地源热泵空调系统的技术探讨
地源热泵空调系统的技术探讨 摘要:随着我国经济的发展,人们生活水平的不断提 高,空调已成为人们日常生活中不可缺少的电器之一。由 于空调所占的能耗比重较高,因此,降低能耗是当前面临 的问题。本文作者主要就地源热泵空调的节能与环保进行 了分析,并指出了其相关的工作原理和带来的效益。 关键词:地源热泵;中央空调系统 中图分类号:TK52文献标识码:A 由于地源热泵适用范围广,运行费用低,节能和环保 效益显著已得到广泛的应用,采用地源热泵技术可以有效 地提高一次能源利用率,减少温室效应气体C02和其它燃 烧产生的污染物的排放,是一种可持续发展的建筑节能新 技术。 .热泵原理 在自然环境中,水从高处往低处流动,热量由高温处 向低温处传递,而热泵(制冷机)是通过作功使热量从温度 低的介质流向温度高的介质的装置。热泵工作原理是:由 电能驱动压缩机,使工质(如H22 )循环流动反复发生物理 相变过程,分别在蒸发器中汽化吸热、在冷凝器中液化放 热,使热量不断得到交换传递,并通过阀门切换使机组实 现制热(或制冷)功能。 在制冷模式时:高温高压的制冷剂气体从压缩机出 来后进入制冷剂的冷凝器,向水中排放热量而冷却成高压 液体,并使水温升高(此高温水的热量通过埋设在土壤中的 管道传给了土壤)O到膨胀阀节流膨胀成低压液体进入蒸发 器蒸发成低压蒸汽,同时吸收(蒸发吸热)水(或空气)的热 量。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体,如此 循环不止。水(或空气)温度被蒸发器降低用来冷却环 境。 在供热模式时:高温高压的制冷剂气体从压缩机出 来后进入制冷剂的冷凝器,向水中排放热量而冷却成高压 液体。到膨胀阀节流膨胀成低压液体进入蒸发器蒸发成低 压蒸汽,同时吸收(蒸发吸热)水(或空气)的热量将水冷却 (此“冷量”通过埋设在土壤中的管道传给了土壤)。低压 制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体,如此循环不止。 水(或空气)的温度被冷凝器升高用给环境供热。 由此可见,热泵与制冷机的工作原理和过程是相同的。 热泵与制冷机在名称上的差别只是反映了在应用目的上的 不同:如果以得到高温的热量为主要目的,则一般称为热 泵;如果目的是从低温热源除去热量,或称得到冷量,则 叫做制冷机(空调)。建筑空调系统一般应满足冬季供热和 夏季制冷两种要求,传统的空调系统通常需分别设置冷源 (制冷机)和热源(锅炉)O建筑空调系统如果在冬季以热泵 的方式运行,则可以省去锅炉和锅炉房,而且全年仅采用 电力这种清洁能源,彻底解决了大气污染问题。与直接把 电能转换为热能的电锅炉相比,采用热泵空调系统供热的 电耗仅为前者的1 /3-1/4,可以大大节省运行费用。 .热泵的主要优点 采用热泵为建筑物供热可以大大降低一次能源的消耗。 通常,我们通过直接燃烧矿物燃料(煤、石油、天然气)产 生热量,并通过若干个传热环节最终为建筑供热。在锅炉 和供热管线没有热损失的理想情况下,由于传热温差,一 次能源利用率(即为建筑物供热的热量与燃料发热量之比) 不可能超过100%。如果先利用燃烧燃料产生的高温热能发 电,然后利用电能驱动热泵从周围环境中(土壤、地下水、 空气)吸收低品位的热能,适当提高温度再向建筑供热,就 可以充分利用燃料中的高品位能量转化成的电能,大大降 低用于供热的一次能源消耗。地源热泵的性能系数(即COP 值)通常大于4,即地源热泵每输入IkW的电能,能输出 4kW的冷热能量,扣除过程损耗因素,性能系数仍然在以上, 从而高效利用了土壤或地下水这种可再生的清洁能源。