水源熱泵與節能

合理用能技術(shù)系摘要:對水源熱泵空調進(jìn)行與簡(jiǎn)單的介紹,分析其節能機理與帶危節能效果。關(guān)鍵詞:熱泵空調水源熱泵地源熱泵○浙江省建筑設計研究院楊紹胤1、水源熱泵的概況中的熱量轉移到水源中,由于水源溫度低,所以1.1熱泵可以高效地帶走熱量。而冬季,則從水源中提取通常熱量是從高溫物體傳到低溫物體。但能量,由熱泵原理通過(guò)空氣或水作為載冷劑提是通過(guò)少量的高位電能輸入熱泵( heat pump)升溫度后送到建筑物中。做工,可以使熱量從低溫熱源傳到高溫物體,13水源熱泵的形式實(shí)現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術(shù)。通水源熱泵根據對水源的利用方式的不同,過(guò)熱泵中蒸發(fā)器和冷凝器的轉換,進(jìn)行供冷或可以分為閉式系統和開(kāi)式系統兩種。閉式系統供熱。是指在水側為一組閉式循環(huán)的換熱套管,該組熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中,中獲取低品位熱,經(jīng)過(guò)電力做功,輸出能利用的通過(guò)與土壤或湖水海水換熱來(lái)實(shí)現能量轉移。高品位熱的設備。(其中埋于土壤中的系統又稱(chēng)地源熱泵,埋于海按照取熱來(lái)源不同一般分為水源、地源和水中的系統又稱(chēng)海水源熱泵)。開(kāi)式系統是指從空氣源熱泵三種。地下抽水或地表抽水后經(jīng)過(guò)換熱器直接排放的1.2水源熱泵系統。水源熱泵( water source heat pump,WSHP水源熱泵供冷(熱)有集中和分布式兩種方是以水為熱源,可進(jìn)行制冷/制熱循環(huán)的一種熱式,全部采用集中冷卻或加熱。集中供冷(熱)以泵型水一空氣空調裝置。這是近年來(lái)發(fā)展的一水為冷媒,末端為水風(fēng)機盤(pán)管。分布式供冷(熱)種節能、清潔的釆暖空調一體化新型空調裝置。末端為制冷劑風(fēng)機盤(pán)管。水源熱泵供熱時(shí)從水中提取熱,經(jīng)電力壓13.1水環(huán)式熱泵縮機對循環(huán)的工質(zhì)做功,可以達到輸出溫度水環(huán)式熱泵( Water loop heat pump,52℃的熱水。水源熱泵技術(shù)可以利用地球表面WLHP)是水源熱泵或水/空氣熱泵的一種形式淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽(yáng)通過(guò)水環(huán)路將眾多的水/空氣熱泵機組并聯(lián)起能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源。地球來(lái)工作。表面淺層水源如深度在1000米以?xún)鹊牡叵滤?、它利用循環(huán)水作水源,可用冷卻塔作為系地表的河流、湖泊和海洋吸收了太陽(yáng)的輻射能統的冷卻設備。分體式水源熱泵機組,將熱泵機量,并且水源的溫度一般都十分穩定。組的主機裝在外面吊頂內。噪聲可控制在35dB水源熱泵的工作原理就是在夏季將建筑物(A中國煤化工在13℃-32℃(即常CNMHG作者簡(jiǎn)介】楊紹胤,男,1962年浙江大學(xué)熱能工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè),教授級高工。Shanghai Energy Conservation2004No.5上海節能◆23合理用能技術(shù)溫水),管道不會(huì )有結露現象,不需保溫,也不會(huì )壓縮機冷媒有結垢現象。132地源熱泵地源熱泵( geothermal heat pump,GHP)是冷凝器蔡發(fā)器利用地下常溫土壤或地下水溫度相對穩定的特性,通過(guò)深埋于建筑物周?chē)墓苈废到y或地下水與建筑物內部完成熱交換的裝置。它完全不需要任何的人工熱源,徹底取代了鍋爐或市政圖1水源熱泵制冷工況(水空氣方式)管網(wǎng)等傳統的供暖方式和中央空調系統。