空调热泵节能技术

热泵节能技术

（HeatPump）一、概述所谓热泵，就是靠高位能拖动，迫使热量从低位热源流向高位热源的装置。热泵可以把不能直接利用的低品位热能（如空气、土壤、水、太阳能、工业废热等）转换为可利用的高品位能，从而达到节约部分高位能（煤、石油、天然气、电能等）的目的。矿物能源短缺，热泵技术是一条极重要的节能途径。热泵始于1852年，威廉.汤姆逊提出所谓“热量放大器”装置，即为最早的热泵装置。热泵技术经历了一段漫长而曲折的发展过程，目前已经得到突破，热泵技术在发达国家得到突飞猛进的发展，热泵装置已进入了家庭、公共建筑、厂房，得到了广泛的应用。目前热泵主要用来解决100℃以下低温用能。据估计，欧洲在100℃以下低温用能方面的耗能量约占总耗能量的50％左右。因此，用热泵为暖通空调提供100℃以下的低温用能具有重大的现实意义。热泵在暖通空调中的应用不会对环境产生污染。二、热泵的基本工作原理与评价1.工作原理热泵的工作原理与制冷机相同，都是按热机的逆循环工作的，所不同的是工作温度范围不同，使用的目的也不同。制冷机利用吸收热量而使对象变冷，达到制冷的目的；而热泵则是利用排放热量，向对象供热，达到制热的目的。制冷机与热泵的基本能量转换关系热泵装置：从环境中吸取热量，传递给高温物体，实现供热目的；制冷机：从低温物体吸取热量传递给环境中去，实现制冷目的；联合循环机：从低温物体吸热，实现制冷，同时又把热量传递给被加热的对象，实现供热目的。压缩式制冷机工作原理图在正常的大气压力下，水要达到100℃才能沸腾蒸发。而在低于大气压力（即真空）条件下，水可以在很低的温度沸腾。比如说在6mmHg的真空条件下，水的沸点只有4℃。溴化锂溶液就可以创造这种真空条件，因为溴化锂(LiBr)是一种吸水性极强的盐类物质，可以连续不断地将周围的水蒸汽吸收过来，维持容器中的真空度。热泵供热系统原理图1-压缩机；2-冷凝器；3-节流机构；4-蒸发器；5-地板辐射供热；6-热网的循环水泵；7-热网；8-低温热源水的循环泵；9-河水2.热泵经济性的评价问题复杂，影响因素很多。包括：负荷特性、系统特性、地区气候特性、低位热源特性、设备价格、设备使用寿命、燃料价格和电力价格等。“节能效果”与“经济效益”节能效果－制热性能系数COP一般3～4左右经济效益评价－投资回收年限法Β：投资回收期（年）；I：热泵系统所需的投资（年）；A：燃料价格（元/J）；QE：热泵系统与传统系统相比，年节约能量（J/年）。一般回收年限应在3～5年内初始投资少一机多用。一座建筑物要实现冬季采暖、夏季制冷和日常提供生活热水三项功能，如果采用传统方式，一般需要安装各自独立的供暖系统和制冷系统，有的还需再独立安装供热水系统。而如果采用热泵系统，安装一套就可以了。投资项目少。安装热泵系统，不必再建燃料储存场地和运输燃料的通道，不必配备特殊的消防装置，不必对配电系统做大规模的增容。综合上述因素，热泵系统具备了优异的性能价格比，使用户用较少的初始投资，得到较多的实惠。动态费用年值分析将参与比较方案的系统造价按资金的时间价值折算为每年的费用，并与年运行费用相加得出费用年值，从若干方案中选取费用年值最小的作为最佳方案。

f—费用年值，元/年；

i—利率或标准内部收益率，取0.08；

m—经济寿命，取15年；

Csys—造价（初投资），元；

c—年运行成本，元/年。三、热泵分类空气源热泵水源热泵水环热泵地源热泵地表水热泵地下水热泵土壤源热泵污水源热泵1.空气源热泵（Air-source）以室外空气为热源；低温热源的温度随室外温度的变化而改变。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；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；当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度时，热泵就难以正常工作，减少了机组的换热能力，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热；空气源热泵供热量等于建筑耗热量时的室外计算温度先进科学的化霜技术是机组冬季运行的可靠保障。机组冬季运行时，换热盘管温度低于露点温度时，表面产生冷凝水，冷凝水低于0℃就会结霜，严重时就会堵塞盘管，明显降低机组效率，为此必须除霜，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；空气源热泵不适用于寒冷地区，但在冬季气候较温和的地区，如我国长江中下游地区，己得到相当广泛的应用；机组多数安装在屋面，应考虑机组噪声对周边建筑环境的影响。水环热泵系统是用水环路将小型水/空气热泵机组和能量采集装置并联在一起，为建筑物供热、制冷。系统由室内热泵机组、水循环环路、其它设备（如浅层地能采集装置）等构成。一般用于全年都有制冷需要的建筑物中。主要设备：小型水/空气热泵、循环水泵、水循环环路、能量采集装置等。

