地源熱泵空調原理及效益

    一 中央空調系統形式介紹:

 

    1、傳統的中央空調有空氣源熱泵（風冷機組）+輔助電加熱和水冷冷水機組+鍋爐兩種形式。空氣源熱泵（風冷機組）和水冷冷水機組在制冷時都是把房間的熱量向室外空氣排放，受室外氣溫因素影響太大，其制冷量隨室外空氣溫度升高而降低，尤其在高溫高濕地區，機組制冷性能極不穩定，效率低下,有時甚至不能工作。在制熱時，空氣源熱泵當室外溫度降到零度以下時需加輔助電加熱裝置，耗電量大，效率很低;而水冷冷水機組+鍋爐這種空調形式，在供熱時需用電鍋爐或燃煤、燃油鍋爐，污染嚴重，運行費用昂貴。

 

    2、地源熱泵中央空調:地源熱泵中央空調分為水源熱泵和土壤熱交換器地源熱泵兩種形式

 

    2.1 水源熱泵中央空調 水源熱泵概念、原理及歸類

 

    2.1.1、水源熱泵概念

 

    水源熱泵技術是一種利用地球表面或淺層水源（如地下水、河流和湖泊），或者是人工再生水源（工業廢水、地熱尾水等）的低溫低位熱能資源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移，既可供熱又可制冷的高效、環保、節能的空調系統。

 

    2.1.2、水源熱泵原理

 

    地球表面淺層水源（一般在 1000 米以內），像地下水、地表的河流、湖泊和海洋中，吸收了太陽進入地球的相當的輻射能量，并且水源的溫度一般都十分穩定。水源熱泵技術的工作原理就是：在夏季將建筑物中的熱量“取”出來，釋放到水體中去，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以達到夏季給建筑物室內制冷的目的；而冬季，則是通過水源熱泵機組，從水源中“提取”熱能，送到建筑物中采暖。

 

    通常水源熱泵消耗 1kW 的能量，用戶可以得到 4kW 以上的熱量或冷量。

 

    2.1.3、水源熱泵的分類

 

    當利用的對象都是水體和地層（含水地層）的蓄能，而且都是以水作為熱泵機組的冷熱源，都可以將之歸類為水源熱泵系統。水源熱泵可以分為地下水源熱泵以及地表水源熱泵。 地下水熱泵系統，也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統。 通過建造抽水井群將地下水抽出，通過二次換熱或直接送至水源熱泵機組，經提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。

 

    地表水熱泵系統。 通過直接抽取或者間接換熱的方式，利用包括江水、河水、湖水、水庫水以及海水作為熱泵的冷熱源。

 

    2.2 土壤熱交換器地源空調系統。

 

    這種空調系統是把熱交換器埋于地下，通過水在由高強度塑料管組成的封閉環路中循環流動，從而實現與大地土壤進行冷熱交換的目的。夏季通過機組將房間內的熱量轉移到地下，對房間進行降溫。同時儲存熱量，以備冬用。冬季通過熱泵將土壤中的熱量轉移到房間，對房間進行供暖，同時儲存冷量，以備夏用，大地土壤提供了一個很好的免費能量存貯源泉，這樣就實現了能量的季節轉換。 垂直埋管地源熱泵系統 水平埋管地源熱泵系統

 

    〈1〉工作原理：地源熱泵空調的心臟是一個“熱泵”（制冷、供熱）。供暖時，它吸取地熱向用戶排放，此過程只消耗少量電能，如圖1所示。制冷時，它吸取用戶室內的熱量向地下排放，同樣也消耗少量熱能。

 

