钛板换热器
平行流换热器
换热器防腐
新闻动态
太阳能—地源热泵三联供户式中央空调技术点击：1897 日期：[ 2014-04-26 21:35:56 ] |
| 太阳能—地源热泵三联供户式中央空调技术 李健 罗浩 （河南科技大学洛阳471003） 【摘要】介绍了一种适用于别墅或大面积居室的新型太阳能--地源热泵三联供户式中央空调系统的构成、特点和工作原理。分析了地源热泵的优缺点。虽然地源热泵的应用受到一些制约因素的影响，但作为一项节能新技术，地源热泵必将拥有广阔的应用前景。 【关键词】太阳能--地源热泵综合系统；换热器；空调 0·引言 随着人们环保和节能意识的不断加强，在暖通空调领域寻求新能源与可再生能源正成为研究的方向。能够有效利用广泛存在的低位热能，节约有限高位热能的热泵技术越来越引起人们的重视。太阳每年辐射到地球的能量巨大，利用的潜能很大，而且对太阳能的利用不会对地球的热平衡产生影响，也不会对环境造成污染。我国地域辽阔，太阳能资源丰富，有很多太阳能利用较有利地区。地热能，尤其是土壤热源，是广泛存在的良好低位热源。土壤温度相对稳定，全年波动小。根据测定，地下10m深处的土壤温度相当于该地区全年平均气温，并且不受季节影响。土壤的这些性质使得地源热泵的制热性能系数较高，约为2.2—3.2，而且蒸发温度及冷凝温度基本保持恒定，从而保证了热泵的稳定运行。同时，土壤作为一个巨大的储能体，冬季储存冷量供夏季取用，而夏季则储存热量供冬季使用。为了在建筑领域贯彻节约能源的方针，我国颁布了一系列法律法规，大力提倡在建筑中应用新能源和可再生能源。 可见，太阳能及地热能作为热泵的低位热源，不仅有国家的支持，其自身也具有显著的优点和节能效果，必将成为以后热泵技术发展的重要方向之一。 1·太阳能--地源热泵系统介绍 1.1太阳能--地热源系统组成及运行流程 1.1.1太阳能--地热源系统组成 太阳能—地热源系统由：太阳能集热器、储热水箱、地源换热器、热泵机组及其附属设备组成，末端采用风机盘管系统。系统联合运行原理图如图1所示。 1.1.2系统运行流程 （1）过渡季节空调系统运行流程 在初夏季节，建筑物的冷负荷要求较小，而且经过冬季的储冷可直接将地热换热器的出水作为风机盘管系统的进水，因此可以推迟热泵启动的时间，节省能源。在初冬季节，系统采用太阳能集热器系统进行供暖。 （2）夏季空调系统运行流程 热泵经过初夏季节的运行，地热换热器不断将热量排入土壤中，使得地温逐渐升高，不能满足建筑物的冷负荷要求，此时应启动热泵进行制冷循环。 在制冷循环中包含三套循环系统： ①载冷剂循环，地热换热器中的载冷剂将热泵冷凝器释放出的热量排入土壤，并吸收土壤中冷量回到热泵冷凝器。 ②制冷剂循环，热泵中的制冷剂将蒸发器中的热量转移到冷凝器中。 ③水循环，风机盘管系统中的水将吸收室内的热量转移到热泵蒸发器中。 地源热泵夏季空调运行方式包括连续运行和间歇运行，夏季制冷时，宜采用间歇运行方式，这样土壤温度场可以得到及时恢复，从而提高热泵的制冷系数。 （3）冬季供暖系统运行流程 冬季建筑物热负荷较大，而此时太阳辐射照度低，集热器的集热量和集热效率降低，使得太阳能提供的能量不能满足建筑物的热负荷要求。可见单独采用太阳能进行供暖存在热量供需不平衡的现象。 1.2地源热泵系统的特点 （1）利用可再生能源，环保效益显著 地源热泵从浅层常温土壤中吸热或向其排热，浅层土壤的热量来自太阳，它永不枯竭，是一种可再生能源，所以，当使用地源热泵时，其土壤可以进行自行补给，持续使用。地源热泵的污染排放物，与空气源相比，减少40%以上，与电供暖相比减少70%以上。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量。该装置能在工厂车间内事先整装密封好，故制冷剂泄露几率大大降低，运行时不会对环境造成污染。 （2）高效节能，运行费用低。 