水源热泵与节能

合理用能技术系摘要:对水源热泵空调进行与简单的介绍,分析其节能机理与带危节能效果。关键词:热泵空调水源热泵地源热泵○浙江省建筑设计研究院杨绍胤1、水源热泵的概况中的热量转移到水源中,由于水源温度低,所以1.1热泵可以高效地带走热量。而冬季,则从水源中提取通常热量是从高温物体传到低温物体。但能量,由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提是通过少量的高位电能输入热泵( heat pump)升温度后送到建筑物中。做工,可以使热量从低温热源传到高温物体,13水源热泵的形式实现低位热能向高位热能转移的一种技术。通水源热泵根据对水源的利用方式的不同,过热泵中蒸发器和冷凝器的转换,进行供冷或可以分为闭式系统和开式系统两种。闭式系统供热。是指在水侧为一组闭式循环的换热套管,该组热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中,中获取低品位热,经过电力做功,输出能利用的通过与土壤或湖水海水换热来实现能量转移。高品位热的设备。(其中埋于土壤中的系统又称地源热泵,埋于海按照取热来源不同一般分为水源、地源和水中的系统又称海水源热泵)。开式系统是指从空气源热泵三种。地下抽水或地表抽水后经过换热器直接排放的1.2水源热泵系统。水源热泵( water source heat pump,WSHP水源热泵供冷(热)有集中和分布式两种方是以水为热源,可进行制冷/制热循环的一种热式,全部采用集中冷却或加热。集中供冷(热)以泵型水一空气空调装置。这是近年来发展的一水为冷媒,末端为水风机盘管。分布式供冷(热)种节能、清洁的釆暖空调一体化新型空调装置。末端为制冷剂风机盘管。水源热泵供热时从水中提取热,经电力压13.1水环式热泵缩机对循环的工质做功,可以达到输出温度水环式热泵( Water loop heat pump,52℃的热水。水源热泵技术可以利用地球表面WLHP)是水源热泵或水/空气热泵的一种形式浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳通过水环路将众多的水/空气热泵机组并联起能和地热能而形成的低温低位热能资源。地球来工作。表面浅层水源如深度在1000米以内的地下水、它利用循环水作水源,可用冷却塔作为系地表的河流、湖泊和海洋吸收了太阳的辐射能统的冷却设备。分体式水源热泵机组,将热泵机量,并且水源的温度一般都十分稳定。组的主机装在外面吊顶内。噪声可控制在35dB水源热泵的工作原理就是在夏季将建筑物(A中国煤化工在13℃-32℃(即常CNMHG作者简介】杨绍胤,男,1962年浙江大学热能工程专业毕业,教授级高工。Shanghai Energy Conservation2004No.5上海节能◆23合理用能技术温水),管道不会有结露现象,不需保温,也不会压缩机冷媒有结垢现象。132地源热泵地源热泵( geothermal heat pump,GHP)是冷凝器蔡发器利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性,通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水与建筑物内部完成热交换的装置。它完全不需要任何的人工热源,彻底取代了锅炉或市政图1水源热泵制冷工况(水空气方式)管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季压缩机它代替锅炉从土壤中取热,向建筑物供暖;夏季它代替普通空调向土壤排热给建筑物制冷。同冷凝器蒸发器时,它还能供应生活热水,被称为二十一世纪的绿色空调技术”图2水源热泵制冷工况(水-水-空气方式)2、水源热泵空调的工作原理2.2供热工况目前使用的热泵大致可分为两大类:即空通过四通换向阀的切换,使制冷工况时的气一空气热泵和水一空气热泵。前者通过由室冷凝器与蒸发器转换。而制冷工况时的蒸发器内蒸发换热器吸取热量,经压缩后由室外冷凝这时变为冷凝器。通过蒸发器吸收水的热量。热换热器向外界空气的放热,形成一个制冷循环泵在循环过程中,从冷凝器向室内循环空气放系统。采暖时,通过换向阀的转换,改制冷循环热。从其运行原理中可以看到这时热源来自流为制热逆向循环,吸收外界的热量来供热,形成过蒸发器中的水。一个制热循环系统。此类热泵空调供冷、釆暖运行时受室外环境气温的影响很大。当室外气温3、水源热泵的发展过高或太低时,其制冷和供热的能效比大幅下水源热泵机组在二十世纪60年代起源于降,甚至于无法正常工作美国加利福尼亚州。以其调节灵活,可同时供冷水一空气热泵的冷、热源介质为水(故简称供暖,建筑热回收效果好(能充分利用生活废热水源热泵)。其工作原理为在制冷循环时,向水及自然界能源如:太阳能、地热能等),系统布置中放热而制冷;供暖时则从水中吸取热量而制紧凑简洁、灵活,设计、施工及运行管理便捷等热。因为水的焓值远远大于空气,所以水源热泵特点,在市场的销售逐年增加。