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,工作原理以及特點等。 關鍵詞：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熱資源（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4.0～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調(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，可以預計，該項技術(shù)將會成為21世紀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。美國計劃到2001年達到每年安裝40萬臺地源熱泵的目標，屆時將降低溫室氣體排放1百萬噸，相當于減少50萬輛汽車的污染物排放或種植樹1百萬英畝，年節(jié)約能源費用達4.2億美元，此后，每年節(jié)約能源費用再增加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熱資源，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，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)及設備引進中國市場，這將促進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、清華大學分別與有關企業(yè)結(jié)成產(chǎn)學研聯(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，并對其應用產(chǎn)生了濃厚的興趣，可以預計中國的地源熱泵市場前景廣闊。 三、地源熱泵特點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熱資源（通常小于400米深）作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地熱資源可以稱之為地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。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)濟有效的節(jié)能技術(shù) 地能或地表淺層地熱資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)運行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。設計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)的運行費用。3、環(huán)境效益顯著 系統(tǒng)運行沒有任何污染，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，且不用遠距離輸送熱量。4、一機多用，應用范圍廣 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)；可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。此外，機組使用壽命長，均在15年以上；機組緊湊、節(jié)省空間；維護費用低；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?？諝庠礋岜糜兄凭玫臍v史，而且其安裝和使用都很方便，應用較廣泛。但由于地區(qū)空氣溫度的差別，在我國典型應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，空氣源熱泵不僅運行條件惡劣，穩(wěn)定性差，而且因為存在結(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，水源熱泵的應用遠不及空氣源熱泵。 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)、水源熱泵機組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。其中水源熱泵機主要有兩種形式：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： （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)省費用40%左右。 （2）冬季運行不需要除霜，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、地源熱泵應用方式地源熱泵的應用方式從應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、地源和水路或風管輸送系統(tǒng)進行冷熱供應，多用于小型住宅，別墅等戶式空調(diào)。 2、集中系統(tǒng) 熱泵布置在機房內(nèi)，冷熱量集中通過風道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。 3、分散系統(tǒng) 用戶單獨使用自己的熱泵機組調(diào)節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反應在用電上，便于計量，適用于目前的獨立熱計量要求。 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)，冷負荷大，熱負荷低，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)，熱負荷大，冷負荷低，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)造成了極為嚴重的大氣污染，因此，要實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(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)過多年的示范與實踐，確認了地源熱泵系統(tǒng)的很多優(yōu)點：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)點是非常經(jīng)濟，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；符合標準。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)點有：較小的土地占用，管路及水泵用電少，其缺點是鉆井費用較高；對于水平式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點有：安裝費用比垂直式埋管系統(tǒng)低，應用廣泛，使用者易于掌握，其缺點有：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、低運行費用，在溫暖地區(qū)，湖水可做熱源.3．地源熱泵的運行費用怎樣？經(jīng)濟性如何？ 這是用戶最關心，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。因為影響地源熱泵使用經(jīng)濟性的因素有很多，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。尤其是在中國的應用時間還不長，實際運行經(jīng)濟性的總結(jié)工作還有待完成，目前，尚難于給出較準確的答案。由于美國等發(fā)達國家在地源熱泵的工程應用方面已至少有十余年的歷史，不妨先借鑒其經(jīng)驗。據(jù)世界環(huán)境保護組織EPA的一份有關空調(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，設計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)的運行費用。