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乡镇学校应用地源热泵采暖的探讨

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发表于 2018-9-2 12:46:32 |显示全部楼层
  空气作为冷热源,在供热工况下,将室外空气作为低温热源,吸收其中的热量,经热泵提高其热能品位后,由循环介质送入室内供暖。但是,空气源热泵在冬季天气寒冷时的效率会大大降低。利用大地中的物质(土壤、岩石、地下水)作为热源的热泵,通常称之为“地源热泵”,由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度,高于冬季的室外温度,因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍,供暖效率大大提高。考虑到乡镇学校土地资源相对广阔的特点,同时为了达到较好的制热效果,采用地源热泵是一种最佳选择。由电能驱动压缩机,使机组内的工质循环流动,反复进行物理相变过程:在蒸发器中汽化吸热、在冷凝器中液化放热,使热量不断从低温端向高温端传递,并通过阀门切换使机组实现制冷/制热功能。
  以1000m2供热面积的学校为例,计算地源热泵和燃煤、燃油锅炉一个采暖季的运行费用,从而进行经济性分析。根据暖通空调规范,学校供暖负荷按60W/m2计算,供热天数为120天,每天供暖时间按10h计算,计算可得每年的供暖总负荷为2.592×108 kJ。方案一:采用燃煤锅炉供暖,其制热系数为0.7,1kg煤完全燃烧放出的热量为4000大卡/kg,共计用煤22.11吨,煤的价格按600元/吨计算,共计需要13269元。方案二:以燃油锅炉供暖,其制热系数按0.9计算,耗油量按轻0#柴油计算,轻质柴油的热值按10230大卡/kg计算,柴油价格按3400元/吨,共计耗油量为6.73吨,费用共计22866元。方案三:利用地源热泵采暖,其制热系数通常大于4,即地源热泵每输入1KW的电能,能输出4KW的热量,扣除过程损耗因素,整个供暖系统的能效系数一般仍在3.5以上,按3.5的制热系数计算热泵耗电量为20571度,电价按0.54元/度计算,可得运行费用为11108元。通过对三个方案运行费用的粗略计算可以看出,地源热泵的运行费用最省,经济性最好。
  地源热泵机组的制热量是由蒸发温度所决定的。在冬季,若单独采用地源热泵供热,地热换热器经过长期的运行,土壤温度场可能得不到有效恢复,地温降低,从而导致蒸发温度降低,热泵机组的制热系数将不断下降。为了能够减轻对土壤温度场的干扰,有效提高蒸发温度,为地源热泵系统增设辅助热源是解决这一问题的合理途径。
  近年来,国家大力倡导利用太阳能这种清洁、可再生的能源,不少专家认为太阳在冬天的热流密度虽然只有50~200 W/m2,但是可以通过集热装置将太阳能利用起来作为热泵的低温热源。以太阳能为辅助热源的地源热泵系统通常由太阳能集热系统、地热换热器系统、热泵系统和室内供暖系统四部分组成,其系统原理如下图所示:
  在冬季日照充足的情况下,利用太阳能集热器将水加热并送入蒸发器,如果满足蒸发温度的要求并能够保持稳定,则可关闭地热换热器系统,使大地可以在此期间积蓄热量,尽快恢复土壤温度场;在冬季遇到雨雪天气时,则完全通过地热换热器系统从地下岩土体中吸收热量,经过热泵系统将其品位提升后,通过循环介质(水)送入末端(风机盘管),给教室及办公室供热。为了增加太阳能利用的连续性,在初投资允许的情况下,也可在太阳能集热系统中增加蓄热装置。
  地源热泵技术作为一种清洁、节能、高效的可再生新能源利用技术,已经在我国逐渐兴起,并在城市建设领域发挥了积极的作用。将地源热泵系统扩展应用于乡镇中、小学校的采暖,既符合国家节能减排的政策,又可减轻学校负担,同时也能使孩子们受益,一举多得,具有现实和长远的意义。
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