2013年暖通工程師專業(yè)復(fù)習(xí)資料11
地源熱泵系統(tǒng)構(gòu)成與原理
系統(tǒng)構(gòu)成:
地源熱泵(也稱地?zé)岜?是利用地下常溫土壤和地下水相對(duì)穩(wěn)定的特性,通過深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)或地下水,采用熱泵原理,通過少量的高位電能輸入,實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移與建筑物完成熱交換的一種技術(shù)。
地球是一個(gè)巨大的蓄熱體,一年四季其地表5m以下的土壤溫度十分穩(wěn)定,是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源。地源熱泵機(jī)組工作原理就是在夏季從土壤或地下水中提取冷量,由熱泵原理通過空氣或水作為載熱劑降低溫度后送到建筑物中,而冬季,則從土壤或地下水中提取熱量,由熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中,從而實(shí)現(xiàn)的熱交換過程。需要特別指出的是:地?zé)岜弥械睦錈嵩床皇侵傅叵碌臒崞驘崴侵敢话愕某赝寥?、地表水、地下水?/P>
1.2地耦管熱泵系統(tǒng)
以導(dǎo)熱好、抗腐蝕、強(qiáng)度高且可繞曲的材料制成管路,內(nèi)有導(dǎo)熱流體(水或防凍劑)同土壤直接換熱后,進(jìn)入水源熱泵機(jī)組的熱交換器與其換熱。當(dāng)制冷供暖面積較小、周圍有較大空地時(shí),采用水平敷設(shè)地鍋管路系統(tǒng)較合理,初投資較小;當(dāng)制冷供暖面積較大、周圍有一定空地時(shí),可采用垂直敷設(shè)地鍋管路系統(tǒng),但其初投資相對(duì)較大。
與傳統(tǒng)的中央空調(diào)比較
燃煤鍋爐對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重,而燃油及電鍋爐采暖造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用皆較高,讓人難以承受,也不符合國(guó)家長(zhǎng)期發(fā)展的能源政策,而地源熱泵空調(diào)技術(shù)是國(guó)家科技部重點(diǎn)推廣的項(xiàng)目,也是國(guó)家節(jié)能設(shè)計(jì)手冊(cè)優(yōu)先選用的冷(熱)源方式。因此,近十幾年來,尤其是近五年來,中國(guó)的地源熱泵市場(chǎng)日趨活躍。
通常消耗l kw的電能或獲取4kw的熱量或冷量,與鍋爐(電、燃料)和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比,鍋爐供熱只能將90%一98%的電能或70%一90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量,供用戶使用,因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能,比燃料鍋爐節(jié)省l/3以上的能量;由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定,一般為10℃一25℃,其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5―4.4,與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比,要高出40%左右,其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50%一60%。
地源熱泵系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對(duì)于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物,地源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn),不僅節(jié)省了大量能源,而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿足供熱和供冷的要求,減少了設(shè)備的初投資。
國(guó)內(nèi)外地源熱泵的發(fā)展歷史及前景
在中國(guó)傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)概念中,在過去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期,南方以水冷機(jī)組解決夏季制冷問題,中、北方以燃煤鍋爐解決冬季取暖問題。20世紀(jì)80年代以后,出現(xiàn)了溴化鋰機(jī)組、風(fēng)冷機(jī)組,90年代以后,從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。但是,替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問題,可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源,且采暖造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用皆較高,因此必須尋找可以再生的能源,從而提出了地源熱泵空調(diào)新技術(shù)。
