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地源热泵能量综合利用及其对锅炉的替代

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发表于 2018-9-2 13:36:06 |显示全部楼层
  摘要:随着能源的日趋紧张,地源热泵的的研究和应用会更加引起政府和用户的关注。本文就地源热泵作简单介绍,并对其在实际应用中存在的问题以及对锅炉替代的可行性进行探讨。
  随着全球能源的日趋紧张,节能降耗要求日益紧迫。表1为地球可利用能源数量及使用年限的列表,可见人类能源节约是关系到人类可持续发展的关键因素。节能降耗,不能只是停留在政府政府宣传和倡导上,政策和法规或许是解决该问题的最好办法。
  楼宇系统日常运行能耗中,空调、取暖系统占有半壁江山。如何减少能源消耗,降低楼宇运营成本,是国家和工程设计人员的主要工作和任务之一。目前主要从两个方面着手解决楼宇节能降耗的问题:
  开发和使用隔热性能好的新型建筑材料,减少维护结构传热,如:隔热门窗结构,环保隔热墙体等,这是我国建设部极力支持和推广的建筑节能方法之一。
  提高能源综合利用效率、加强能量回收利用(充分利用废热、废冷,提高机组效率等)技术的发展,是节能降耗的重要突破环节。
  地源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称地能,包括地下水、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。地源热泵利用地能一年四季温度稳定的特性,冬季把地能作为热泵供暖的热源,夏季把地能作为空调的冷源;即在冬季把高于环境温度的地能中的热能取出来供给室内采暖,夏季把室内的热能取出来释放到低于环境温度的地能中。
  通常地源热泵消耗1kW的能量,用户可以得到4kW左右的热量或冷量。在节能环保要求日益提高的今天,地源热泵空调系统正以其不可替代的优势,越来越受到人们的重视。
  根据热工学理论,热泵系统能够将低温热量提升至高温热量。图1为常见的空调机组系统原理示意图,制冷主要是利用蒸发器吸收热量,热泵是利用冷凝器散发热量,当然,系统运转的同时需外部能量的输入。蒸发器从环境中取热,此时从环境取热的对象称为热源;冷凝器则向环境排热,此时向环境排热的对象称为冷源。
  蒸发器、冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同,主要分为空气换热和水换热两种形式。根据热泵(或制冷机)与环境换热介质的不同,可分为水—水式,水—空气式,空气—水式,和空气—空气式共四类。
  我们将具有热泵功能的制冷系统常常称为热泵,以突出其产生可利用热能的功能。若按照其冷热源的性质来分,国外的文献通常把它们分为空气源热泵(AirSourceHeatPump,ASHP)和地源热泵(GroundSourceHeatPump,GSHP)两大类。
  空气源热泵利用空气作冷热源的热泵,称之为空气源热泵。在供热工况下将室外空气作为低温热源,从室外空气中吸收热量,经热泵提高温度送入室内供暖。空气源热泵有着悠久的历史,而且其安装和使用都很方便,应用较广泛。
  空气源热泵的主要缺点是在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低。而且,其制热量随室外空气温度降低而减少,这与建筑热负荷需求趋势正好相反。此外,在供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜,需要定期除霜,这也消耗大量的能量。在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障碍。在夏季高温天气,由于其制冷量随室外空气温度升高而降低,同样可能导致系统不能正常工作。
  空气源热泵不适用于寒冷地区,在我国典型应用范围是长江以南地区。在华北地区,冬季平均气温低于零摄氏度,空气源热泵不仅运行条件恶劣,稳定性差,而且因为存在结霜问题,效率低下。
  地源热泵利用大地(土壤、地表水、地下水)作为热源的热泵,称之为“地源热泵”。由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度,远高于冬季的室外温度,又低于夏季的室外温度,因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍,且效率大大提高。
  此外,冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热,同时使大地中的温度降低,即蓄存了冷量,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,同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地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。但由于受水文地质的限制,水源热泵的应用远不及空气源热泵。
