地源熱泵節(jié)能技術論文(2)
時間:2022-02-24
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中圖分類號：TM08 文獻標識碼：A 文章編號：
一、前言
人類社會經(jīng)濟的發(fā)展，是以浪費能源為代價。由于長期以來人們對能源消耗沒有引起足夠重視，而使得大量的能源被浪費。隨著近些年能源短缺，人們逐漸加強了對能源利用的關注程度。地源熱泵技術是一種新型的能源利用技術，是利用豐富的地能來實現(xiàn)冬季取暖，夏季采涼的先進技術。由于地能具有清潔無污染、能源取之不竭等特點，因此，地源熱泵技術的開發(fā)和應用必將成為未來能源利用技術中的主要組成部分。
二、地源熱泵節(jié)能系統(tǒng)的組成
1、地源熱泵系統(tǒng)的構(gòu)成
地源熱泵系統(tǒng)主要分三部分:室外地能換熱系統(tǒng)、地源熱泵機組和室內(nèi)采暖、采冷空調(diào)末端系統(tǒng)。其中地源熱泵機主要有兩種形式:水一水式、水一土壤或水一空氣式。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進行熱量的傳遞,地源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水,與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣。其中地源熱泵機組是其核心設備。
2、熱泵的組成
熱泵與制冷的原理和系統(tǒng)設備組成及功能是一樣的,對蒸氣壓縮式熱泵(制冷)系統(tǒng)主要由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流閥組成。
壓縮機:起著壓縮和輸送循環(huán)工質(zhì)從低溫低壓處到高溫高壓處的作用,是熱泵(制冷)系統(tǒng)的心臟;
蒸發(fā)器:是輸出冷量的設備,它的作用是使經(jīng)節(jié)流閥流人的制冷劑液體蒸發(fā),以吸收被冷卻物體的熱量,達到制冷的目的;
冷凝器:是輸出熱量的設備,從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走,達到制熱的目的;
膨脹閥或節(jié)流閥:對循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用,并調(diào)節(jié)進人蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量。
3、熱泵的工作原理
熱泵的主要工作過程是:壓縮機吸人蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生的低溫低壓制冷劑蒸氣,保持蒸發(fā)器內(nèi)的低壓狀態(tài),創(chuàng)造了蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑液體不斷地在低溫下吸收載冷劑熱量而沸騰的條件;吸人的蒸氣經(jīng)過壓縮,其溫度、壓力升高,創(chuàng)造了制冷劑被液化的條件;高溫高壓蒸氣排人冷凝器后,在壓力保持不變的情況下,被冷卻介質(zhì)(水)冷卻,放出熱量,溫度降低,并進一步凝結(jié)成液體,從冷凝器排出;高壓制冷劑液體經(jīng)過節(jié)流閥時,因受阻而使壓力下降,導致部分制冷劑液體氣化,吸收氣化潛熱,使其本身的溫度也相應降低,成為低溫低壓下的濕蒸氣,進人蒸發(fā)器;在蒸發(fā)器中,制冷劑液體在壓力不變的情況下,吸收載劑(水)的熱量(即制取冷量)而氣化,形成的低壓低溫蒸氣又被壓縮機吸走,如此周而復始的往復循環(huán)。
4、 熱泵的節(jié)能和能效
熱泵的節(jié)能主要是體現(xiàn)在它可以將較低的能量轉(zhuǎn)換成較高的能量，在地源熱泵技術的應用中主要表現(xiàn)在消耗較少的電能，再利用熱泵轉(zhuǎn)換出較多的熱能，以供用戶取暖。 據(jù)相關研究顯示，當熱泵消耗 1單位的電能時，就可以產(chǎn)生 3-5 單位的熱能，這不僅能使能源利用率得到很大提升，也具有更高的經(jīng)濟性。
三、地源熱泵節(jié)能特點
地表淺層土壤熱資源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季的地表淺層土壤比環(huán)境空氣溫度高，夏季的地表淺層土壤比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵冷熱源。地表土壤的溫度特性使地源熱泵的運行效率比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)高并且相對節(jié)能。地源熱泵是利用淺層土壤地熱資源作為冷熱源進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。這種儲存于地表淺層的可再生能源，使地能成為一種可再生能源。地熱源熱泵系統(tǒng)可供暖、供冷，可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于賓館和學校生產(chǎn)、生活用熱水，能產(chǎn)生顯著的效益。
四、三種地源熱泵系統(tǒng)
地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)所利用的地熱資源分為地下水源熱泵系統(tǒng)、地表水熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)三類。
1、地下水熱泵系統(tǒng)
(l)地下水熱泵系統(tǒng)工作原理
地下水熱泵系統(tǒng),也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。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(jīng)
提取熱量或釋放熱量后,再由回灌井群灌回地下。
(2)地下水熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點
①節(jié)約能量,環(huán)保無污染。在整個采暖和制冷過程中,只向水源中吸熱或者排熱,并不消耗水量也不污染水。
?、诠?jié)省面積。不使用冷水塔,不消耗冷卻水,節(jié)省占地面積
?、劢?jīng)濟價值高。
(3)地下水熱泵系統(tǒng)的缺點
大量利用水資源,適宜于地下水資源豐富的地區(qū),否則若處理不當易造成地面下沉。
2、地表水熱泵系統(tǒng)的工作原理
(l)地表水熱泵系統(tǒng)的工作原理
地表水熱泵系統(tǒng)。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、海水以及再生水作為熱泵的冷熱源。
(2)地表水熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點
在10米或更深的湖中,可提供10℃的直接制冷,比地下埋管系統(tǒng)投資要小,水泵能耗較低,高可靠性,低維修要求、低運行費用,在溫暖地區(qū),湖水可做熱源。
(3)地表水熱泵系統(tǒng)的缺點
在淺水湖中,盤管容易被破壞,由于水溫變化較大,會降低機組的效率。
3、地下埋管的地源熱泵系統(tǒng)
(l)土壤源熱泵系統(tǒng)的工作原理
土壤源熱泵系統(tǒng)是把熱交換器埋于地下,通過水再由管道(一般為高強度塑料管)組成的封閉環(huán)路中循環(huán)流動,從而實現(xiàn)與大地土壤進行冷熱交換的目的。夏季通過機組將房間內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)了能量的季節(jié)轉(zhuǎn)換。按土壤熱交換器形式分為垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)、水平埋管地源熱泵系統(tǒng)。
(2)垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)
垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點有:較小的土地占用,管路及水泵用電少,其缺點是鉆井費用較高。
(3)水平埋管地源熱泵系統(tǒng)
水平埋管地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點:安裝費用比垂直式埋管系統(tǒng)低,應用廣泛,使用者易于掌握.
