地源热泵系统的节能特性分析与评价指标
地源热泵技术的主要优点: 1. 高效:一般空调对着空气换热称为风冷热泵,缺点在于天气炎热或者寒冷最需要冷量 或热量时效率反而下降。地温一年四季基本恒定在16°C左右,略高于该地区平均温度1到 2度,使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点。 2. 节能省费用:冬季运行时,COP约为4.2,即投入1KW电能,可得到4KW的热能, 夏季运行时,COP可达5.3,投入1KW电能,可得到5KW的冷量,能源利用效率为电采 暖方式的3-4倍;并且热交换器不需要除霜,减少了结霜和除霜的用电能耗。比常规空气源 空调节能50%左右。 3. 环保:供热时没有燃烧过程,避免了排烟污染,供冷时省了冷却塔,避免了噪音及霉 菌污染。 4. 舒适:因为地源热泵机组供冷暖时都是通过冷热水经风机旁管(或地板管、墙埋管) 交换完成的,所产生的冷气和暖气(或辐射热)比常规空调的要更柔和的多,热不易感冒。 5. 节省占地面积:省去了冷却塔、锅炉及与之配套的煤棚和渣场,节省了土地资源,产 生附加经济效益,并改善了建筑物的外部形象。 6. 安全:无燃烧设备,从而不存在爆炸、失火和中毒的隐患。 7. 机组寿命长:热泵机组长期在良好的低温井水(16°C)下进行热交换工作,可大大延 长机组寿命。 8. 一机多用:地源热泵系统可供暖,空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以 替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。 9. 可再生:土壤有较好的蓄热性能,冬季通过热泵将大地浅层的低位热能提高对建筑供 暖,同时蓄存冷量,以备夏用;夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温, 同时蓄存热量,以备冬用,保证大地热量的平衡。 10. 可分区控制:中央空调享受的档次,又可达到单体空调局部控制的效果,不存在“大马 拉小车”。 市场上现有传统空调存在如下一系列问题: 1. 存在热岛效应:使得外界局部空间环境条件恶化。 2. 当空气温度低于零度时,机组效率下降,并且当环境温度低于-5°C时,机组效率极低, 甚至无法开机,需加辅助热源(家用普通3P机仅电辅加热就达2000W),辅助加热时的 能效比COP要小于1。 3. 冬季室外机组需要频繁停机除霜,其结果是除霜损失约占热泵总能耗的10.2%,如普 通3P机就要增加300瓦电能浪费。武汉地区因为空气湿度大,一般当环境温度5°C时外机 就开始结霜。使用5年的老机组8°C左右就开始结霜。 4. 夏天当空气温度高于35°C时,常规空调机组效率开始下降,空气温度越高,机组制冷 效率越低,能耗增加。在空气温度为30°C时,常规空调机组能效比COP也仅有22左右。 5. 室外机或冷却塔有噪音及霉菌污染。 6. 室外机(压缩机)长年暴露在露天,寿命大大减少。灰尘集在散热器上,起了保温作 用,增加了能耗。 地源热泵系统的节能特性分析与评价指标 中国是世界上能源需求增长最快的国家,现在仅次于美国。我国建筑耗能目前已占到全社会 一次能源消耗总量的30%左右,而且继续保持增长趋势,建筑能耗已是必须引起高度重视 的领域。据统计,目前我国城乡既有建筑面积达420多亿m2,其中99%以上属于高耗能建 筑,每年新增的近20亿m2城乡建筑中,高耗能建筑也占95%以上,与同等气候条件的西 欧或北美等发达国家相比,建筑能耗高2~3倍。要实现我国单位建筑面积能耗在80年代初 的基础上降低50%〜65%的目标,同时,要实现“十一五”时期“节能20%”的长远目标, 必须在涉及建筑供能系统的各环节上采取系统且有力的技术改造措施。地源热泵是一种利 用浅层地热资源(地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。作 为一项利用可再生能源的建筑节能技术,经过50年的发展,特别是近5年来在在北美如美 国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展,并且获得了很大的市场份额。 以美国为例,1997年底美国大约有3万台地源热泵系统在家庭、学校和商业建筑中应用, 每年约提供8000-11000 GWh的终端能量,销售数量以每年20%的速度递增;截至2006 年底,美国实际运行的地源热泵系统已达到50万台,地源热泵系统占整个空调系统的20%, 是美国政府极力推广的节能环保技术。在瑞士,95%新居民住宅和50%新建筑都安装了地源 热泵系统[1]。目前,该项建筑节能技术在国内近五年来也取得了长足的发展,应用范围涉 及全国各地,如北京、天津、辽宁、河北等地都规模化地建成了地源热泵供暖空调工程,运 行效果良好,技术已经成熟。地源热泵技术在建筑领域的推广,得到了国家建设部和财政部 的政策支持,2006年两部委联合决定,启动的第一批25个可再生能源建筑示范项目中(包 含北京、内蒙古、辽宁、山东、深圳等5个地区),地源热泵工程应用的项目为16个,其中 包括正在建设的北京奥运村项目和青岛的奥委会帆船基地项目[2]o地源热泵空调系统作为 一项建筑节能技术已为人们所共识,但在我国不同的地域、不同的热工分区、不同的用户, 具体的节能指标,需要进行长期的检测分析。同时,地源热泵系统具体应用型式很多,因地 制宜地选择地下水、地表水或采用地下土壤埋管换热满足建筑的供热空调需要。 地源热泵是利用浅层地表所储藏的太阳能资源作为冷热源,利用地下常温土壤或地下水温度 相对稳定的特性(地下80〜160米深处,地下土壤或地下水温度常年维持在16笆左右),通 过埋藏在地下的换热器与土壤、地下水、岩石交换热量,或者直接与地下水或者地表水进行 热量交换,从而对建筑物进行供暖制冷空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如 电能),实现低温位热能向高温位转移。通常地源热泵消耗IkW的高位能量,通过热泵提升 后,用户可以得到3〜4kW以上的有用热能(热量或冷量)。 在冬季,当机组在供热模式时,实现从地下土壤/地下水中吸收热量,通过压缩机和热交换 器把大地的热量集中,并以较高的温度释放到室内;在夏季,当机组在制冷模式时,实现从 土壤/水中提取冷量,通过压缩机和热交换器把地下蓄热体的热量提取,并输入室内,同时 将室内的热量排放到地下土壤冰中,实现制冷的效果[3,4]„目前,在冬季供热工况下,不 同地区的地源热泵建筑供能系统面临着与常规热电联产、燃煤、燃油、燃气锅炉甚至电锅炉 等众多供暖方式的可选方案之间的竞争。与锅炉(电、燃料)供热系统相比,锅炉供暖只能将 90%以上的电能或70-90%的燃料内能为热量,供用户使用,因此地源热泵要比电锅炉加热 节省三分之二以上的电能,比燃料锅炉节省约二分之一的能量;由于地源热泵的热源温度全 年较为稳定,一般为10〜25°C,其制冷、制热系数可达3.5〜4.4,与传统的空气源热泉供暖 相比,要高出40%左右,其运行费用为普通中央空调的50〜60%。以下将通过对能量 利用系数(或称为一次能源利用率)进行分析的基础上,重点比较地源热泵供能系统与其它 几种供热方案的节能特性,并对其节能特性进行讨论。对于给定的供热任务,能量利 用系数(也称为一次能源利用率)越高,越节省一次能源。能量利用系数E的定义式为: 1HQEQ=(1)式中,QH、QI 分别为热用户利用热量与一次能源投入量。对于地源热泵供暖,其能量利