在供热时，地源热泵可将土壤中的热能搬运到室内，其能量70%以上来自土壤，制热系数高达3.5—4.5，比空气源热泵空调高出40%，运行费用比常规中央空调系统低40%--50%，比空气源热泵空调系统低30%--40%。 （3）运行安全稳定，可靠性高。 地源热泵系统在运行中无燃烧设备，因此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，因而无爆炸的危险，使用安全。地源热泵利用常年温度恒定的地下土壤或水源，机组安装在室内，不暴露在风雨中，从而免遭破坏，延长了寿命。而且夏季不会向大气排放热量，加剧城市的热岛效应；冬季不受外界气候影响，运行可靠，不存在空气源热泵除霜和供热不足的问题。 （4）一机多用，应用范围广 地源热泵的空调主机体积小，机组安装在储藏室等辅助空间。地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，无需室外管网，也不需要较高的入户电容量，特别适合低密度的别墅区使用。 1.3太阳能热泵与地源热泵联合运行的必要性 （1）太阳能的缺点 太阳能与地热能具有明显的优势，但同时也存在着不足。对于太阳能来说，虽然到达地球表面的太阳能总量很大，但地球表面的能量密度极低；同时太阳能因受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制以及阴雨天气等随机因素的影响，存在较大的间歇性及不稳定性。因此要利用太阳能辐射，不仅需要较大的集热面积，而且还需要有储热装置，这就使得初投资增加，限制了其推广应用。 （2）使用地热的不足之处 对于地热能来说，由于土壤的性质随着地区的不同和季节的变化而异，这将会增加地热换热器的设计难度，而且其主要参数之一导热系数较小，因此工质与土壤之间的换热强度小，需要较大的换热面积，这将受到实际应用场所及施工的限制，而且加大工程初投资。 鉴于以上种种原因，可考虑采用太阳能热泵与地源热泵系统联合运行，利用土壤的储热性能、温度的延迟性及稳定性等特点来保证热量的供需平衡。太阳能--地源热泵系统联合运行有巨大的优势，在初冬和初夏，可以直接利用太阳能与地热供暖或空调，延迟热泵启动时间；在夏季系统采用间歇运行不仅能提高热泵的制冷系数，而且使土壤温度波动较小，热泵运行工况稳定；冬季由于太阳能热泵与地源热泵之间的互补作用，充分发挥了两种热泵各自优势，在保证居住环境舒适度的基础上，达到节能与环保的目的。 2·太阳能地源热泵系统核心技术及未来展望 2.1地源热泵的特点及基本形式 地源热泵技术是一种利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能的空调技术。热泵的理论基础源于卡诺循环，与制冷机相同，是按照逆卡诺循环工作的。由于全年地温波动小，冬暖夏凉，因此地热可分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即冬季从土壤中采集热量，提高温度后供给室内采暖；夏季从土壤中采集冷量，把室内多余热量取出释放到地能中去。地源热泵主要有以下几种形式： （1）地下水热泵：为开放系统。该系统占地面积小，非常经济。它要求保证机组正常运行的稳定水源，温度范围在7～21℃，需要打井，为保持地下水位需要注意回灌，从而不破坏水资源； （2）河湖水源热泵：为开式或闭式系统。该系统投资小，水系统能耗低，可靠性高，运行费用低，但盘管易被破坏，机组效率不稳； （3）土壤热泵：为闭式系统。垂直埋管系统占地面积小，水系统耗电少，但钻井费用高；水平埋管安装费用低，但占地面积大，水系统耗电大。 2.2地源热泵优于传统空调的特性 2.2.1在技术方面 （1）传统的空调系统不论是水冷还是风冷，由于它的换热器必须置于暴露的空气中，因此会对建筑造型造成不好的影响，破坏建筑的外观；而地源热泵把换热器埋于地下，且远离主建筑物，故不会对其造型产生影响。 （2）风冷换热器与水冷换热器的换热环境均为大气，故不可避免地受到环境条件变化的影响，会明显降低换热效率；而地源热泵换热器是和大地换热，换热对象是1m以下的地层，其初始温度大约等于年平均温度，基本不受外界环境的影响。