(4)地下埋管的地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)點
?、贉囟确€(wěn)定,全年波動較小,冬季土壤溫度比空氣高,因此熱泵的制熱系數(shù)較高;
②土壤的傳熱盤管埋于地下,熱泵運行中不需要通過風機或水泵采熱,無噪聲,換熱器也不需要除霜;
?、弁寥烙行钅茏饔?。
五、地源熱泵節(jié)能系統(tǒng)的應用
1、地源熱泵系統(tǒng)的適用條件
地源熱泵系統(tǒng)一般是利用了地下30m至300m深、溫度既不低又不高的恒溫帶作為熱泵系統(tǒng)的“源”與“匯”的地下環(huán)境,和全年空調(diào)熱泵自身既需夏季排熱和又需冬季取熱的特點。為確保了熱泵的高效、穩(wěn)定、和可持續(xù)地運行,地源熱泵系統(tǒng)的建設一般應遵循以下適用條件:
(1)全年室外空氣平均溫度(或地下恒溫帶溫度)處于10一20℃的地域;
(2)具有經(jīng)濟打井的地質(zhì)條件和擁有合適淺層地下水資源的地域;
(3)全年向地下總排熱量和總?cè)崃肯嗟然蚪咏墓峁├涔こ?否則就需采用一些工程的輔助與補救措施;
(4)夏季供冷溫度不低于5℃,冬季供熱溫度不高于60℃的工程;
2、地源熱泵系統(tǒng)的應用方式
地源熱泵的應用方式從應用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類,從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。
(l)家用系統(tǒng)
用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統(tǒng)進行冷熱供應,多用于小型住宅,別墅等戶式空調(diào)。
(2)集中系統(tǒng)
熱泵布置在機房內(nèi),冷熱量集中通過風道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。
(3)分散系統(tǒng)
用戶單獨使用自己的熱泵機組調(diào)節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學校、商用建筑等,此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反應在用電上,便于計量,適用于目前的獨立熱計量要求。
(4)混合系統(tǒng)
將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷熱源的系統(tǒng),混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似,只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。
六、地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點
1、高效節(jié)能,穩(wěn)定可靠
地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩(wěn)定,土壤與空氣溫差一般為17度,冬季比環(huán)境空氣溫度高,夏季比環(huán)境空氣溫度低,是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源,這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高40%一60%,因
此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40%一50%左右。通常地源熱泵消耗IKW的能量,用戶可以得到5KW以上的熱量或4KW以上冷量,所以我們將其稱為節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)。
2、無環(huán)境污染
地源熱泵的污染物排放,與空氣源熱泵相比,相當于減少40%以上,與電供暖相比,相當于減少70%以上,真正的實現(xiàn)了節(jié)能減排。
3、一機多用
地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷,還可供生活熱水,一機多用,一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。
4、維護費用低
地源熱泵系統(tǒng)運動部件要比常規(guī)系統(tǒng)少,因而減少維護,系統(tǒng)安裝在室內(nèi),不暴露在風雨中,也可免遭損壞,更加可靠,延長壽命。
5、使用壽命長
地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管,壽命可達50年。要比普通空調(diào)高35年使用壽命。
6、節(jié)省空間
沒有冷卻塔、鍋爐房和其它設備,省去了鍋爐房,冷卻塔占用的寶貴面積,產(chǎn)生附加經(jīng)濟效益,并改善了環(huán)境外部形象。
七、結(jié)束語
中國具有應用地源熱泵技術的廣闊市場與條件，加之地源熱泵技術本身具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢，地源熱泵技術的應用前景十分廣闊。
參考文獻：
王敏，地源熱泵的應用進展.建筑熱能通風空調(diào)，2012
張鑫，地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計施工中應注意的問題.建筑技術，2011
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