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熱泵設備及工作原理

   2010-05-14 本站36380
核心提示:地源熱泵、熱泵、熱泵的工作原理

 

熱泵設備及工作原理

      顧名思義,熱泵就是可以把熱量由低溫熱源輸送到高溫熱源的機械設備。比如在冬季,室外的空氣、地表水、地下水等等就是低溫熱源,而室內(nèi)空氣就是高溫熱源。熱泵式空調(diào)就是可以把室外環(huán)境的熱量輸送到室內(nèi)環(huán)境里。
     
     要搞清楚熱泵的工作原理,首先要懂得制冷系統(tǒng)的工作原理。制冷系統(tǒng)(壓縮式制冷)一般由四部分組成:壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。其工作過程為:低溫低壓的液態(tài)制冷劑(例如氟利昂),首先在蒸發(fā)器里從低溫熱源(例如冷凍水)吸熱并氣化。然后壓縮機抽取蒸發(fā)器里氣化后的制冷劑蒸汽并壓縮到冷凝器內(nèi),此時制冷劑氣體變成高溫高壓氣體。該高溫高壓氣體在冷凝器內(nèi)被高溫熱源(例如冷卻水)冷卻凝結成制冷劑液體,變成高溫高壓液體制冷劑。再經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓成低溫低壓液態(tài)制冷劑。如此往復完成制冷(熱)循環(huán)。 
 

作為自然界的現(xiàn)象,正如水由高處流向低處那樣,熱量也總是從高溫流向低溫。但人們可以創(chuàng)造機器,如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣,采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置,它本身消耗一部分能量,把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘,提高溫位進行利用,而整個熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低,這也是熱泵的節(jié)能特點。  

熱泵與制冷的原理和系統(tǒng)設備組成及功能是一樣的,對蒸汽壓縮式熱泵(制冷)系統(tǒng)主要由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流閥組成:  

壓縮機起著壓縮和輸送循環(huán)工質(zhì)從低溫低壓處到高溫高壓處的作用,是熱泵(制冷)系統(tǒng)的心臟。  

蒸發(fā)器是輸出冷量的設備,它的作用是使經(jīng)節(jié)流閥流入的制冷劑液體蒸發(fā),以吸收被冷卻物體的熱量,達到制冷的目的。  

冷凝器是輸出熱量的設備,從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走,達到制熱的目的。 膨脹閥或節(jié)流閥對循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用,并調(diào)節(jié)進入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量。 

根據(jù)熱力學第二定律,壓縮機所消耗的功(電能)起到補償作用,使循環(huán)工質(zhì)不斷地從低溫環(huán)境中吸熱,并向高溫環(huán)境放熱,周而往復地進行循環(huán)。 

熱泵的形式很多,主要有空氣源熱泵和地源熱泵(地表水、地下水和土壤源)二大類。   

一、空氣源熱泵  

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,而且因為存在結霜問題,效率低下。  

空氣源熱泵是基于逆卡諾循環(huán)原理建立起來的一種節(jié)能、環(huán)保制熱技術??諝庠礋岜孟到y(tǒng)通過自然能(空氣蓄熱)獲取低溫熱源,經(jīng)系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫熱源,用來取(供)暖或供應熱水。  

空氣源熱泵的能效比一般小于3。

 

二、地源熱泵  

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、地表水或土壤)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,釋放到地能中去。熱泵機組的能量流動是利用其所消耗的能量(如電能)將吸取的全部熱能(即電能+吸收的熱能)一起排輸至高溫熱源。而其所耗能量的作用是使制冷劑氟里昂壓縮至高溫高壓狀態(tài),從而達到吸收低溫熱源中熱能的作用。

通常地源熱泵消耗1kW的能量,用戶可以得到5kW以上的熱量或4kW以上冷量,所以我們將其稱為節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)。

 

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)省二分之一以上的能量;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3.5~4.4,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、加拿大及法國瑞士、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,該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調(diào)技術。  