  地表土壤和水体是一个巨大的太阳能集热器,收集近47%的太阳辐射能量,比人类每年利用能量的500倍还多。地下的水体通过土壤间接地接受太阳辐射能量,而且是一个巨大的动态能量平衡系统,地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散相对的均衡,这使得利用储存于其中的似乎无限的太阳能(或称地能)成为可能,所以说地源热泵是利用可再生能源的一种有效途径。
  与锅炉(电、燃料)供热系统相比,锅炉供热只能将90%以上的电能或70~90%的燃料内能转化为热量,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,比燃料锅炉节省二分之一以上的能量;由于地源热泵的热源温度全年较为稳定,一般为10~25℃,其制冷、制热系数可达3.5~4.4,与传统的空气源热泵相比,要高出40%左右,其运行费用为普通中央空调的50~60%。因此,近十几年来,尤其是近五年来,地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展,中国的地源热泵市场也日趋活跃,可以预计,该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。
  地源热泵根据对低温热源的利用方式的不同,可以分为闭式系统和开式系统两种。
  闭式系统指在水侧为一组闭式循环的换热套管,该组套管一般水平或垂直埋于地下或地表水域中,通过与土壤或地表水域水换热来实现能量转移(其中埋于土壤中的系统又称土壤源热泵,埋于海水中的系统又称海水源热泵),见图2。
  开式系统指从地下抽水或地表抽水后经过换热器直接排放的系统(地下水热泵系统和地表水热泵系统一般又称为水源热泵系统),见图3。
  图4,图5为一国外品牌热泵水系统流程图,分别表示出地源热泵夏季、冬季运转时管路切换情况。
  虽然几年来地源热泵系统在我国得到了发展,但是,应用这种地源热泵系统也受到许多限制。
  这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。因此在决定采用地下水热泵系统之前,一定要做详细的水文地质调查,并先打勘测井,以获取地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据。地下水热泵系统的经济性与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低,不仅成井的费用增加,运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。此外,虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层,但目前国内地下水回灌技术还不成熟,在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度,从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部
  地表水热泵系统的热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大体量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的型式。当然,这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。此外,由于地表水温度受气候的影响较大,与空气源热泵类似,当环境温度越低时热泵的供热量越小,而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关,需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。
  土壤埋管式热泵系统在冬季供热过程中,栽热介质从地下收集热量,再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行,即从室内带走热量,再通过系统将热量送到地下岩土中。因此,土壤埋管式热泵系统保持了地下水热泵利用大地作为冷热源的优点,同时又不需要抽取地下水作为传热的介质。它是一种可持续发展的建筑节能新技术。但这种地源热泵系统对土壤换热器的材质及地质结构的要求比较高,同时埋设换热器需要较大的场地,系统投资也较其它方式要高,所以这种系统一般应用于面积比较小的居住类单体建筑,在大型工程中应用相对困难。
  在国外,地源热泵的主要研究和应用对象还是土壤源热泵系统,国内理论研究和实验研究的重点也是如此。然而,土壤源热泵系统远比地下水热泵系统和地表水热泵系统复杂,一次投资相对较高。
  北方(如北京、天津等)一些大中型城市政府出于减少污染,保护环境的目的,相继出台了进行燃煤锅炉改造的政策。地源热泵由于具有一体解决供冷、供暖、洁净、环保节能和运行稳定可靠的优点,运行费用仅与燃煤锅炉相当,远远低于一般燃气、燃油锅炉和溴化锂吸收机组,成为燃煤锅炉替代的一个很好的选择,在旧有锅炉供暖系统改造中受到人们的青睐。表2为几种供热方式的对比。
