地源热泵空调系统的技术探讨

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地源热泵空调系统的技术探讨　　摘要：随着我国经济的发展，人们生活水平的不断提高，空调已成为人们日常生活中不可缺少的电器之一。由于空调所占的能耗比重较高，因此，降低能耗是当前面临的问题。本文作者主要就地源热泵空调的节能与环保进行了分析，并指出了其相关的工作原理和带来的效益。　　关键词：地源热泵；中央空调系统　　中图分类号：TK52文献标识码:A　　由于地源热泵适用范围广，运行费用低，节能和环保效益显著已得到广泛的应用，采用地源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C02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。　　．热泵原理　　在自然环境中，水从高处往低处流动，热量由高温处向低温处传递，而热泵(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。热泵工作原理是：由电能驱动压缩机，使工质(如1t22)循环流动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中汽化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热(或制冷)功能。 　　①在制冷模式时：高温高压的制冷剂气体从压缩机出来后进入制冷剂的冷凝器，向水中排放热量而冷却成高压液体，并使水温升高(此高温水的热量通过埋设在土壤中的管道传给了土壤)。到膨胀阀节流膨胀成低压液体进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，同时吸收(蒸发吸热)水(或空气)的热量。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不止。水(或空气)温度被蒸发器降低用来冷却环境。　　②在供热模式时：高温高压的制冷剂气体从压缩机出来后进入制冷剂的冷凝器，向水中排放热量而冷却成高压液体。到膨胀阀节流膨胀成低压液体进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，同时吸收(蒸发吸热)水(或空气)的热量将水冷却(此“冷量”通过埋设在土壤中的管道传给了土壤)。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不止。水(或空气)的温度被冷凝器升高用给环境供热。 　　由此可见，热泵与制冷机的工作原理和过程是相同的。热泵与制冷机在名称上的差别只是反映了在应用目的上的不同：如果以得到高温的热量为主要目的，则一般称为热泵；如果目的是从低温热源除去热量，或称得到冷量，则叫做制冷机(空调)。建筑空调系统一般应满足冬季供热和夏季制冷两种要求，传统的空调系统通常需分别设置冷源(制冷机)和热源(锅炉)。建筑空调系统如果在冬季以热泵的方式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，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。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。　　．热泵的主要优点 　　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，由于传热温差，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)不可能超过100％。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(土壤、地下水、空气)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转化成的电能，大大降低用于供热的一次能源消耗。地源热泵的性能系数(即COP值)通常大于4，即地源热泵每输入lkW的电能，能输出4kW的冷热能量，扣除过程损耗因素，性能系数仍然在以上，从而高效利用了土壤或地下水这种可再生的清洁能源。而直接燃煤制热系数为，直接用电供暖制热系数为。从夏季制冷上来说，其性能系数比普通家用空调效率高一倍以上，比大型中央空调高20％以上，运行费用每年每平方米仅为25―33元，比常规中央空调系统低40％左右。地源热泵中央空调系统没有冷却塔，不向空中排放热量，不消耗冷却水，因此没有热岛效应，避免了冷却塔的噪声。地源热泵中央空调系统无锅炉等燃烧设备，不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气，也不存在丙烷气体，因而不会有发生爆炸的危险，使用安全。由于土壤深处温度非常恒定，主机吸热或放热不受外界气候影响，运行工况非常稳定，不存在空气源热泵供热不足，甚至不能制热的问题。整个系统的维修量维护费用也较锅炉―制冷机系统大大减少，正常情况下自动运行，不需要有人值班。地源热泵系统不消耗水资源，省去了锅炉房、煤场、储油房、冷却塔等设施，节省了建筑空间，不产生任何废水、废气、废渣，不对环境产生任何污染，因此节省了建筑空间。由此可见具有高效节能环保安全的优点。　　．系统组成　　地源热泵空调系统主要包括三个回路：用户回路、制冷剂回路和地下热交换器回路。