反制冷是需要蒸發(fā)器的冷量，冷凝器則向環(huán)境排熱，此時向環(huán)境排熱的對象稱為冷源。蒸發(fā)器冷凝器根據(jù)循環(huán)工質(zhì)與環(huán)境換熱介質(zhì)的不同，主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。這樣熱泵或制冷機(jī)根據(jù)與環(huán)境換熱介質(zhì)的不同，可分為水—水式，水—空氣式，空氣—水式，和空氣—空氣式共四類。利用空氣作冷熱源的熱泵，稱之為空氣源熱泵。空氣源熱泵有著悠久的歷史，而且其安裝和使用都很方便，應(yīng)用較廣泛。但由于地區(qū)空氣溫度的差別，在我國典型應(yīng)用范圍是長江以南地區(qū)。在華北地區(qū)，冬季平均氣溫低于零攝氏度，空氣源熱泵不僅運(yùn)行條件惡劣，穩(wěn)定性差，而且因?yàn)榇嬖诮Y(jié)霜問題，效率低下。利用水作冷熱源的熱泵，稱之為水源熱泵。水是一種優(yōu)良的熱源，其熱容量大，傳熱性能好，一般水源熱泵的制冷供熱效率或能力高于空氣源熱泵，但由于受水源的限制，水源熱泵的應(yīng)用遠(yuǎn)不及空氣源熱泵。 五、地源熱泵工作原理地源熱泵則是利用水源熱泵的一種形式，它是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進(jìn)行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內(nèi)采暖，此時地能為“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”。 地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。其中水源熱泵機(jī)主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣。地源熱泵同空氣源熱泵相比，有許多優(yōu)點(diǎn)： （1）全年溫度波動小。冬季溫度比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此地源熱泵的制熱、制冷系數(shù)要高于空氣源熱泵，一般可高于40%，因此可節(jié)能和節(jié)省費(fèi)用40%左右。 （2）冬季運(yùn)行不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的損失。 （3）地源有較好的蓄能作用。 六、地源分類地源按照室外換熱方式不同可分為三類：1.土壤埋盤管系統(tǒng)，2.地下水系統(tǒng)，3.地表水系統(tǒng)。根據(jù)循環(huán)水是否為密閉系統(tǒng)，地源又可分為閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)如埋盤管方式（垂直埋管或水平埋管），地表水安置換熱器方式。開環(huán)系統(tǒng)如抽取地下水或地表水方式。 七、地源熱泵應(yīng)用方式地源熱泵的應(yīng)用方式從應(yīng)用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。 1、家用系統(tǒng) 用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風(fēng)管輸送系統(tǒng)進(jìn)行冷熱供應(yīng)，多用于小型住宅，別墅等戶式空調(diào)。 2、集中系統(tǒng) 熱泵布置在機(jī)房內(nèi)，冷熱量集中通過風(fēng)道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。 3、分散系統(tǒng) 用戶單獨(dú)使用自己的熱泵機(jī)組調(diào)節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學(xué)校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反應(yīng)在用電上，便于計(jì)量，適用于目前的獨(dú)立熱計(jì)量要求。 4、混合系統(tǒng)：將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。 南方地區(qū)，冷負(fù)荷大，熱負(fù)荷低，夏季適合聯(lián)合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區(qū)，熱負(fù)荷大，冷負(fù)荷低，冬季適合聯(lián)合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節(jié)省投資。分散系統(tǒng)或混合系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式。常見問題討論1．為什么地源熱泵在美國、歐洲以及中國，尤其是近些年來為越來越多的用戶所認(rèn)識，市場日趨活躍呢？ 一方面是由于全世界范圍內(nèi)比以往更加關(guān)注能源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的問題，對于中國由于以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)造成了極為嚴(yán)重的大氣污染，因此，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，必須盡可能多地利用清潔的可再生能源，必須加大節(jié)能的力度，而既能在冬季供暖、又能在夏季制冷空調(diào)的地源熱泵系統(tǒng)是很好的一個選擇；另一方面是地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)過多年的研究，在技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，而且經(jīng)過多年的示范與實(shí)踐，確認(rèn)了地源熱泵系統(tǒng)的很多優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約能源、舒適、安全、性能穩(wěn)定、清潔、使用靈活等。2．對幾種地源熱泵系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的評述1）直接利用地下井水的地源熱泵系統(tǒng)：其最大優(yōu)點(diǎn)是非常經(jīng)濟(jì)，占地面積小，但要注意必須符合下列條件：水質(zhì)良好；水量豐富；符合標(biāo)準(zhǔn)。2）地下埋管的地源熱泵系統(tǒng)：對于垂直式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)有：較小的土地占用，管路及水泵用電少，其缺點(diǎn)是鉆井費(fèi)用較高；對于水平式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)有：安裝費(fèi)用比垂直式埋管系統(tǒng)低，應(yīng)用廣泛，使用者易于掌握，其缺點(diǎn)有：占地面積大，受地面溫度影響大，水泵耗電量大。3）地表水式熱泵：在10米或更深的湖中，可提供10℃的直接制冷，比地下埋管系統(tǒng)投資要小，水泵能耗較低，高可靠性，低維修要求、低運(yùn)行費(fèi)用，在溫暖地區(qū)，湖水可做熱源.3．地源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用怎樣？經(jīng)濟(jì)性如何？ 這是用戶最關(guān)心，也是大家最容易提出的一個問題，然而，也是目前最難回答的一個問題。因?yàn)橛绊懙卦礋岜檬褂媒?jīng)濟(jì)性的因素有很多，如電價、用戶或居民行為、氣候條件以及例如非正常的炎熱或寒冷季節(jié)等其它因素。尤其是在中國的應(yīng)用時間還不長，實(shí)際運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的總結(jié)工作還有待完成，目前，尚難于給出較準(zhǔn)確的答案。由于美國等發(fā)達(dá)國家在地源熱泵的工程應(yīng)用方面已至少有十余年的歷史，不妨先借鑒其經(jīng)驗(yàn)。據(jù)世界環(huán)境保護(hù)組織EPA的一份有關(guān)空調(diào)未來的報告所得出的結(jié)論：地源熱泵技術(shù)在為家庭居民帶來舒適、可靠和高效節(jié)能的同時，將成為降低國家能源消耗和環(huán)境污染的一個主要力量。據(jù)EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵，平均來說，可以節(jié)約用戶30～40％的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。