冬季壓縮機它代替鍋爐從土壤中取熱,向建筑物供暖;夏季它代替普通空調向土壤排熱給建筑物制冷。同冷凝器蒸發(fā)器時(shí),它還能供應生活熱水,被稱(chēng)為二十一世紀的綠色空調技術(shù)”圖2水源熱泵制冷工況(水-水-空氣方式)2、水源熱泵空調的工作原理2.2供熱工況目前使用的熱泵大致可分為兩大類(lèi):即空通過(guò)四通換向閥的切換,使制冷工況時(shí)的氣一空氣熱泵和水一空氣熱泵。前者通過(guò)由室冷凝器與蒸發(fā)器轉換。而制冷工況時(shí)的蒸發(fā)器內蒸發(fā)換熱器吸取熱量,經(jīng)壓縮后由室外冷凝這時(shí)變?yōu)槔淠?。通過(guò)蒸發(fā)器吸收水的熱量。熱換熱器向外界空氣的放熱,形成一個(gè)制冷循環(huán)泵在循環(huán)過(guò)程中,從冷凝器向室內循環(huán)空氣放系統。采暖時(shí),通過(guò)換向閥的轉換,改制冷循環(huán)熱。從其運行原理中可以看到這時(shí)熱源來(lái)自流為制熱逆向循環(huán),吸收外界的熱量來(lái)供熱,形成過(guò)蒸發(fā)器中的水。一個(gè)制熱循環(huán)系統。此類(lèi)熱泵空調供冷、釆暖運行時(shí)受室外環(huán)境氣溫的影響很大。當室外氣溫3、水源熱泵的發(fā)展過(guò)高或太低時(shí),其制冷和供熱的能效比大幅下水源熱泵機組在二十世紀60年代起源于降,甚至于無(wú)法正常工作美國加利福尼亞州。以其調節靈活,可同時(shí)供冷水一空氣熱泵的冷、熱源介質(zhì)為水(故簡(jiǎn)稱(chēng)供暖,建筑熱回收效果好(能充分利用生活廢熱水源熱泵)。其工作原理為在制冷循環(huán)時(shí),向水及自然界能源如:太陽(yáng)能、地熱能等),系統布置中放熱而制冷;供暖時(shí)則從水中吸取熱量而制緊湊簡(jiǎn)潔、靈活,設計、施工及運行管理便捷等熱。因為水的焓值遠遠大于空氣,所以水源熱泵特點(diǎn),在市場(chǎng)的銷(xiāo)售逐年增加。廣泛運用于工業(yè)設備的制冷和釆暖的能效比值非常高。廠(chǎng)房、艦船、潛艇、賓館、醫院、寫(xiě)字樓等。2.1制冷工況31水源熱泵在國外壓縮機把蒸發(fā)換熱器吸取熱量產(chǎn)生的低壓在國外,關(guān)于水源熱泵的研究分屬于兩種冷媒蒸汽,經(jīng)壓縮后的高壓高溫冷媒蒸氣進(jìn)入冷熱泵系統:一種為地源熱泵,一種為海水源熱凝器,通過(guò)與水的熱交換而使高壓冷媒冷凝為高泵。其中地源熱泵真正意義的商業(yè)應用也只有壓液體再經(jīng)節流閥膨脹后進(jìn)入蒸發(fā)器由此對空近中國煤化工當迅速。如美國,截氣進(jìn)行冷卻。(圖12)很顯然,這一過(guò)程與一個(gè)帶止YHCNMHG地源熱泵,而1997水冷冷凝器的整體式空調機組的運行完全相同。年就安裝了45,000臺,到目前為止已安裝了2方擇 Shanghai Energy Conservation 2004. NO5合理用能技術(shù)400,000臺,而且每年以10%的速度穩步增長(cháng)。家的經(jīng)濟發(fā)展狀況和政策的影響,在相當長(cháng)的1998年美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統已占空調時(shí)期內,北方一般以燃煤鍋爐解決冬季取暖問(wèn)總保有量的19%,其中新建筑中占30%。美國地題,南方以水冷機組解決夏季制冷問(wèn)題。在二十源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了由美國能源環(huán)境研究中世紀八十年代以后,制冷機組的方式開(kāi)始多樣心美國地下水資源聯(lián)合會(huì )、愛(ài)迪生電力研究所化,此時(shí),出現了溴化鋰機組、風(fēng)冷機組,機組的及眾多地源熱泵制造設計銷(xiāo)售公司以及政府機容量也從原有的大中型機組過(guò)渡為大中小型機構和建筑商等146家成員組成的美國地源熱泵組。