这种温度特性使地源热泵比传统空调运行效率要高40％～60％。 （3）普通空调对环境的影响是很严重的，它不仅对臭氧层造成严重的破坏和产生令人难以忍受的噪音，还由于夏季将废热排入大气，冬季吸收大气中的热量而使大气、住宅周围的环境更加恶劣；而地源热泵可以利用大地的蓄热能力，把夏季多余的排入大地的热能在冬季取用，把冬季多余的冷能在夏季取用，以达到冬夏两季室内的供暖与供冷。同时该装置的运行几乎没有排放物和废弃物，所以不仅对大气没有影响，还能使大地不至于过冷或过热。 2.2.2在经济方面 （1）影响地源热泵使用经济性的因素很多，如国家能源政策、环保政策、电与燃料价格、建筑环境、使用者和气候条件等。根据我国目前的现状，由于这些方面的因素而导致的运行费还有待进一步研究，难以获得准确的结论，但是可以借鉴美国等发达国家的经验，世界环境保护组织研究表明：设计安装良好的地源热泵，可以节约30％～40％甚至更高的供热制冷空调的综合运行费用。 （2）由于技术方面的优势，可以节省运行费用40％～60％。 （3）地源热泵系统还可以集采暖、空调制冷和提供生活热水于一身。一套热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统，提升了其经济性。由此可得出结论：地源热泵系统虽然由于室外部分比较复杂，初投资高于普通空调系统，但普通空调的运行费用远高于地源热泵系统。 普通空调寿命一般在15年左右，而地源热泵的地下换热器由于采用高强度材料，埋地寿命至少50年。因此，从使用寿命和运行费用来考虑，地源热泵系统的经济性要高于普通空调系统。我国的长江流域及其周围地区人口集中，能源消耗量大，污染问题突出。而且该地区能源相对比较匮乏，能源供给形势严峻。因此从节约能源，改善能源结构和保护环境考虑，也应该推广热泵这项节能技术。 3·展望与建议 （1）长江流域及其周边地区具有丰富的低温环境资源，而且气候条件是冬寒夏热，需要较多的供热和空调装置。因此在该地区地源热泵技术具有广阔的推广和应用前景。加速研究，大力发展热泵节能技术，必将促进自然资源的合理利用，实现我国可持续发展战略。 （2）影响土壤源热泵广泛应用的主要原因是对土壤源热泵发展核心技术问题的研究和认识还很有限。据国际最新研究动态表明，它的核心技术问题是地埋式换热器的传热强化、土壤源热泵系统仿真及最佳匹配参数的研究。另一个主要原因是土壤源热泵自身存在的缺点：地埋换热器受土壤性质影响较大；连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；土壤导热系数小，使地埋换热器的面积较大等。因此，国家有关部门应加强对热泵核心技术的研究，并提供经济激励措施，以鼓励用户采用地源热泵系统。 （3）研究土壤源热泵还存在以下几个有待解决的问题：关于埋地盘管的数学模型和土壤热场特点的理论研究还不够深入，仍处于试验阶段；由于它涉及钻探工程，使施工困难，系统投资比较大。因此在热泵技术开发应用中应通过热泵的批量生产和技术改进来降低成本，使热泵技术的优越性更加突出。 （4）我国有关地源热泵的现成技术资料不多，生产相关设备的厂家少，专业人员也很欠缺，因此应增加资金的投入和对人才的培养。同时向世界上热泵技术比较发达的国家学习，但由于我国气候条件与其它国家存在差异，我们不能照搬国外的技术成果，而应注意吸收其正反两方面的经验，合理布局，稳步发展，在条件相对成熟的地区多进行试验和总结。 参考文献 [1]郁永章．热泵原理与应用（第1版）[M]．北京：机械工业出版社，1993． [2]Steven Kavanaugh.Ground Source Heat Pumps[J]ASHARE Journal．1998，5． [3]蒋能照．空调用热泵技术及应用[M]．北京：机械工业出版社，1997． |
| 上一篇：小型天然气液化装置的实验研究 | 下一篇：冷凝式燃气热水器技术及应用 |