(一)、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,歐洲第一臺熱泵機組是在1938年間制造的。它以河水低溫熱源,向市政廳供熱,輸出的熱水溫度可達60oC。在冬季采用熱泵作為采暖需要,在夏季也能用來制冷。1973年能源危機的推動,使熱泵的發(fā)展形成了一個高潮。目前,歐洲的熱泵理論與技術均已高度發(fā)達,這種“一舉兩得”并且環(huán)保的設備在法、德、日、美等發(fā)達國家業(yè)已廣泛使用。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(埋深小于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%。  

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。  

中國的地源熱泵市場前景廣闊。之所以對中國的地源熱泵市場發(fā)展前景持樂觀態(tài)度,一方面是要節(jié)約常規(guī)能源、充分利用可再生能源的國內(nèi)外大趨勢;另一方面,我國具有較好的熱泵科研與應用的基礎,早在50年代,天津大學熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究,1965年研制成功國內(nèi)第一臺水冷式熱泵空調(diào)機。重慶建筑大學、天津商學院等單位對地下埋盤管的地源熱泵也進行了多年的研究。在中國科學院廣州能源研究所等單位還多次召開全國性的有關熱泵技術發(fā)展與應用的專題研討會。

  

(二)、地源熱泵特點

 

 

1.屬可再生能源利用技術  

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(Earth Energy),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  

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。 

 

據(jù)美國環(huán)保署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。 

 

3.環(huán)境效益顯著 

地源熱泵的污染物排放,與空氣源熱泵相比,相當于減少40%以上,與電供暖相比,相當于減少70%以上,如果結合其它節(jié)能措施節(jié)能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑,但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量;屬自含式系統(tǒng),即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好,因此,制冷劑泄漏機率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染,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。

  當然,象任何事物一樣,地源熱泵也不是十全十美的,如其應用會受到不同地區(qū)、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響;一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同;采用地下水的利用方式,會受到當?shù)氐叵滤Y源的制約,實際上地源熱泵并不需要開采地下水,所使用的地下水可全部回灌,不會對水質(zhì)產(chǎn)生污染。

 

(三)地源熱泵工作原理及分類  

1、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,減少了結霜和除霜的損失。(3)地源有較好的蓄能作用。

  2、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)。  

(1)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。 

此外,還有一種“直接膨脹式”,它不象上述系統(tǒng)那樣采用中間介質(zhì)水來傳遞熱量,而是直接將熱泵的一個換熱器(蒸發(fā)器)埋入地下進行換熱。

 

(四)、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)

 用中央水泵,采用水環(huán)路方式將水送到各用戶作為冷熱源,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。 

 

 5、水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)

 

 水環(huán)路熱泵(Water-Loop Heat Pump,簡稱WLHP)空調(diào)系統(tǒng),它由許多臺水源熱泵空調(diào)機(WSHP)組成。這些機組由一個閉式的循環(huán)水管路連在一起,該水管路既作空調(diào)工況下的冷源,又作供暖工況下熱泵熱源。水環(huán)路的冷熱源可以是地源,或鍋爐、冷卻塔聯(lián)合方式。

夏季運行:全部或大多數(shù)機組為供冷,熱量水環(huán)路排至室外的冷源,如地源或冷卻塔。
春季/秋季運行:對有內(nèi)區(qū)與周邊區(qū)的建筑物,會出現(xiàn)內(nèi)區(qū)需要供冷而周邊區(qū)需要供熱,內(nèi)區(qū)的熱量就可被周邊區(qū)所利用,即內(nèi)區(qū)空調(diào)的排熱與周邊區(qū)熱泵供熱所需熱量接近平衡時,室外的冷熱源可以停運。這種制冷供熱同時進行,能量在建筑物內(nèi)部轉(zhuǎn)移,運行費用最少,節(jié)能效果明顯。

 

 冬季運行:全部或大多數(shù)機組為供熱,供熱源(地源或加熱源)把熱量補充到水環(huán)路。水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)除具有顯著節(jié)能特點外,還具有以下特點:

 

1 節(jié)省占地:不設大的冷凍機房,沒有冷卻塔系統(tǒng)。

 

2 能源費用單獨計量:由各部門、住戶或單位獨立承擔,能源費用計量簡單且公平,符合當前的能源費用獨立計量方法。

 

3 調(diào)節(jié)靈活:每臺熱泵空調(diào)機在任何時間可以選擇供冷或供熱。

 