在二十世紀九十年代以后,對于取暖方式也協(xié)會(huì ),該協(xié)會(huì )在近年中將投入一億美元從事開(kāi)開(kāi)始有新的嘗試和探討,特別是隨著(zhù)可持續發(fā)展發(fā)、研究和推廣工作。美國計劃到2001年達到每和公眾環(huán)保意識的提高,世界和中國能源利用的年安裝40萬(wàn)臺地源熱泵的目標,其中,水源熱泵結構都正在轉變,從原有的煤、石油取暖過(guò)渡到占15%,屆時(shí)將降低溫室氣體排放1百萬(wàn)噸,相以天然氣及電等清潔能源。北京作為大氣污染最當于減少50萬(wàn)輛汽車(chē)的污染物排放或種植樹(shù)1為嚴重的城市之一,其治理大氣污染的政策中就百萬(wàn)英畝,年節約能源費用達42億美元,此后,包括能源結構的調整,從以煤為主改為天然氣和每年節約能源費用再增加17億美元。電力替代能源。但是,替代能源雖然可以部分解近十幾年來(lái),尤其是近五年來(lái),水源熱泵空決大氣污染的問(wèn)題,可是天然氣和石油等都屬于調系統在北美如美國加拿大及中、北歐如瑞士、不可再生的能源,從可持續發(fā)展的角度看,必須瑞典等國家取得了較快的發(fā)展。與美國的地源熱提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源,而泵發(fā)展有所不同,中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、水源熱泵機組就是比較理想的一種設備。德國等國家主要利用淺層地熱資源,地下土壤埋國內的水源熱泵制造廠(chǎng)商中清華同方人工盤(pán)管(埋深<400米深)的地源熱泵,用于室內地環(huán)境設備公司、山東海陽(yáng)富爾達是比較早的水板輻射供暖及提供生活熱水。據1999年的統計,源熱泵制造廠(chǎng)家,但目前也有相當多的制冷空家用的供熱裝置中,地源熱泵所占比例,瑞士為調廠(chǎng)家將其普通的水冷機組改造為水源熱泵。96%,奧地利為38%,丹麥為27%。同時(shí),中、北歐中國的水源熱泵的研究和應用才剛剛起步,與海水源熱泵的研究和應用也比較多。國外相比,在熱泵機組的優(yōu)化設計和工程應用32水源熱泵在中國上還存在較大差距。中國最早在50年代,就曾在上海、天津等目前,世界特別看好中國的市場(chǎng)。美國能源地嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷,天津部和中國科技部于1997年11月簽署了中美能大學(xué)熱能研究所開(kāi)展了我國熱泵的最早研究,源效率及可再生能源合作議定書(shū),其中主要內容1965年研制成功國內第一臺水冷式熱泵空調之一是“地源熱泵”,該項目擬在中國的北京、杭機。目前,國內的清華大學(xué)、天津大學(xué)重慶建筑州和廣州3個(gè)城市各建一座采用地源熱泵供暖大學(xué)、天津商學(xué)院、中國科學(xué)院廣州能源研究所空調的商業(yè)建筑,以推廣運用這種“綠色技術(shù)”,等多家大學(xué)和研究機構都在對水源熱泵進(jìn)行研緩解中國對煤炭和石油的依賴(lài)程度,從而達到能究。其中清華大學(xué)經(jīng)過(guò)多年的研究多工況水源源資源多元化的目的。200年6月19至23日在熱泵已形成產(chǎn)業(yè)化的成果,已建成數個(gè)示范工北京申國家科學(xué)技術(shù)部高新技術(shù)開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化程。在香港,目前正在推廣采用水冷空調代替風(fēng)司中國煤化工流會(huì ),會(huì )議的主題就冷空調。中國的水源熱泵市場(chǎng)日趨活躍。是CNMHG宅小區或公用樓宇在中國的傳統的空調系統概念中,由于國釆暖制冷,大幅降低運行費用的節能解決方案。Shanghai Energy Conservation2004No5上海節能◆25合理用能技術(shù)水源熱泵空調最大特點(diǎn)是構造簡(jiǎn)單、運行4.2水源熱泵的節能穩定、可靠、高效節能。