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地源热泵中央空调系统综述
 

地源热泵是一种利用地下浅层的热资源(也称地能,包括地下水、土壤或地表水等),通过少量的高位能源(如电能),将低温位能向高温位能转移,以实现既可供热又可制冷的高效节能空调过输入系统。地源热泵利用地能一年四季温度稳定的特点,冬季把地能作为热泵供暖的热源,即把高于环境温度的地能中的热能取出来供给室内采暖,夏季把地能作为空调的冷源,即把室内的热能取出来释放到低于环境温度的地能中。通常地源热泵消耗1KW 的热量,用户可以得到4KW 左右的热量或冷量。
1、地源热泵系统运行原理
利用地球所储藏的太阳能资源作为冷热源,进行能量转换的供暖制冷空调系统。它利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性。
冬季:当机组在制热模式时,就从土壤/水中吸收热量,通过压缩机和热交换器把大地的热量集中,并以较高的温度释放到室内。
夏季:当机组在制冷模式时,就从土壤/水中提取冷量,通过压缩机和热交换器把大地的热量集中,并入室内,同时将室内的热量排放到土壤/水中,达到空调的目的。
2、系统特点:
1)可再生性:
 地源热泵系统是一种利用地球所储藏的太阳能资源作为冷热源,进行能量转换的供暖制冷空调系统,地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。地表土壤和水体是一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳辐射能量,比人类每年利用的500倍还多(地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量);它又是一个巨大的动态能量平衡系统,地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散相对的平衡,地源热泵系统技术的成功使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为现实。
2)高效节能:
水源热泵机组利用土壤或水体温度冬季为12-22℃,温度比环境空气温度高,热泵循环的蒸发温度提高,能效比也提高;土壤或水体温度夏季为18-32℃,温度比环境空气温度低,制冷系统冷凝温度降低,使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式,机组效率大大提高,可以节约30--40%的供热制冷空调的运行费用,1KW的电能可以得到4KW以上的热量或5KW以上冷
3、热泵机组用于高端别墅的优点:
1)一机多用:
地源热泵系统可供暖、空调制冷,还可提供生活热水及冬季地板采暖的热源,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。小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。
2)舒适性:
a、出风与房间温差小,出风柔和
b、水的热容性好,房间温度恒定
c、温度场均匀
d、室内空气湿度好 e、新风处理容易
3)节能性:
地源热泵系统比风冷热泵冷水机组节能40%以上,比冷媒一拖多系统节能25% 以上,建筑用电大户就是空调用电,若采用地源热泵系统,相应地可以减小建筑用电容量,变相地减少增容费。 4)、环保性:EPA(美国环境保护机构)确认每安装一台90千瓦的地热空调;减少的温室废气量相当于公路上行驶的12辆汽车的废气排放量;环境(我们呼吸的空气)更加清新,相当种植了6,000平米的树木
4)环保性与环境和谐统一性:
地源热泵中央空调主机可随意放置在车库、杂物间、储藏室,没有室外机,令建筑与环境更加和谐,地源热泵系统没有风冷系统室外机带来的固有的不和谐的环境噪音。
5)免费提供生活热水:
您不再需要购买昂贵的中央热水器了,地源热泵系统可以为您提供最高50摄氏度的生活热水。并且夏季机器通过回收室内废热提供几乎免费的热水,冬季利用地能制造热水的费用也仅为电加热热水器的1/4。
特点概要
1.资源可再生利用,地源热泵系统利用地球表面浅层地热资源(地能)作为冷热源进行能量转换,而地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,蕴藏着无限的可再生能源供热泵利用。
2.投资少,运行费用低,与传统空调系统相比,其一次性投资可节省15-25% ,每年运行费用可节约40% 左右。
3.占地面积少,机房占地面积小,节省空间,可设在地下室。
4.绿色环保,地源热泵系统利用地球表面浅层地热资源,没有燃烧、没有排烟及废弃物,清洁环保,无任何污染。
5.自动化程度高,机组内部及机组与系统均可实现自动化控制,可根据室外温度变化及室内温度要求控制机组启停,达到最佳节能效果,同时节省了人力物力。