    〈2〉 機組運行過程：冬天熱泵中制冷劑正向流動，壓縮機排出的高溫高壓R22氣體進入冷凝器向集水器中的水放出熱量，相變為高溫高壓的液體，再經熱力膨脹閥節流降壓變為低溫低壓的液體進入蒸發器，從地下循環液中吸取低溫熱后相變為低溫低壓的飽和蒸汽后進入壓縮機吸氣端，由壓縮機壓縮排出高溫高壓氣體完成一個循環。如此循環往復將地下低溫熱能“搬運”到集水器，從而不斷的向用戶提供45℃-50℃的熱水。如圖3所示。  夏天熱泵中制冷劑逆向流動，與用戶換熱的冷凝器變為蒸發器從集水器中的低溫水（7-12℃）提取熱能，與地下循環液換熱的蒸發器變為冷凝器向地下循環液排放熱量，循環液中熱量再向地下低溫區排放，如此循環往復連續地向用戶提供7-12℃的冷水。

 

    〈3〉土壤熱交換器埋管形式：地下埋管換熱器主要有兩種形式，即水平埋管和垂直埋管。選擇哪種形式取決于現場可用地表面積、當地巖土類型以及鉆孔費用。盡管水平埋管通常是淺層埋管，可采用人工開挖，初投資比垂直埋管小些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實際工程應用中，一般都采用垂直埋管。

 

    2.3 地源熱泵發展概況

 

    地源熱泵的概念最早出現在1912年瑞士的一份專利文現中。20世紀50年代，歐洲和美國開始了研究地源熱泵的第一次高潮。但在當時能源價格低，這種系統并不經濟，因而未得到推廣。直到上世紀70年代，石油危機和日益惡化的環境把人們的注意力集中到節能、高效益用能和環境保護上時，使地源熱泵的研究進入了又一次高潮，最近20年在歐美等工業發達國家取得了迅速的發展，已成為一項成熟的應用技術。在美國地源熱泵空調系統占整個空調系統的40%，是美國政府極力推廣的節能、環保技術。為了表示支持這種技術，美國總統布什在他的得克薩斯州的別墅中也安裝了這種地源熱泵空調系統（見2001年5月28日參考消息）。到目前為止美國已安裝了600，000臺，而且計劃每年安裝40萬臺的目標，能降低溫室氣體排放一百萬噸，相當于減少50萬輛汽車的污染排放或種植樹一百萬英畝，年節約能源費用4、2億美元。瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用地源熱泵，用于供暖及提供生活熱水。據1999年的統計，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%。

 

    在我國由于能源價格的特殊性以及人們節能、環保的認識程度等原因以及其它一些因素的影響，地源熱泵空調技術應用和發展比較緩慢，人們對之尚不十分了解，推廣較困難，然而隨著人們生活水平的提高，人均能耗的增長，一次性礦物能源的日益衰竭以及環境的日趨惡化，地源熱泵技術已越來越引起人們的重視。在目前節能和環保的潮流下，該技術以其特有的節能性和穩定性受到行業的矚目，國內許多院校、科研所作了大量的應用研究。國家建設部在《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》中專門作了推薦。據統計，僅在北京2004年施工并投入運行的地源熱泵系統的空調工程占全年空調工程總量的2/3以上。可以預見，隨著經濟的發展，人們節能、環保意識的日益提高，地（水）源熱泵作為一種節能、環保的綠色空調設備適應能源可持續發展戰略要求，在中國必將有廣闊的應用和發展前景。

 

    2.4 地源空調系統的特點

 

    地（水）源熱泵與常規空調技術相比有著無可比擬的優勢。

 

    (1) 利用可再生能源：屬可再生能源利用技術  地源熱泵從常溫土壤或地表水（地下水）中吸熱或向其排熱，利用的是可再生的清潔能源，可持續使用。

 

    (2) 高效節能，運行費用低：屬經濟有效的節能技術。

 

    地源熱泵的冷熱源溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40%，因此要節能和節省運行費用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、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。在制熱制冷時，輸入1KW的電量可以得到5KW以上的制冷制熱量。運行費用每年每平方米僅為15——18元，比常規中央空調系統低40%左右。

 

    (3) 節水省地：

 

    1）以土壤(水)為冷熱源，向其放出熱量或吸收熱量，不消耗水資源，不會對其造成污染。

 

    2）省去了鍋爐房及附屬煤場、儲油房、冷卻塔等設施，機房面積大大小于常規空調系統，節省建筑空間，也有利于建筑的美觀

 