4 靈活應用:能靈活充份地滿足建筑物各個區(qū)的需要,并隨時可以更改用途。

 

(五)、地源熱泵技術經(jīng)濟性

 

地源熱泵既能供暖又能空調(diào),既環(huán)保又節(jié)能,但地源熱泵是否具有經(jīng)濟競爭性仍然是一個非常關鍵的問題。由于涉及的因素很多,不同地區(qū),不同能源結構及價格等都將直接影響地源熱泵的經(jīng)濟性,這里僅通過對地源熱泵與傳統(tǒng)的供暖空調(diào)方式進行比較,探討其經(jīng)濟性。

 

地源熱泵供暖經(jīng)濟性可以和傳統(tǒng)燃煤、燃油和天然氣鍋爐進行比較,地源熱泵空調(diào)經(jīng)濟性可以和單冷空調(diào)進行比較,及其供暖空調(diào)綜合經(jīng)濟性的比較。評價的主要指標有:初投資、成本,及現(xiàn)金流量表相關經(jīng)濟參數(shù)的評價。

 

1、經(jīng)濟參數(shù)

 

1 初投資:指供暖空調(diào)系統(tǒng)各部分投資之和,包括有:土建費、設備購置費、安裝費及其它費用(包括設計費、監(jiān)理費和不可預見費)。

 

2 年總成本:指系統(tǒng)各部分的運行費,如水費、電費、燃料費;排污費;管理人員工資、管理費;設備折舊費和設備維修、大修費等。

 

3 年經(jīng)營成本:指年總成本中扣除設備折舊費。

 

4 單位面積經(jīng)營成本:用年經(jīng)營成本除以供暖或空調(diào)面積來計算。

 

5 單位熱(冷)量經(jīng)營成本:用年經(jīng)營成本除以供暖累積熱負荷或空調(diào)累積冷負荷來計算。 

 

6 現(xiàn)金流量表:采用現(xiàn)金流量表方法計算投資項目的有關經(jīng)濟性指標,如財務內(nèi)部收益率,財務凈現(xiàn)值(NPV)及投資回收期(Pt)。 

 

對一投資項目,如財務內(nèi)部收益率大于基準收益率,財務凈現(xiàn)值NPV>0,表明項目盈利能力滿足了行業(yè)最低要求,項目在財務上是可以接受的;如NPV<0,則表示未能達到預定的收益,表示可以不考慮此項目。

 

投資回收期評價方法:如項目的全部投資回收期小于行業(yè)基準投資回收期,表明項目投資能按時收回,投資回收期越小,表明經(jīng)濟性越優(yōu)。

 

2、計算條件

 

1 選取**地區(qū)住宅樓為計算對象,供暖熱指標取50w/m2,空調(diào)冷指標取80w/m2。 

 

2 地源熱泵冬季供暖制熱系數(shù)4.00,夏季空調(diào)制冷系數(shù)4.50,單冷空調(diào)制冷系數(shù)取3.20。 

 

 

指標燃料(*)

 

 

熱值(Kcal/*)

 

 

效率

 

 

單價(元/*)

 

 

煤(kg)

 

 

5000

 

 

0.70

 

 

0.25

 

 

油(kg)

 

 

10300

 

 

0.85

 

 

2.65

 

 

天然氣(m3)

 

 

8500

 

 

0.90

 

 

1.80

 

 

3 經(jīng)濟參數(shù)有:地下水資源費(0.04元/噸),電價(0.5元/度),各種燃料的熱值及價格(見上表),軟化水費,排污費,工人工資,利率,設備使用年限等.