6.可自主调节机组可任意调机,投资者可按需要调整供应时间及温度,完全自主。
7.一机多用,既可供暖,又可制冷,在制冷时产生的余热还可提供生活生产热水成为游泳池加热,充分利用了能源。
[什么是地源热泵]
作为太阳能最好,最广泛的接收器,大地中蕴藏了大量的能量。地源热泵是电力驱动的提取这种可再生的地下能量的系统。利用地下相对恒定的温度,地源热泵能高效地提供供暖、空调和生活热水。
[地源热泵是如何工作的]
地源热泵可以分为闭式循环和开式循环。系统的安装形式有水平埋管,垂直埋管和浅表水床底置管三种。选择哪种安装形式取决于现场的地形,土壤和岩石的种类。这些因素将有助于选定最经济的地下环路安装形式。
在闭式环路系统中,埋于地下的塑料管中循环流动的是水和防冻剂。冬季,这些流体从土壤中吸收热量,并将热量沿着系统送到建筑物中;夏季, 系统反过来向建筑物供冷,从建筑物中吸收热量,并将热量沿着系统传送到地下。这个系统,在夏季提供免费地热水,在冬季提供大量剩余地热水。
开式环路系统地运行原理与闭式环路系统相同。可以安装在适当水源充足供应,并且安可排放的任何地方。它的益处与闭式系统相似。
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[民用建筑]
地源热泵系统可以安装在任何尺寸,任何地方的民用建筑中,无论它是单个家庭还是多个家庭住宅。地源热泵几乎可以按照任何尺寸安装在草地下面,绿化带下面,行车道下面,或者房子本身下面。一栋已建好的住宅可以利用存在的风管道来安装地源热泵。您的开发商或者安装师会知道哪些管道需要以及哪些地方需要改动。在很多地区,社会公共事业公司或者生产商为地源热泵提供专项资金。建筑商和业主都可占有这一优势。能源部(DOE)和环境保护处(EPA)均认为地源热泵系统是最节能环保的供热,制冷,提供热水的系统。在1993年的一个报告中,能源部(DOE)断定地热技术为降低能源消耗,减少环境污染提供了主要途径,同时它还舒适,可靠和节能。
[民用建筑-地源热泵的优势]
集供热、制冷和热水系统为一体
如果利用预热水槽中的水可以节省50%的加热费用
由机械部件组成,而这些部件或者埋于地下或者置于房屋内部,使用寿命长,管路使用寿命可达50年
与传统的供热、制冷装置尺寸差不多
减少能源消耗20%到50%,并且降低维护费用
冬季室内空气更加温暖,室温更加稳定,同时不存在其他系统中普遍存在的热、冷不均问题。
十分安静,提供了一个悦人的居室内外环境
没有嘈杂的风机打扰户外活动
没有暴露在室外的设备,避免了儿童或宠物受到伤害和他们破坏外部的设备的可能性
没有明火,没有可燃性的燃料,也没有有潜在危险的燃料储存罐
[民用建筑-经济性]
是当今最为高效的一种家居供热和制冷系统
比其他供热系统的供热效率高50%到70%;比当今使用的空调的制冷效率高20%到40%
节约运行费用和维护费用
投资在很短的几年就可收回
正向现金流转,节约的能源远远超过系统的花费
一些公用事业公司为购买地源热泵的用户提供优惠或者奖励。
许多热泵的制造商,当地公用事业公司和信贷机构为安装地源热泵的业主设有专项资金。
[民用建筑-环境效益]
通过有效的室内气候的调节,降低了热损失,节约了自然能源
使用工厂密封的冷冻系统,将对臭氧层的破坏降低到最小程度,而这种系统几乎不用或者从来不用再次充注。
使用地下环路传递热量,无外置的通风器,对大气无污染。
[商业建筑]
地源热泵系统(GSHPs)是一种为建筑物制热和制冷的经济、节能又环保的方法。DOE和EPA对这项技术均表示认可。地源热泵系统(GSHPs)在每一个季节按照需求提供可靠的高质量的空调和热量。它不仅适合新建筑,同样适合于旧建筑的改造。灵活的按需设计使它成为学校,高层建筑,政府建筑,公寓和酒店-几乎所有的商业建筑的一个很好的选择。地源热泵(GSHPs)的低运行成本和维护费用,经久耐用和节约能源使它成为商业建筑的明智选择。
[商业建筑-地源热泵的优势]
同时为同一建筑的不同部分供热和制冷
非常安静-系统在运行时,使用者不会意识到。
可安装在复合区域,每一区域由各个房间的单独控制
机械占用空间减少50%至80%,使建筑设计更加自由
不需要掩藏和防止破坏外部设备,无房顶设备
管路使用寿命为50年
全部为电动机械,避免了多种公用事业的服务
无锅炉和机组的维护
地热交换换热器无需维护而且可以持续使用40多年
[商业建筑-经济性]
与大部分HVAC系统相比,初投资低,运行成本低,使其很有竞争力。
能源消耗节约25%至50%。
降低了峰值的需求,降低了运行成本。
利用空调系统的废热加热水,在夏季不需任何费用;在冬季则大大节省费用。
一些公用事业公司为购买地源热泵的用户提供优惠或者奖励。
[商业建筑-环境效益]
通过有效的室内气候的调节,降低了热损失,节约了自然能源。
使用工厂密封的冷冻系统,将对臭氧层的破坏降低到最小程度,而这种系统几乎不用或者从来不用再次充注。
使用地下环路传递热量,无外置的通风器,对大气无污染。
