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地源热泵与建筑节能

摘要:在建筑供热空调中采用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CO2和其它大气污染物的排放,最大限度地减小空调设备对建筑物外观的影响。本文阐述了利用热泵供热比锅炉直接燃烧供热节能的原理,对主要的热泵供热形式,特别是地源热泵的技术特征、适用范围和经济性作了较详细的介绍。
关键词:热泵 建筑环境 节能

1、热泵与建筑供热空调

  随着经济的发展和人民生活水平的提高,公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在发达国家中,供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25-30%。我国的能源结构主要依靠矿物燃料,特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物,包括大量SO2, NOX等有害气体以及CO2等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房,体现了政府对保护大气环境的高度重视。因此,除了集中供热的型式以外,急需发展其他的替代供热方式。热泵就是能有效节省能源、减少大气污染和CO2排放的供热和空调新技术。

1.1 热泵原理与组成
  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。建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求。传统的空调系统通常需分别设置冷源(制冷机)和热源(锅炉)。建筑空调系统由于必须有冷源(制冷机),如果让它在冬季以热泵的模式运行,则可以省去锅炉和锅炉房,不但节省了初投资,而且全年仅采用电力这种清洁能源,大大减轻了供暖造成的大气污染问题。
  热泵空调系统通常由制冷剂环路、室内环路和低温热源换热环路等环路组成。有的还设有加热生活热水的环路。不同类型的热泵,其制冷剂环路和室内环路基本相同,但其低温热源换热环路各有不同。如分体空调的室外机是空气源热泵的低温热源换热环路,而地热换热器则是地源热泵的低温热源换热环路。
  将水从生活热水箱送到冷凝器去进行循环的封闭加压环路,是一个可供选择加热生活热水的环路。对于夏季工况,该循环可充分利用冷凝器排放的热量,不消耗额外的能量而得到热水供应;在冬季,其耗能也大大低于电热水器(参见图1)。
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图1地源热泵流程示意图
1.2 热泵特点
  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,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)最高可为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,大大降低用于供热的一次能源消耗。供热用热泵的性能系数,即供热量与消耗的电能之比,现在可达到3~4。而用电阻加热设备把电能转化为热能的性能系数为1。
  热泵是减少CO2排放量的最经济有效的技术。现在全世界约有1.3亿台热泵在运行,总供热量约为每年4.7×109 GJ,每年减少CO2排放量约为1.3亿吨。随着热泵技术的进一步改进和发电效率的进一步提高,采用热泵技术供热使全世界CO2排放量减少16%是有可能的。因此,它是建筑节能和减少CO2排放的关键技术之一。除了减少矿物燃料的消耗以外,由于在大型电站中集中燃烧矿物燃料发电有利于采用先进技术除去或减少燃烧产物中的粉尘、SO2和NOx等大气污染物,采用电动热泵供热与分散的锅炉房供热相比还可以大大减少燃煤产生的大气污染。
  热泵能够充分利用可再生能源,是一项可持续发展技术。热泵利用的低温热源通常是环境(大气、地表水和大地)或各种废热。由热泵从这些热源吸收的热量属于可再生的能源。如地源热泵冬季把大地中的热量升高温度后对建筑物供热,同时使大地的温度降低,即储存了冷量,可供夏季使用;夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地,对建筑物降温,同时在大地中储存的热量以供冬季使用。这样大地就起到了蓄能器的作用,进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。

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