 

4 供暖空調(diào)收費標準,國內(nèi)北方地區(qū)有供暖收費標準,如天津地區(qū)為18.5元/m2,但空調(diào)沒有收費標準。將來供暖空調(diào)要改為“計量收費”,以熱(冷)量為收費單位,如南方某地出臺以0.28元/kw.h冷量為收費標準。

 

3、分析比較 

1 初投資比較,初投資中包括了從冷熱源到管網(wǎng)到室內(nèi)終端的所有投資項。見圖1,熱泵的初投資高于鍋爐,但從總初投資看,由于地源熱泵可供暖供冷,一機兩用,一次投資全年使用,節(jié)省了冬季供暖的投資,因此地源熱泵的初投資要低于鍋爐加空調(diào)系統(tǒng)的總投資。

 

2 供暖成本比較,見圖2,煤鍋爐供暖成本最低,其次是地源熱泵、天然氣鍋爐,油鍋爐最高。以地源熱泵為基準比較各方案供暖成本,煤鍋爐比地源熱泵低30%左右,而天然氣鍋爐要高40%左右,油鍋爐要高70%左右。

 

3 空調(diào)成本比較,地源熱泵的空調(diào)運行成本要低于單冷空調(diào),低約30%左右。

 

4 從凈現(xiàn)值看,收費標準0.28元/kw.h冷量時(圖3),各供暖空調(diào)方案的凈現(xiàn)值均小于0,只有煤鍋爐當供暖面積大于一定值時凈現(xiàn)值才大于0,說明按0.28元/kw.h的收費標準,只有燃煤鍋爐具有一定經(jīng)濟效益。如果加大收費標準,如定為0.4元/kw.h,重新計算各方案的凈現(xiàn)值(圖4)、收益率(圖5)和投資回收期(圖6),可以得到燃煤鍋爐和地源熱泵供暖的凈現(xiàn)值均大于0,內(nèi)部收益率大于基準收益率8%,以及投資回收期小于10年,此時燃煤鍋爐和地源熱泵供暖經(jīng)濟上是可行的。相比之下,由于單冷空調(diào)經(jīng)濟性明顯低于地源熱泵空調(diào),所以燃煤鍋爐供暖加單冷空調(diào)方案的經(jīng)濟性要低于地源熱泵供暖空調(diào),說明了地源熱泵一機兩用,既供暖又空調(diào)的經(jīng)濟優(yōu)勢。

  

對地源熱泵方案與燃煤、燃油和燃氣鍋爐加單冷空調(diào)各方案的綜合經(jīng)濟性(凈現(xiàn)值均,收益率,投資回收期)進行比較,地源熱泵為最優(yōu)方案,其次依次是燃煤、天然氣和油鍋爐加單冷空調(diào)系統(tǒng)。

 

以上是“單位熱(冷)量收費標準”的計算結果,對經(jīng)營者來說,供應的熱(冷)量越多,所收取的費用將越多,并且供暖空調(diào)的成本相對越低,因此其經(jīng)濟效益將越高,這類似于電力的供應,電廠供應的電力越多,效益將越高。因此不同建筑物,不同的供熱(冷)量,經(jīng)營者的經(jīng)濟效益將不同,不能照搬本文的計算結果。應針對具體的建筑物類型、用途,當?shù)氐臍庀筚Y料,當?shù)氐母鞣N能源價格及供暖空調(diào)的收費標準來進行可行性研究,以確定何種供暖空調(diào)方式為最經(jīng)濟方案。

 

對傳統(tǒng)的“單位面積收費標準”,由于供應的建筑物面積是確定的,向用戶收取的采暖空調(diào)費用是固定的,因此對經(jīng)營者來說,供應的熱(冷)量越少,其效益就越高。這與“計量收費”的效果正相反,但采用“計量收費”是有利于用戶和有利于節(jié)能的。

  

(六)、工質(zhì)替代

 

作為空調(diào)和熱泵的主導工質(zhì)HCFC22淘汰在即,因難以找到HCFC22 性能相當?shù)膯我惶娲镔|(zhì),采用混合工質(zhì)替代方案已成共識。國際上迄今提出的HCFC22替代物主要為R410A和R407C,它們的ODP均為0,已經(jīng)在不少場合獲得應用。然而它們不僅在熱力性能上與HCFC22有明顯差距而且還因具有較大的溫室效應勢GWP而受限于京都協(xié)議。

 

從溫室效應的角度出發(fā),人們又將研究目光放在了來源于自然又可回歸自然的自然工質(zhì)上。自然工質(zhì)包括碳氫化合物、氨、CO2、空氣等,它們的ODP為零、GWP在與CO2相同量級的水平上。有研究認為,氨及碳氫化合物是最有前途的CFC、HCFC和HFC的替代物。但也有觀點認為,那些所謂的天然制冷劑,由于不穩(wěn)定性和存在爆炸的危險,使得它們在空調(diào)工業(yè)中被限制使用。另外,國內(nèi)外也已經(jīng)開始對CO2跨(超)臨界循環(huán)進行新一輪的研究。