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地源热泵空调系统的效益分析
地源热泵系统是一套非常高效且节能的空调系统,让我们用数字说话,分析一下它的节能效益。
首先是节能效益。折算一次能源,以能源利用总能效进行分析,地下水热泵系统供热总能量最高约为115%,土壤源热泵系统供热总能效约为100%,燃煤集中锅炉供热总能效约为55%左右,燃气集中锅炉供热总能效约为65%左右,热电厂供热总能效约为70%。
根据地域、建筑类型、地源热泵系统方式的不同,地源热泵供暖与传统燃煤锅炉供暖相比节能25%—50%,如对北京市11个不同类型建筑地源热泵项目2003—2004年冬季运行费用调查结果表明,所有被调查项目的采暖费均低于燃油、燃气和电锅炉供暖价格;根据地域、建筑类型、地源热泵系统方式的不同,地源热泵供暖与传统燃煤锅炉供暖相比节能20%—50%,地源热泵供冷与传统冷水机组供冷相比节能10%—30%。
其次是环境效益。地源热泵系统没有氮氧化物、二氧化硫和烟尘的排放,真正做到了无污染;如果全国每年在2000万平方米建筑中推广应用地源热泵空调系统,则可替代70万吨左右标煤,或5.2亿立方米左右天然气,削减约470吨氮氧化物和约40吨颗粒物的排放。
最后再说经济效益。地源热泵系统不仅能供暖、制冷而且可以提供生活热水,具有多重功能,主机使用寿命一般在20-25年左右。采用地源热泵系统制冷时,其运行费用可比传统中央空调降低15%—30%;地源热泵系统的静态投资增量回收期仅为4—10年,且维护成本非常低,无需专人看管,节省了占地空间和人力资源。除此之外,它的运行费用也相对较低。
1. 供热空调中使用地热能源的意义
(1)节能性意义(属可再生能源利用技术)
地源热泵中央空调是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于300米深,一般在50-60米深)作为冷热源,进行能量转换的供暖、制冷空调。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、湖泊等吸收太阳能、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大器,收集了进入大气层中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、资源的限制,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的可再生能源,使得地能成为清洁的可再生能源一种形式。
当前能源供需矛盾是世界各国面临的共同性问题,这种矛盾将是长期的,并非短期内所能解决,因此节能工作受到普遍的重视。
我国1980年制定的能源方针就指出“开发与节约并重,近期内把节能放在优先地位,对国民经济实行以节能为中心的技术改造和结构改革”。节能的真正含义是充分发挥能源利用的效果和价值,力求以最小数量的能源消费获得最大的经济效益,为社会创造出更多的可供消费的财富,从而达到发展生产、改善生活的目的。
集中供热使用地热能源,省去了供热锅炉及其煤耗,节能效果显著,据测算每1万平方米的集中供热面积使用地热能源供热可每年节省约500吨标准煤。
地源热泵的能效比和一次能源利用率都远高于其他形式的热泵,能效比一般大于4.0,一次能源利用率则可达到1.32以上。而锅炉集中供热的一次能源利用率仅为0.70。这样就能够实现减少常规能源的消耗并以最少的电能而获得更多的可用能量的目的。
(2)经济性意义(属经济有效的节能技术)
地能或地表浅层的资源的温度一年四季相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种温度特性使得山东绿特空调系统有限公司水源热泵中央空调系统比传统的中央空调系统运行效率要高40%,因此要节能和节省运行费用40%左右。另外,地能温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,也保证了高效性和经济性。
地热能源在供热空调中的应用具有突出节能意义,但节能本身并不是最终目的,节能的最终目的是通过节能技术的应用取得最佳的经济效益。因此,地热水供热和地源热泵的应用,都必须做经济性分析。由于电能价格和燃料价格各地不同,其经济性也就相应地因地而异。
设电价X与燃料价格Y之比为m,以J表示实际耗能的价格比,则:
其中:ηb—供热锅炉的效率,一般为0.70
ηh—热泵的电机机械效率,一般为0.85
若热泵的制热系数为εh,则只有在εh=J时,供热用户获得相同的热量而能源费用相等。例如,即m=4,即电价为燃料价格的4倍时,热泵制热系数必须>3.3,才使用户在费用上不吃亏。而地源热泵的供热系数一般都在4以上,电价与燃料价格的比例也逐渐降低,所以地源热泵具有很好的经济性。在实际工程应用中,还要从投资指标、成本指标、盈利指标等方面全面评价节能方案的经济效果。
(3)环保性意义