最大的缺點(diǎn)是由于主機空氣源熱泵( air source heat pump,ASHP)安裝于室內,噪聲較大,所以過(guò)去一般都用在機以空氣為熱源,理論上可以不受資源限制,可在房、廠(chǎng)房、商場(chǎng)等場(chǎng)所。目前一些廠(chǎng)家繼承并發(fā)任何地區運用。大部分的冷暖空調就是這種產(chǎn)揚了該機型原有優(yōu)點(diǎn),完全解決了機組噪聲問(wèn)品,它的供熱是通過(guò)直接產(chǎn)生熱風(fēng)或產(chǎn)生45℃題。水源熱泵空調由于創(chuàng )新性的采用了分體結熱水后再產(chǎn)生熱風(fēng)實(shí)現的?？諝庠礋岜萌嶙顦?將壓縮機同送風(fēng)風(fēng)機分置于兩個(gè)箱體,且均方便,是節能、環(huán)保、安全的理想方式,在我國長(cháng)內襯吸聲材料,故而噪聲得以太幅降低。如制冷江流域的夏熱冬冷地區正得到大力的推廣應量為5kW的水源熱泵空調機組噪聲為45dB。用。但在黃河流域的寒冷地區、冬季由于室外溫水源熱泵空調系統因而得到進(jìn)一步發(fā)展。度低于-5℃時(shí),出水溫度降低,設備出力降低,經(jīng)過(guò)40年的不斷發(fā)展,尤其近十年來(lái)隨著(zhù)如仍按傳統模式,由空氣熱泵與風(fēng)機盤(pán)管組成高新技術(shù)的迅速發(fā)展,該熱泵系統的質(zhì)量得到的空調系統就難于產(chǎn)生足夠的可用于采暖的熱可靠的保證,其節能效果更加顯著(zhù),是目前市場(chǎng)風(fēng)?？諝庠礋岜玫哪苄П纫人礋岜玫?。上真正意義上買(mǎi)得起用得起的中央空調。與鍋爐(電、燃料)和空氣源熱泵的供熱系統相比,水源熱泵具明顯的優(yōu)勢。鍋爐供熱只能4、水源熱泵與節能將90%98%的電能或70~90%的燃料內能轉化4.1水源熱泵的能效比為熱量,供用戶(hù)使用,因此水源熱泵要比電鍋爐空氣調節系統的重要指標是能效比和性能加熱節省三分之二以上的電能,比燃料鍋爐節系數,有時(shí)這兩者不區分。省二分之一以上的能量。由于水源熱泵的熱源能效比( Energy Eficient Ratio,EER)指在溫度全年較為穩定,一般為10~-25℃,其性能系額定工況和額定條件下,空調器進(jìn)行制冷時(shí),制數與傳統的空氣源熱泵相比,要高出4%左右,冷量與有效輸入功率之比,其值用Ww表示。其運行費用為普通中央空調的50-60%性能系數( Coefficient of Performance, COP分布式水源熱泵空調具有中央空調合理利指在額定工況和額定條件下,空調器進(jìn)行熱泵制熱用能源設備性能系數高,運行成本低和安全、可時(shí),熱量與有效輸人功率之比,其值用W/w表示?？康葍?yōu)點(diǎn)。又具有分體空調調節靈活、方便,便于通常水源熱泵消耗kW的能量用戶(hù)可以得到管理和收費,可利用大量低位熱能(如井水、地下4W以上的熱量或冷量,其能效比為46。比直接用水、江、河湖水電廠(chǎng)冷卻循環(huán)本、礦井水及工業(yè)電采暖要節省電力72%。夏季,又可以利用同一裝置余熱等作熱源)等優(yōu)點(diǎn)。因此,在我國廣大城市的制冷。一機多用,既節省初投資,又節省運行費用。公共建筑(辦公樓、商住樓、商場(chǎng)等)住宅建筑水源熱泵可以達到的能效比EER554,性上得到了廣泛的應用。能系數COP5.0。水源熱泵式中央空調還得到了北京2008冷水機組在名義工況時(shí)的能效比EER見(jiàn)表1奧運會(huì )的青睞,成為2008北京奧運會(huì )指定選用表1冷水機組在名義工況時(shí)的能效比EER的空調。北京科技財富中心選用了水源熱泵,他們以領(lǐng)跑者的姿態(tài)引導辦公樓進(jìn)人了一個(gè)全新電動(dòng)壓縮機類(lèi)到住復式兩旋式媒桿式離心式冷水機組的中國煤化工革命。風(fēng)冷2.48-2.572.48-2.572.48-2.572.46-2.6CNMH會(huì )成為21世紀最有水冷3.5-3.63.55-3.653.65-3.854.5-4.7效的供熱和供冷空調技術(shù)。26◆上海節能 Shanghai Energy Conservation2004No5