在國(guó)外,地源熱泵真正意義的商業(yè)應(yīng)用也只有近十幾年的歷史,但發(fā)展相當(dāng)迅速。如美國(guó),截止1985年全國(guó)共有14000臺(tái)地源熱泵,而1997年就安裝了45000臺(tái),而且每年以10%的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。1998年美國(guó)商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調(diào)總保有量的19%,其中新建筑中占30%。
與美國(guó)有所不同,中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國(guó)等國(guó)家主要利用淺層地?zé)豳Y源,地下土壤埋盤管(埋深小于400m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(jì),在家用的供熱裝置中,地源熱泵所占比例,瑞士為96%,奧地利為38%,丹麥為27%。
安全省地方面
熱泵系統(tǒng)在冬季供熱時(shí)省去了鍋爐房系統(tǒng),沒有燃燒過程,無燃燒設(shè)備,避免了有害煙塵和有害物質(zhì)的排放,從而不存在爆炸、燃燒的隱患。熱泵機(jī)組運(yùn)行安全、可靠、穩(wěn)定,幾乎不受天氣及環(huán)境溫度變化的影響,符合環(huán)保理念。
與燃?xì)夂腿加湾仩t系統(tǒng)相比,省去了儲(chǔ)油設(shè)備和燃?xì)夤艿赖姆笤O(shè),若是燃煤鍋爐系統(tǒng)則可以省去鍋爐房及與之配套的煤場(chǎng)和渣場(chǎng),而夏季制冷時(shí)則可以省去冷卻塔所占面積,大大減少了機(jī)房的占地面積,節(jié)約了土地資源,產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益,并改善了建筑物的外部形象,提高了建筑物的使用率。
高效節(jié)能方面
地溫一年四季基本穩(wěn)定,使得熱泵無論在制冷或制熱工況中均處于高效率。冬季,投入1kw電能,可以得到4kw左右的熱能;夏季,投入1kw的電能,可以得到5kw以上的冷量。系統(tǒng)的高效率,壓縮機(jī)的低能耗,使運(yùn)行費(fèi)用大幅減少,只有傳統(tǒng)方式的2/3。
熱泵系統(tǒng)之所以節(jié)能,很重要的一點(diǎn)就是換熱器位置的設(shè)置,傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)中,不管是水冷或風(fēng)冷,其換熱器對(duì)建筑立面造型均起一定的破壞作用。水冷換熱器須配置冷卻塔,且必須置于大氣中,風(fēng)冷機(jī)組也一樣,都要暴露于建筑物之上的大氣之中,這難免要對(duì)建筑立面造型造成不好的影響。風(fēng)冷換熱器和水冷換熱器的換熱環(huán)境均為大氣,和大氣換熱不可避免地受到環(huán)境條件變化的影響。在夏季,當(dāng)室外溫度達(dá)到40 ℃時(shí),由于換熱效率的降低,主機(jī)的制冷量將下降20 %~40 %;在冬季,當(dāng)室外溫度下降到- 10 ℃時(shí),供熱量將下降到15 %~30 % ,而且要反復(fù)地沖霜來保證機(jī)組的正常運(yùn)行。而對(duì)于地源熱泵機(jī)組來講,換熱過程是和大地來完成的,換熱對(duì)象是1.5 m以下的地層,其初始溫度大約等于年平均氣溫,一般在14~16 ℃左右,基本不受外界環(huán)境的影響。
環(huán)境保護(hù)方面
眾所周知,普通空調(diào)對(duì)環(huán)境的影響是不言而喻的,它不僅對(duì)大氣臭氧層造成嚴(yán)重破壞。夏季,風(fēng)冷機(jī)組將廢熱排入大氣,使室外溫度升高,還將水蒸氣帶入大氣中;冬季,風(fēng)冷機(jī)組吸收大氣環(huán)境中的熱量,導(dǎo)致惡劣的大氣環(huán)境更加惡劣。因此,要保證空調(diào)運(yùn)行對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生任何影響,必須要改變換熱對(duì)象,即不與大氣換熱,而變成與大地?fù)Q熱。在換熱過程中,地下?lián)Q熱器在夏季將多余的熱量排到大地中,在冬季又將熱量取回,以達(dá)到冬夏取散熱量平衡,達(dá)到制冷和供暖的目的。
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