2水

环

热

泵水环热泵系统夏季利用冷却塔或地能将系统内热负荷排放掉，冬季则将内区的热量转移到需要供热的外区，不足部分由辅助热源（电、燃气、燃煤、热水、蒸汽、太阳能）供给。该系统适用于大型建筑物，特别是内区冷负荷较大，而且冬季时内区仍然需要供冷，而外区需要供热的场合。工况和性能：水循环管路温度：15~30ºC

供冷时COP可达3.5~4.3

供热时COP可达3.1~4.7地源热泵的应用只有近二十年的历史。速度稳步增长：如美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45,000台，到目前为止已安装了400,000台，而且以每年10%的速度增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统己占空调总量的19%，其中在新建筑中占30%。中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，地下埋管（埋深<400米深）的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计，在家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。地源热泵3.地下水源热泵（Groundwater-source）地下水地源热泵系统可分为开式系统和闭式系统。开式系统：将地下水直接供应到每台热泵机组，经换热后将井水回灌到地下或直接定点排放。由于可能导致管路阻塞，更重要的是可能导致腐蚀的发生，通常不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。闭式系统就是通过一个板式换热器将地下水与建筑物内的水系统分隔开，避免了建筑内热泵系统设备的腐蚀。地下水源热泵系统又可分为两种，一种为单井式系统，另一种为双井式系统。单井式系统在取水井内设置潜水泵，抽取地下水与地上系统换热后直接排走，由于其不断地大量抽取地下水而不能进行及时的补充，长期运行会导致地下水位下降，地面基础降等一系列地质问题，所以已经很少采用。双井式系统分别设置取水井和回灌井，能在取水的同时向地下含水层补水，运行稳定性和系统寿命大大提高。但由于含水层较深，颗粒细，渗透性能差，回灌水较困难。生活热水系统由井口换热器将地下水和热泵系统循环水隔开。一定深度的地下水经潜水泵注入井口换热器放（吸）热后，再返回同一口井中，形成循环。地下水在返回地下时直接与土壤（砂石）进行换热，使地下水恢复至初始的温度；由循环泵驱动二次循环水通过热泵蒸发器（冬季）或冷凝器（夏季）与其内部工质进行热交换，外部输入电能对低位能量进行提升；由循环泵驱动末端循环水通过热泵冷凝器（冬季）或蒸发器（夏季）与其内部工质进行热交换，通过末端装置与室内环境进行热（冷）交换，满足建筑物冬季供暖或夏季制冷。井深：100m一口井：3000m2左右国家大剧院金四季购物中心金泰阁海淀外国语实验学校项目特点：该校总占地240亩，共有9栋建筑。各建筑物相对分散，冷热源机房设计体现了机房按冷热负荷要求灵活布局的特点，采用分散冷热源形式，机房面积小，无需其他辅助建筑。机房附近设置冷热源井，外管线短,热损失小；各机房独立运行，调节灵活，运行费用低。运行实况：该系统于2001年9月投入运行，系统运行效果良好。北京市统计局对其进行了能耗测定分析，冬季供暖期为126天，建筑总耗电2072248度，其中供暖耗电量为2063283度，新风耗电量为4600度，生活热水耗电量为11693度。每平米建筑面积耗电量为31.73度。单位面积供暖费为14.29元/平米，生活热水加热费为5.23元/吨。电费：峰0.54，平0.54，谷0.2元/度海淀区政府大楼项目特点：该项目地上12层、地下3层，建筑容积率高，室内采用风机盘管加新风系统。运行实况：该项目应用集中式机房，设备利用率高，管理方便，运行费用低。该系统于2002年投入运行，系统运行效果良好。北京市统计局对其进行了能耗测定分析，冬季供暖期为126天，其中供暖耗电量为1819049度，新风耗电量为457320度，生活热水耗电量为10231度。单位面积供暖费为24.64元/平米（含新风），不含新风的供暖费用为17.29元/平米。生活热水加热费为6.5元/吨。电费价格：峰0.67；平0.67；谷0.23元/度