化石能源对环境污染严重,燃料燃烧后会产生大量的碳化合物和氮、硫、氧化物。CO2是引起温室效应的主要因素,它对太阳短波辐射透明,但完全吸收地面的低温长波辐射,引起地面大气温度升高,形成温定效应。大气温度升高的直接后果是气候变化异常,每平面升高,生态失衡、物种灭绝,热带病流行,土地荒漠化等问题,直接威胁到人类的生存与发展。我国化石燃料消费特别是民用煤的消费量远远超过发达国家,是日本和美国的30-40倍,并以高硫、高灰分煤为主。氮、硫氧化物则是酸雨的罪魁祸首。
NOx和SOx在空气中经过太阳辐射、闪电的作用发生一系列化学反应,反应产物与空气中的水蒸汽结合会形成化学烟雾、酸雨等环境灾害。当前我国的酸雨频率和覆盖面积、酸度呈逐年上升的趋势,全国的酸雨覆盖面积达71.7%。
地热水供热和地源热泵的应用可以大大减少化石能源燃料的消耗,取代分散的低效率、高污染的供热锅炉和家庭用的立式手烧炉。这些中小型锅炉由于其规模和经济因素的限制,热效率普遍最低,消烟除尘、烟气脱硫等环保措施差,甚至没有,是主要的污染源。地源热泵应采用环保型制冷剂,养活或消对大气臭氧层的破坏,这在技术上是很容易实现的。
地源热泵中央空调系统的污染排放,与空气源热泵相比,减少40%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上,机组采用双制冷剂系统,制冷剂充注量较少,如果结合其它节能措施节能减排会更明显。该装置的运行没有任何污染,可以建造在居民区内,没有燃烧,无排烟,也没有废弃物,不需要堆放燃料废物的场地,更不用远距离输送燃料。
2. 地下水热泵系统
水源热泵是一种利用自然环境中的浅地下水、海水、湖水、河水、生活生产排水或浅层常温土壤等作为能源的高效节能、无污染、低运行成本的即可供暖又可制冷,而且同时还能提供生活热水的新型空调技术。工作原理是通过消耗部分电能,驱动压缩机通过热交换设备,冬季,吸收水中的低品位能源,供给室内采暖或空调;夏季,把室内的热量取出来,释放到水中,达到空调的目的。当采用水源形式时,它只向水中排热或取暖,并不消耗水量也不污染水质,所抽出的水将全部回灌。若采用地热闭式水源形式时,不受周围水资源的限制,应用地区更加广泛。另外,浅层地表中的热量来源于太阳能,是一种可再生能源。
简单地说,水源热泵是利用地下常温土壤和地下水相对稳定的特性,通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水,采用热泵原理,通过少量的高位电能输入,实现低位热能向高位热能转移与建筑物完成热交换的一种技术。
地球是一个巨大的蓄热体,一年四季其地表5m以下的土壤温度十分稳定,是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。水源热泵机组工作原理就是在夏季从土壤或地下水中提取冷量,由热泵原理通过空气或水作为载热剂降低温度后送到建筑物中,而冬季,则从土壤或地下水中提取热量,由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中,从而实现的热交换过程。需要特别指出的是:地热泵中的冷热源不是指地下的热汽或热水,而是指一般的常温土壤、地表水、地下水。
3.地埋管热泵系统
以导热好、抗腐蚀、强度高且可绕曲的材料制成管路,内有导热流体(水或防冻剂)同土壤直接换热后,进入水源热泵机组的热交换器与其换热。当制冷供暖面积较小、周围有较大空地时,采用水平敷设地锅管路系统较合理,初投资较小;当制冷供暖面积较大、周围有一定空地时,可采用垂直敷设地锅管路系统,但其初投资相对较大。
燃煤锅炉对环境的污染严重,而燃油及电锅炉采暖造价及运行费用皆较高,让人难以承受,也不符合国家长期发展的能源政策,而地源热泵空调技术是国家科技部重点推广的项目,也是国家节能设计手册优先选用的冷(热)源方式。因此,近十几年来,尤其是近五年来,中国的地源热泵市场日趋活跃。
地源热泵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,不仅节省了大量能源,而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求,减少了设备的初投资。
4. 地源热泵优点
(1)高效节能、经济
控制系统采用全自动微电脑控制装置,可根据室内实际使用负荷自动调节压缩机起停机,从而大大节省了用户日后的运行费用。
简单地说,用一份电可制造3.5份以上的热量或4份以上的冷量,其冷量、热量直接来源于地下所蕴藏的能量,并归还与地下。能源利用效率为电加热器的3-4倍以上,比一般中央空调节能30%-80%。
(2)绿色环保
地源热泵是绿色环保型中央空调。空调系统的驱动能采用电能,供热时可省去锅炉,无需燃烧燃料,避免了排烟污染大气;供冷时可省去冷却塔,避免了冷却塔噪声和水的飘失;噪音低,不向室外排放热风,不会造成“热岛效应”,循环液在地下系统中密闭流动,不含有害物质,无任何污染。系统运行时不向周围环境排放COx、SOx、NOx等有害气体,属于真正环保意义的空调。