而 直接燃煤制热系数为,直接用电供暖制热系数为。从夏季 制冷上来说,其性能系数比普通家用空调效率高一倍以 上,比大型中央空调高20 %以上,运行费用每年每平方米 仅为25-3 3元,比常规中央空调系统低40%左右。地源 热泵中央空调系统没有冷却塔,不向空中排放热量,不消 耗冷却水,因此没有热岛效应,避免了冷却塔的噪声。地 源热泵中央空调系统无锅炉等燃烧设备,不可能产生二氧 化碳、一氧化碳之类的废气,也不存在丙烷气体,因而不 会有发生爆炸的危险,使用安全。由于土壤深处温度非常 恒定,主机吸热或放热不受外界气候影响,运行工况非常 稳定,不存在空气源热泵供热不足,甚至不能制热的问题。 整个系统的维修量维护费用也较锅炉一制冷机系统大大减 少,正常情况下自动运行,不需要有人值班。地源热泵系 统不消耗水资源,省去了锅炉房、煤场、储油房、冷却塔 等设施,节省了建筑空间,不产生任何废水、废气、废渣, 不对环境产生任何污染,因此节省了建筑空间。由此可见 具有高效节能环保安全的优点。 .系统组成 地源热泵空调系统主要包括三个回路:用户回路、制 冷剂回路和地下热交换器回路。地源温度较恒定的特性, 使得热泵机组运行更可靠、稳定,整个系统的维护费用也 较锅炉一制冷机系统大大减少,保证了系统的高效性和经 济性。 地热换热器环路 由高强度塑料管组成的在地下循环的封闭环路,循环 介质为水(或防冻剂溶液)。冬季 从周围土壤(地层)吸收热量,夏季向土壤(地层)释放 热量,其循环有一台小功率的循环泵来实现。地热换热器 的设计是否合理是决定埋管式地源热泵系统运行的可靠性 和经济性的关键。要取得合理设计地热换热器基础数据, 必须测定现场深层岩土热物性。制约地源热泵系统应用的 主要障碍是在地下埋管的投资较高。 制冷剂环路 即在热泵机组内部的制冷循环,与空气源热泵相比, 只是将空气一制冷剂换热器换成水一制冷剂换热器,其它 结构基本相同。 室内环路 室内环路在建筑物内和热泵机组之间传递热量,传递 热量的主要介质为水,热量(冷量)通过风机盘管释放到房 间。 .主要型式 地源热泵的地下环路中的介质是水(或防冻剂溶液), 根据其供热(冷)介质(承担室内负荷的介质)的组合方式不 同,地源热泵主机可分为:水一水系统、水一冷剂系统、 水一空气系统热泵。与此相应的空调系统型式主要有三 种: ①水一水系统 水一水系统热泵主机的制冷工况与普通冷水机组的功 能相同,即它是空调系统的冷源,为空调系统的末端装置 提供冷冻水(二次冷媒)。在供热工况(热泵运行方式),能 够为空调系统提供45°C-55°C的热水。在选用该型主机 时,应着重注意两点:一是空调系统供热工况末端装置的 选择、设计应与热媒参数相匹配;二是该型主机制冷与供 热工况间的转换一般是通过机外二次冷媒水与地热换热器 循环水流道切换实现的,因此水系统的设计应满足这一要 求。 水一冷剂系统 水一冷剂系统热泵主机与冷、热两用的家用分体式空 调的工作原理基本相同。不同的是它利用地热换热器循环 水作为热泵制冷工况的冷却水和供热工况的低温热源。家 用分体空调中体积庞大、噪声污染严重的室外机被两根循 环水管所取代。由该型热泵主机组成的空调系统与风机盘 管系统基本相同。只是前者承担室内负荷的是制冷剂,而 后者是冷冻(热)水。因此,该型热泵主机的选择、设计、 安装与控制可参照风机盘管系统进行。 水一空气系统 水一空气系统热泵主机与全空气系统中空调机组的作 用相同。不同的是前者自身具备冷、热源,其蒸发器(或冷 凝器)相当于空调机组的表冷器(或加热器)。因此,该型热 泵主机的热效率