 

ASHRAE給出了一些可長期替代R22的混合工質(zhì),見表1。ARI也推薦了一些替代R22的單工質(zhì)和混合工質(zhì),見表2。

 

表1 ASHRAE推薦的R22替代工質(zhì) 

 

 

ASHRAE命名

 

 

混合物組成

 

 

質(zhì)量濃度

 

 

R404A

 

 

R125/R143a/R134a

 

 

44/52/4

 

 

R407C

 

 

R32/R125/R134a

 

 

23/25/52

 

 

R410A

 

 

R32/R125

 

 

50/50

 

 

R410B

 

 

R32/R125

 

 

45/55

 

 

  

表2 ARI推薦的R22替代工質(zhì)  

 

 

 

替代工質(zhì)

 

 

質(zhì)量濃度

 

 

R290

 

 

---

 

 

R134a

 

 

---

 

 

R717

 

 

---

 

 

R32/R134a

 

 

30/70

 

 

R32/R227ea

 

 

35/65

 

 


(七)、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構已經(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.水環(huán)路熱泵(WLHP)系統(tǒng)與地源熱泵(GSHP)系統(tǒng)有什么異同?適用于什么場合?

 

兩者都可通過水源熱泵如水-空氣熱泵或水-水熱泵系統(tǒng)為建筑物提供熱量或冷量,區(qū)別是WLHP系統(tǒng)通常是指利用冷卻水塔和鍋爐保持全年冬夏兩季節(jié)的供水溫度穩(wěn)定的系統(tǒng),而GSHP系統(tǒng)則通常是指通過利用地下水、地下?lián)Q熱系統(tǒng)、地表水或者地下?lián)Q熱系統(tǒng)與冷卻塔、鍋爐相結合等形式維持供水溫度穩(wěn)定的系統(tǒng);此外,WLHP一般為分散式系統(tǒng),而GSHP既可為分散式系統(tǒng)也可為集中式系統(tǒng)。  

對于WLHP系統(tǒng)適用于什么場合,有研究認為,單純的供冷或單純的供熱選用水環(huán)路熱泵是不合理的;對同時具有制冷和制熱需要的空調(diào)建筑,當其內(nèi)部余熱量較小或較大時,使用WLHP系統(tǒng)節(jié)能效果不明顯,只有當機組排出的熱量與部分水源熱泵機組吸收的熱量相近時,才具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。對于某一特定建筑,設計者需根據(jù)建筑物的冷熱負荷曲線、使用特點、功能,所處環(huán)境等諸多因素綜合評價使用WLHP系統(tǒng)是否節(jié)能、合適。一般地說,以下幾種情況可考慮使用WLHP:①有低品位穩(wěn)定可靠的廢熱可以利用;②建筑物內(nèi)同時有制冷和供熱的需要;制冷量不大,且又要求獨立計量電費,使用時間不一,個別房間或區(qū)域經(jīng)常需在夜間或節(jié)假日獨立使用的建筑。 

地源熱泵系統(tǒng)的適用場合,對于分散式系統(tǒng),類似于上述水環(huán)路熱泵系統(tǒng)的情況;而對于集中式系統(tǒng),即集中為建筑物各房間提供冷水或熱水的情況,則適用范圍較廣,尤其適用于辦公樓、學校及別墅等。

 

3.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:其優(yōu)點有: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,其缺點有:在淺水湖中,盤管容易被破壞,由于水溫變化較大,會降低機組的效率。 

4)鍋爐/冷卻塔與地下埋管相結合的混合型地源熱泵系統(tǒng):適用于空間小,不能單獨采用地下埋管換熱系統(tǒng)的建筑,冷卻塔和閉環(huán)式系統(tǒng)相結合制冷,節(jié)省成本;事實證明該系統(tǒng)是高效率、低費用的。  


      4.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論:地源熱泵技術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。


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