(3)一机多用
地源热泵系统既可冬季供暖、亦可夏季制冷,还可以提供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原有的锅炉加空调两套系统。
特别是对于同时有供热和制冷要求的建筑物,地源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源,而且减少了设备的初投资。
(4) 运行安全可靠
由于土壤温度一年四季相对稳定,其波动范围远远小于空气温度的波动,加上山东绿特地源热泵技术,以及精良的主机配置和完善的控制保护手段,使空调系统运行更可靠、更稳定,确保整个系统在各个工况点下的高效和经济性。
(5) 节水、省地 、节资
既不消耗也不污染水资源,使用过程只不过是向水/地源取热或放热而已。省去了锅炉房和与之配套的煤场、煤渣以及冷却塔和其他室外设备。结构紧凑,体积小,占用空间少,不需要大量的基建投资。
(6) 模块化设计
机组采用模块化设计,使机组在任何负荷下均能保持最高的输出效率。每个模块又可分为两个或两个以上完全独立的热泵系统,这样一方面能使空调系统更紧凑,更节省空间,且易安装、调节和维护,尤其当机组检修及维护时,并不影响机组总体使用效果;另一方面,可使系统更节能,尤其在气候变化大时,负荷工况随着不同的变化负荷,机组可单台运转,又可多台组合,可根据运行负荷大小自动确定压缩机开启台数,有效地减小对电网的冲击,最大限度的节省了电能,从而延长了机组使用寿命。
(7) 控制方便
所有空调系统都有微电脑精确控制,主机与循环泵、潜水泵等附属设备均实现联网,联动运行,真正实现机电一体化控制功能,
目的是根据冷热负荷情况适当地确定机组的运行台数,使系统自动控制处于高效节能运行,生活热水节能途径是根据生活用水压力的高低来确定供水泵运行转动。
用户可独立计费,自主调节水温、室温,调节起停时间或远程监控。而且操作起来简单方便,无需专业人员看管维护,只需按动操作板面上“运行、停止”键。
(8)可靠性高、使用寿命长
机组采用进口名牌高质量零配件,精心装配而成,可靠性高,维修率低;与传统空调相比,制冷介质工作压力降低1/3,工质不易泄露,压缩机负载减轻。
另外由于运行工况稳定,机组运行可靠性好;每次启动时,优先启动运行时间短的压缩机,关机时首先停止运行时间长的压缩机,使各台压缩机磨损程度均等,从而大大地延长了压缩机的使用寿命,设备使用寿命长(20-25年),高于普通中央空调。
(9)免年检审批
机组不属压力容器,不需消防审批及锅炉年检。
地源热泵技术与建筑节能
一、 热泵与建筑供热空调
  随着经济的发展和人民生活水平的提高,公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在发达国家中,供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25-30%。我国的能源结构主要依靠矿物燃料,特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物,包括大量SO2、NOX等有害气体以及CO2等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房,体现了政府对保护大气环境的高度重视。因此,除了集中供热的型式以外,急需发展其他的替代供热方式。热泵就是能有效节省能源、减少大气污染和CO2排放的供热和空调新技术。
  热泵(制冷机)是通过作功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季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(制冷机)和热源(锅炉)。建筑空调系统由于必须有冷源(制冷机),如果让它在冬季以热泵的模式运行,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,大大减轻了供暖造成的大气污染问题。
  采用热泵为建筑物供热可以大大降低一次能源的消耗。通常我们通过直接燃烧矿物燃料(煤、石油、天然气)产生热量,并通过若干个传热环节最终为建筑供热。在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下,一次能源利用率(即为建筑物供热的热量与燃料发热量之比)最高可为100%。但是,燃烧矿物燃料通常可产生1500-1800℃的高温,是高品位的热能,而建筑供热最终需要的是20-25℃的低品位的热能;直接燃烧矿物燃料为建筑供热意味着大量可用能的损失。如果先利用燃烧燃料产生的高温热能发电,然后利用电能驱动热泵从周围环境中吸收低品位的热能,适当提高温度再向建筑供热,就可以充分利用燃料中的高品位能量,大大降低用于供热的一次能源消耗。供热用热泵的性能系数,即供热量与消耗的电能之比,现在可达到3-4;火力发电站的效率可达35-58%(高值为燃气联合循环电站)。采用燃料发电再用热泵供热的方式,在现有先进技术条件下一次能源利用率可以达到200%以上。因此,采用热泵技术为建筑物供热可大大降低供热的燃料消耗,不仅节能,同时也大大降低了燃烧矿物燃料而引起的CO2和其他污染物的排放。