    (4) 環境效益顯著  該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，在供熱時，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，不會產生城市熱島效應，對環境非常友好，是理想的綠色環保產品。

 

    (5) 運行安全穩定，可靠性高：地源熱泵系統在運行中無燃燒設備，因此不可能產生二氧化碳、一氧化碳之類的廢氣，也不存在丙烷氣體，因而也不會有發生爆炸的危險，使用安全。燃油、燃氣鍋爐供暖，其燃燒產物對居住環境污染極重，影響人們的生命健康。由于土壤深處溫度非常恒定，主機吸熱或放熱不受外界氣候影響，運行工況非常穩定，優于其它空調設備。不存在空氣源熱泵供熱不足，甚至不能制熱的問題。整個系統的維護費用也較鍋爐－制冷機系統大大減少，保證了系統的高效性和經濟性。維修量極少，折舊費和維修費也都大大地低于傳統空調。

 

    (6) 一機兩用，應用范圍廣  地源熱泵系統可供暖、制冷，一套系統可以代替原來的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統。 可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于住宅的采暖、供冷。

 

    (7) 自動運行  地源熱泵機組由于工況穩定，所以可以設計簡單系統，部件較少，機組運行簡單可靠，維護費用低；自動控制程度高，可無人值守；此外，機組使用壽命長，均在20年以上。

 

    2.5 地源空調系統的社會效益

 

    在我國的一些發達城市，夏季制冷、冬季采暖與供熱所消耗的能量已占建筑物總能耗的40-50%。特別是冬季采暖用的燃煤鍋爐、燃油鍋爐的大量使用，給大氣環境造成了極大的污染，對人們的健康形成了威脅。因此，建筑物污染控制和節能已是國民經濟發展的一個重大問題。傳統的采暖空調模式因其產生的環境污染正面臨著嚴峻的挑戰。對于夏季制冷的建筑來說，隨著空氣熱泵空調的普及，空調的實際使用效果正在逐年下降，這是因為空調裝機容量的增加，空調局部熱島效應交叉干擾的結果。天氣越炎熱，室外的溫度越高，空調負荷也越大，而此時空調機向室外散熱時，傳熱溫差越小，空調機的運轉效率就越低，設備也越費電。也就是說，除了燃煤供暖給環境造成污染之外，空調機同樣會造成大氣污染。

 

    另一方面，我國大部分地區冬冷夏熱，夏天大量地使用風冷空調，造成某些大城市供電緊張，形成電荒，為了確保不會造成斷電等問題出現，有些城市夏天限制用電量。另外，因為部分地區沒有暖氣供應，冬天使用電爐取暖，造成電力供應緊張。

 

    地源熱泵機組制冷、供暖所需能量3/4左右來自地能，另外1/4左右來自電力輸入，從而減少一次性的礦物能源消耗；不向室外排冷、熱風，減少城市熱島效應。對環境非常友好。

 

    地源熱泵空調是一種使用可再生能源的高效節能、環保型的工程系統。冬季向建筑物供熱，夏季又可供冷。可廣泛應用于各類建筑中，如商業樓宇、公共建筑、住宅公寓、學校、醫院等。隨著21現在，我國對建筑節能的要求越來越高。減少我國冬季采暖和夏季供冷所造成的大氣污染，降低供暖空調系統的能耗、節約能源是每個公民應盡的義務。特別是近幾年來，大中城市為改善大氣環境，大力推廣使用包括可再生能源的清潔能源。隨著人們生活水平的提高，建筑物不僅要滿足冬季采暖的要求，而且需要夏季空調降溫，地源熱泵技術提供了這一問題的有效解決方案。

 

    地源熱泵系統可實現對建筑物的供熱和制冷，還可供生活熱水，一機多用。一套系統可以代替原來的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統。系統緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節省建筑空間，也有利于建筑的美觀。地源熱泵系統的一個顯著的特點是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效節能的優點。地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高約40～60％，節能50%左右。另外，地源溫度恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，整個系統的維護費用也較鍋爐－制冷機系統大大減少，保證了系統的高效性和經濟性。