当然，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，不仅钻井的费用增加，运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。国外由于对环保和使用地下水的规定和立法越来越严格，地下水源热泵的应用己逐渐控制。对于我国地下水源并不丰富，且回灌技术不成熟，很容易造成水源流失及污染，而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，因此，推广这项技术应当非常慎重。存在问题1）初期投资偏高：打井费用、机组费用、管道及控制设备的费用等。水井的单位打井费用是随着井深的增加而增加的，因此对初投资影响很大。2）受地质条件的制约3）对水源水有较为严格的要求：水量充足、水温适度、水质适宜、供水稳定。水源水的水量必须能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要。水源的水温应适合机组运行工况要求。水源的水质，应适宜于系统机组、管道和阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损坏。另外水源系统供水具有长期可靠性，能保证水源热泵长期和稳定运行。该系统冬季取抽水井的热水取热后回灌到回灌井中；而夏季则抽取回灌井的低温水，回灌到抽水井中。4）受当地能源政策的限制地下水作为国家战略储备物质，其利用更是受到国家、当地政府的严格控制。虽然总体来说，地下水源热泵的运行效率较高、费用较低，但与传统的空调制冷取暖方式相比，在不同的地区不同需求的条件下，其投资经济性会有所不同。5）井的老化：砂堵、腐蚀、胶结、岩化等。6）回灌问题回灌的目的就是储能，提供冷热源，亦即冬灌夏用，夏灌冬用。另外为保持含水层水头压力、防止地面沉降、保护地下水资源，也必须回灌。但是，由于成井质量、回灌技术等原因，很难保证达到100%回灌。通过对地下水源热泵的实例调查发现，回灌率最高的可达到80%，最低的仅有20%，在回灌率较差的地方已经出现较为严重的地面沉降。4.地表水热泵地表水地源热泵是利用江、河、湖、海的水作为热源或热汇的热泵系统。这种热泵系统要求具有足够体积的地表水源可供使用而且地理位置便利。当然，这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。与空气源热泵相似，地表水源热泵的热源温度受气候的影响较大，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素有关，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。根据热泵机组与地表水的连接式不同，地表水热泵系统可分为开路和闭路两种系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。总的来说，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。5.土壤源热泵（Ground-source）土壤热源的特点土壤热源和空气热源相比，具有如下特点：1）土壤的蓄热性能好。土壤的温度变化较空气温度的变化有滞后和衰减的特点。这使得土壤作为热泵的低位热源与空气源相比更能适应负荷的变化，能与负荷较好的匹配，这对热泵的运行是有利的。2）土壤的热容量大。土壤的温度较空气的温度变化要稳定，当热泵制热工况运行时，土壤热源的温度要比空气源的温度高。从而使得在同样的工况下，土壤源热泵的性能系数更高。3）土壤的热流密度小。为20～40W/m2，一般为25W/m2。这就决定了当土壤作为热泵的单一低位热源时，其承担的负荷不宜太大，一般只用于负荷不大于1MW的场合。另外，土壤源热泵有一定的面积要求。土壤的热物性土壤是一个非均质的，多相的，颗粒状的多孔系统。自然界中的三相也在土壤中存在：固相，由土壤颗粒组成；液相，即为土壤空隙中的水与土壤的溶解物形成的土壤溶液；气相，为土壤中的空气。每种成分所占的比例影响影响土壤的热物性。土壤的热物性参数主要有：土壤的比热、含水率、密度、孔隙率、导热系数和导温系数（热扩散系数）等。其中土壤的含水量和密度对其导热系数起着决定性的作用。土壤温度土壤热量来源于三个方面：太阳的辐射能、地球内部向外输送的热量和土壤微生物分解有机质所产生的热量。对一般土壤来说，太阳辐射能是其热量的主要来源，生物热与地热只是在某些特定条件下才能发挥作用。土壤温度是土壤热量的表现形式。土壤热量的基本来源既然是太阳辐射能，那么土壤温度必然随着太阳辐射能的变化而有相应的变化。土壤表层日间增热和夜间散热，引起土壤温度有明显的日变化。由于土壤热量是从地面逐步向下输送，在不同的下层深处，由于受热散热的先后和程度不一，它们温度变化的情况也不相同。一般规律是：1)表土的日最高温出现在下午2时前后，最低温出现在清晨6时，即日出之前；2)下层土壤最高温与最