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一制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。　　①地热换热器环路　　由高强度塑料管组成的在地下循环的封闭环路，循环介质为水(或防冻剂溶液)。冬季 　　从周围土壤(地层)吸收热量，夏季向土壤(地层)释放热量，其循环有一台小功率的循环泵来实现。地热换热器的设计是否合理是决定埋管式地源热泵系统运行的可靠性和经济性的关键。要取得合理设计地热换热器基础数据，必须测定现场深层岩土热物性。制约地源热泵系统应用的主要障碍是在地下埋管的投资较高。　　②制冷剂环路　　即在热泵机组内部的制冷循环，与空气源热泵相比，只是将空气一制冷剂换热器换成水一制冷剂换热器，其它结构基本相同。　　③室内环路　　室内环路在建筑物内和热泵机组之间传递热量，传递热量的主要介质为水，热量(冷量)通过风机盘管释放到房间。　　．主要型式　　地源热泵的地下环路中的介质是水(或防冻剂溶液)，根据其供热(冷)介质(承担室内负荷的介质)的组合方式不同，地源热泵主机可分为：水一水系统、水一冷剂系统、水一空气系统热泵。与此相应的空调系统型式主要有三种：　　①水一水系统　　水一水系统热泵主机的制冷工况与普通冷水机组的功能相同，即它是空调系统的冷源，为空调系统的末端装置提供冷冻水(二次冷媒)。在供热工况(热泵运行方式)，能够为空调系统提供45℃―55℃的热水。在选用该型主机时，应着重注意两点：一是空调系统供热工况末端装置的选择、设计应与热媒参数相匹配；二是该型主机制冷与供热工况间的转换一般是通过机外二次冷媒水与地热换热器循环水流道切换实现的，因此水系统的设计应满足这一要求。 　　②水一冷剂系统　　水一冷剂系统热泵主机与冷、热两用的家用分体式空调的工作原理基本相同。不同的是它利用地热换热器循环水作为热泵制冷工况的冷却水和供热工况的低温热源。家用分体空调中体积庞大、噪声污染严重的室外机被两根循环水管所取代。由该型热泵主机组成的空调系统与风机盘管系统基本相同。只是前者承担室内负荷的是制冷剂，而后者是冷冻(热)水。因此，该型热泵主机的选择、设计、安装与控制可参照风机盘管系统进行。　　③水一空气系统　　水一空气系统热泵主机与全空气系统中空调机组的作用相同。不同的是前者自身具备冷、热源，其蒸发器(或冷凝器)相当于空调机组的表冷器(或加热器)。因此，该型热泵主机的热效率高于水一水系统热泵主机。在不需要二次冷(热)媒的情况下，宜优先考虑选用这种主机。该机组的选择设计方法与空调机组的基本相同。应注意的是二者的热媒参数有所不同，在确定加热器(冷凝器)面积时应区别对待。 　　地热换热器设计是否合理决定着地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。地热换热器所需埋管的总长度需要根据埋管的形式、地下岩土的热物性、地下的温度和冷热负荷的情况作详细的计算才能确定。设置地热换热器的费用，其中主要是钻孔的费用，构成地源热泵系统初投资的1/4―1/3，是初投资增加的主要因素。因此正确设计地热换热器埋管的长度对于保证系统的性能和经济性十分重要。　　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，地源热泵系统供热时比直接电热方式节电60％以上，比燃油或燃气锅炉的运行费用也大大降低。由于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在4―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。 　　2O世纪5O年代，欧洲和美国开始了研究地源热泵的第一次高潮。但当时能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。到上世纪7O年代，石油危机和日益恶化的环境把人们的注意力集中到节能、高效益用能和环境保护上时，使地源热泵的研究进入了又一次高潮，最近2O年在欧美等工业发达国家得到了迅速的发展，已成为一项成熟的应用技术。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源泵供热空调系统。在美国，地源热泵空调系统占整个空调系统的40％，是美国政府极力推广的节能、环保技术。目前，美国已安装了60万台地源热泵空调系统，而且计划每年安装4O万台，能降低温室气体排放一百万吨，相当于减少5O万辆汽车的污染排放或植树一百万英亩，年节约能源费用4．2亿美元。瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用地源热泵供暖及提供生活热水。据1999年的统计，在家用供热装置中，地源热泵所占比例为：瑞士96％，奥地利38％，丹麦27％。　　在我国。由于能源价格的特殊性以及人们节能、环保的认识程度等原因以及其它一些因素的影响，地源热泵空调技术应用和发展比较缓慢，人们对之尚不十分了解，推广较困难。然而，随着人们生活水平的提高，人均能耗的增长，一次性矿物能源的日益衰竭以及环境的日趋恶化，地源热泵技术已越来越引起人们的重视。　　随着经济的发展，人们节能、环保意识的日益提高，地源热泵作为一种节能、环保的绿色空调设备，可以适应能源可持续发展战略要求，在我国必将有广阔的应用和发展前景。　　[1]同方，周大勇.供热调节技术[Z].XX年08月；　　[2]田茂诚.热力系统[M].济南:山东大学出版社，1997.