  热泵利用的低温热源通常可以是环境(大气、地表水和大地)或各种废热。应该指出,由热泵从这些热源吸收的热量属于可再生的能源。

二、空调热泵的分类及其优缺点
  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 (air source heat pump, ASHP) 和地源热泵(ground source heat pump, GSHP)两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵 (surface-water heat pump,SWHP)、地下水热泵 (groundwater heat pump, GWHP) 和地下耦合热泵 (ground-coupled heat pump, GCHP)。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;而地下耦合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。
  地下耦合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。“地下耦合热泵”的名称直译自英文,不通俗。通常也称之为“闭路地源热泵”(closed-loop ground source heat pump)以区别于地下水热泵系统,或直接称为“地源热泵”。它通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭地下埋管中的流动,实现系统与大地之间的传热。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,地下耦合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。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。为了表示支持这种节能环保的新技术,美国总统布什在他的得克萨斯州的宅邸中也安装了这种地源热泵空调系统(见2001年5月18日参考消息)。

三、地源热泵供热空调系统的经济性分析
  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。
  迄今为止制约地下耦合热泵系统在我国应用的障碍主要是在地下埋管的初投资较高,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。

四、结束语
  在建筑供热空调中采用热泵技术可以有效地提高一次能源利用率,减少温室效应气体CO2和其它燃烧产生的污染物的排放,是一种可持续发展的建筑节能新技术。在本文所讨论的几种主要的热泵系统中,空气源热泵的初投资最少,但效率较低,且应用条件受一定的限制,仍将在部分冬季气候温和的地区得到较多的应用。地下水热泵和地表水热泵系统受水资源条件的制约,应用范围受到限制。地源热泵(地下耦合热泵系统)适用范围广,运行费用低,节能和环保效益显著。地源热泵在北美和欧洲的许多国家已得到广泛的应用,是一种成熟的技术;但我国在地源热泵的应用方面还刚刚起步。推广地源热泵技术需要政府的政策引导、对设计和施工人员的培训、所需设备和材料的配套以及提高公众对地源热泵技术的了解程度。在供热空调中应用热泵技术的主要制约因素曾经是电力供应不足和人民群众消费水平较低,对热泵空调系统的市场需求尚未形成。随着改革开放以来我国经济的发展和人民生活水平的提高,以上两个制约因素已不复存在,空调和供热已成为普通百姓的需求,并逐渐向农村和南方扩展,市场前景很好。通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力,借鉴国外的成功经验,我国的地源热泵应用将得到较快的推广和发展。
  序号性能风冷热泵变频多联地源热泵
1能量获得方式从空气中获取低品位能量,大量应用将引起城市热岛效应从空气中获取低品位能量,大量应用将引起城市热岛效应通过水于土壤或其他自然资源中取能,能有效减小城市热岛效应
2系统形式风冷形式,热传递效率较低风冷形式,热传递效率较低水冷形式,可更高效稳定的进行热传递,令系统工作更稳定。
3效率衰减高温和低温时,热泵效率衰减量大,即最需要空调时反而是空调效率最低时高温和低温时,热泵效率衰减量大,即最需要空调时反而是空调效率最低时地下温度全年波动幅度小,热泵效率基本没衰减,在室外环境温度过低和过高时能很好保持舒适性