  在旧有锅炉供暖系统改造计划中,人们非常希望新采用的地源热泵机组能够最好直接取代锅炉,仍利用暖气片热水式循环进行供暖,这样涉及到的采暖改造就仅仅是锅炉房内的改造,旧有的室内暖气片供暖系统不做丝毫改变,这将会大大降低改造工程量和改造费用。
  旧有的暖气系统的供/回水温度一般是90/75℃这要求替代用的高温热泵的出水温度要尽可能与其保持一致或相近,事实上地源热泵的安全出水温度达不到这一点,即使采用高温冷媒R134a,其安全经济的出水温度也仅在55℃~70℃之间,因此需要加大热水流量来补偿传热温差的减小。
  旧有的暖气系统必须是两管制系统,保证各房间供暖一致,避免单管系统尾部暖气片供水温度过低。
  加大供水量是受到一定限制的,必须保证系统的水力条件在可行的范围内,避免由于水量过大造成的系统水力失调,导致暖气系统噪音和振动增大。
  只有满足以上条件,采用高温水源热泵机组直接替代锅炉进行操作才是可行的,否则室内暖气系统必须加以改造,可以通过加大暖气面积、改为双管制增大供水管路实现。当然,也可以将暖气系统改造为中央空调末端系统,同时解决夏天供冷需要。
  热泵机组的热水供水温度由于受到制冷剂、润滑油和压缩机的工作范围(包括排气温度、排气压力、回气温度和回气压力)的限制,其温度不可能太高。
  高温型的水源热泵机组通常选用R134a作制冷剂,在同样的饱和温度下,R134a比R22有更低的饱和压力,这也就意味着在压缩机和换热器中同样的设计压力,可以确保采用R134a的机组有更高的冷凝温度,可以向更高温度的热水里排放冷凝热,比起采用R22制冷剂的热泵机组,出水温度可以得到一定的提高,但其对应的冷凝温度和蒸发温度还是有限制的。
  R134a又名四氟乙烷,分子式为C2H2F4,分子量102.0,标准沸点-26.2℃,凝固温度-101.1℃,临界温度101.1℃,临界压力4.06MPa,ODP=0,GWP=1300。同样的冷凝压力20bar,R134a机组的冷凝温度达67.5℃,而R22机组的冷凝温度只有51.5℃。然而,R134a制冷剂单位容积制冷量比R22约低30%,也就意味着同样的机组采用R134a,制冷剂制冷量要比采用R22制冷剂的机组制冷量低25~30%,另外,采用R134a作制冷剂,由于R134a与矿物油的互溶性比较差,需要采用聚酯类油作润滑油,才有较好的互溶性,这种润滑油就是通常所说的POE油,然而POE有一个显著的特性:粘性系数随温度的升高显著降低,例如:Mobil
  EAL22在40℃时粘性系数可达23cSt,当温度达到100℃时粘性系数降低到4.7cSt,粘性系数的降低会导致其润滑性能显著降低,也就是说当压缩机的排气温度太高时,润滑油的润滑性能变差,不能保证压缩机的充分润滑。
  各压缩机生产厂家对压缩机的工作范围都有一个限定,规定压缩机的排气温度和排气饱和温度(近似为冷凝温度)如:
  Copeland规定其排气温度最高上限为110℃,排气饱和温度为:涡旋压缩机60℃,全封活塞压缩机为60℃,半封活塞压缩机为60℃,最先进的Dicus压缩机也为60℃。
  Bitzer规定其排气温度为:半封活塞和螺杆压缩机的安全排气饱和温度为70℃,采用喷液冷却的压缩机安全排气饱和温度为75℃,即使采用机外油冷却+喷液冷却的开启式压缩机的安全排气饱和温度为80℃,当然,此时经济性效率已经很差了。
  为Carrie和Trane提供压缩机的Carlyle的06D/E压缩机的安全排气温度105℃,安全的排气温度与排气饱和温度温差为30℃,即安全排气饱和温度只不过75℃,专业制造专用压缩机的FrasCold的压缩机在这方面也没有什么突破。
  综观以上著名压缩机厂家的压缩机,安全经济的排气饱和温度最高也就在75℃,就算假定系统设计效率非常高,排气没有压力损失(一般要有1℃的压力损失),最大的冷凝器的冷凝压力也只能达到75℃,要保持一个经济的冷凝器大小,一般冷凝器中冷却液体(热水)与制冷剂冷凝温度保持约5℃的传热温差,所以热水温度最高也就在70℃。
  因此需要更高温度的热水供应,应当采用其他的辅助加热方法,或者只能放弃热泵方案。
  空气源热泵在供冷时,其冷凝过程的热量大多无谓地浪费了。为了充分利用这部分能量,有些厂家采取“废热”回收的办法,可巧妙的将这部分热能加以利用(用做生活热水),其做法就是在高温高压的气态工质进入到冷凝器前,加一套热回收用的热交换装置,用以加热生活用热水,取决于制冷剂排气的过热度,可得温度相当高的热水。
  对于地源热泵,由于其设计的特点,在制冷运行时,也可提供相当的生活用热水,将被浪费的热能回收来制取卫生热水。
  总之,随着能源的日益紧张和热泵技术的发展,地源热泵将以其卓越的工作能效比,得到大家的认可和应用,同时充分利用热泵“废热”,也将是未来热泵发展的趋势。
  [4]李元旦等,《暖通空调》2001年第1期,土壤源热泵冬季工况启动特性的实验研究
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