4外机有外机,且外机噪音大,如建筑有景观要求时难处理有外机,且外机噪音大,如建筑有景观要求时难处理无外机,不需专用机房,提高建筑使用率;没有外机噪音,能很好满足建筑景观需求
5容量限制无容量限制,更大自由度的提供室内负荷及提供某些日常很少用空间的空调予留连接率不超过130%,超过100%时效率降低,超过130时系统不工作。无容量限制,更大自由度的提供室内负荷及提供某些日常很少用空间的空调予留
6新风新风自由连接到系统中新风应另配系统,VRF系统内内机不可直接处理新风新风自由连接到系统中
7室外换热器风冷换热器易于积嵌污垢,清洗不善严重影响效果风冷换热器易于积嵌污垢,清洗不善严重影响效果水冷不易脏堵,无风冷换热器缺点
8维修单机维修将不影响整个系统,主机故障将影响整个系统单机与主机任何故障都将影响整个系统维护时只需对单体进行检修,维护管理方便,不影响系统
9节能性COP值在3.0左右,效率不高COP值在3.0左右,效率不高COP值在4.0左右,效率较风冷系统高出30%
10管路衰减管路衰减小,在10%内既有管长的衰减,同时还有内外机高差衰减,一般要考虑25%以上的总衰减量,相对来说整个系统效率差管路衰减小,在10%内
11除霜冬季有间歇除霜,影响制热性能和舒适性冬季有间歇除霜,影响制热性能和舒适性没有除霜,制热性能稳定可靠

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(电能),即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。在冬季,把土壤中的热量“取”出来,提高温度后供给室内用于采暖;在夏季,把室内的热量“取”出来释放到土壤中去,并且常年能保证地下温度的均衡。
地源热泵技术特点:
环保:使用电力,没有燃烧过程,对周围环境无污染排放;不需使用冷却塔,没有外挂机,不向周围环境排热,没有热岛效应,没有噪音;不抽取地下水,不破坏地下水资源。
一机三用:冬季供暖、夏季制冷以及全年提供生活热水。
使用寿命长:使用寿命20年以上,是分体式或窗式空调器的2-4倍。
全电脑控制,性能稳定,可以电话遥控,可以进行温湿度控制和新风配送。
地源热泵优点:
1、地源热泵技术属可再生能源利用技术
  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(Earth Energy),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。
2、地源热泵属经济有效的节能技术
  地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%,因此要节能和节省运行费用40%左右。另外,地能温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性。
  据美国环保署EPA估计,设计安装良好的地源热泵,平均来说可以节约用户30~40%的供热制冷空调的运行费用。
3、地源热泵环境效益显著
  地源热泵的污染物排放,与空气源热泵相比,相当于减少40%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上,如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂,但比常规空调装置减少25%的充灌量;属自含式系统,即该装置能在工厂车间内事先整装密封好,因此,制冷剂泄漏机率大为减少。该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。
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、空调。
5、地源热泵空调系统维护费用低
  在同等条件下,采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用,它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,其地下部分可保证50年,地上部分可保证30年,因此地源热泵是免维护空调,节省了维护费用,使用户的投资在3年左右即可收回。
  此外,机组使用寿命长,均在15年以上;机组紧凑、节省空间;自动控制程度高,可无人值守。
地源热泵缺点
  当然,象任何事物一样,地源热泵也不是十全十美的,如其应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响;一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同;采用地下水的利用方式,会受到当地地下水资源的制约,实际上地源热泵并不需要开采地下水,所使用的地下水可全部回灌,不会对水质产生污染。

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