广泛运用于工业设备的制冷和釆暖的能效比值非常高。厂房、舰船、潜艇、宾馆、医院、写字楼等。2.1制冷工况31水源热泵在国外压缩机把蒸发换热器吸取热量产生的低压在国外,关于水源热泵的研究分属于两种冷媒蒸汽,经压缩后的高压高温冷媒蒸气进入冷热泵系统:一种为地源热泵,一种为海水源热凝器,通过与水的热交换而使高压冷媒冷凝为高泵。其中地源热泵真正意义的商业应用也只有压液体再经节流阀膨胀后进入蒸发器由此对空近中国煤化工当迅速。如美国,截气进行冷却。(图12)很显然,这一过程与一个带止YHCNMHG地源热泵,而1997水冷冷凝器的整体式空调机组的运行完全相同。年就安装了45,000台,到目前为止已安装了2方擇 Shanghai Energy Conservation 2004. NO5合理用能技术400,000台,而且每年以10%的速度稳步增长。家的经济发展状况和政策的影响,在相当长的1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调时期内,北方一般以燃煤锅炉解决冬季取暖问总保有量的19%,其中新建筑中占30%。美国地题,南方以水冷机组解决夏季制冷问题。在二十源热泵工业已经成立了由美国能源环境研究中世纪八十年代以后,制冷机组的方式开始多样心美国地下水资源联合会、爱迪生电力研究所化,此时,出现了溴化锂机组、风冷机组,机组的及众多地源热泵制造设计销售公司以及政府机容量也从原有的大中型机组过渡为大中小型机构和建筑商等146家成员组成的美国地源热泵组。在二十世纪九十年代以后,对于取暖方式也协会,该协会在近年中将投入一亿美元从事开开始有新的尝试和探讨,特别是随着可持续发展发、研究和推广工作。美国计划到2001年达到每和公众环保意识的提高,世界和中国能源利用的年安装40万台地源热泵的目标,其中,水源热泵结构都正在转变,从原有的煤、石油取暖过渡到占15%,届时将降低温室气体排放1百万吨,相以天然气及电等清洁能源。北京作为大气污染最当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树1为严重的城市之一,其治理大气污染的政策中就百万英亩,年节约能源费用达42亿美元,此后,包括能源结构的调整,从以煤为主改为天然气和每年节约能源费用再增加17亿美元。电力替代能源。但是,替代能源虽然可以部分解近十几年来,尤其是近五年来,水源热泵空决大气污染的问题,可是天然气和石油等都属于调系统在北美如美国加拿大及中、北欧如瑞士、不可再生的能源,从可持续发展的角度看,必须瑞典等国家取得了较快的发展。与美国的地源热提高能源利用效率或者寻找可以再生的能源,而泵发展有所不同,中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、水源热泵机组就是比较理想的一种设备。德国等国家主要利用浅层地热资源,地下土壤埋国内的水源热泵制造厂商中清华同方人工盘管(埋深<400米深)的地源热泵,用于室内地环境设备公司、山东海阳富尔达是比较早的水板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计,源热泵制造厂家,但目前也有相当多的制冷空家用的供热装置中,地源热泵所占比例,瑞士为调厂家将其普通的水冷机组改造为水源热泵。96%,奥地利为38%,丹麦为27%。同时,中、北欧中国的水源热泵的研究和应用才刚刚起步,与海水源热泵的研究和应用也比较多。国外相比,在热泵机组的优化设计和工程应用32水源热泵在中国上还存在较大差距。中国最早在50年代,就曾在上海、天津等目前,世界特别看好中国的市场。美国能源地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷,天津部和中国科技部于1997年11月签署了中美能大学热能研究所开展了我国热泵的最早研究,源效率及可再生能源合作议定书,其中主要内容1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调之一是“地源热泵”,该项目拟在中国的北京、杭机。目前,国内的清华大学、天津大学重庆建筑州和广州3个城市各建一座采用地源热泵供暖大学、天津商学院、中国科学院广州能源研究所空调的商业建筑,以推广运用这种“绿色技术”,等多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研缓解中国对煤炭和石油的依赖程度,从而达到能究。其中清华大学经过多年的研究多工况水源源资源多元化的目的。200年6月19至23日在热泵已形成产业化的成果,已建成数个示范工北京申国家科学技术部高新技术开发与产业化程。在香港,目前正在推广采用水冷空调代替风司中国煤化工流会,会议的主题就冷空调。中国的水源热泵市场日趋活跃。是CNMHG宅小区或公用楼宇在中国的传统的空调系统概念中,由于国釆暖制冷,大幅降低运行费用的节能解决方案。Shanghai Energy Conservation2004No5上海节能◆25合理用能技术水源热泵空调最大特点是构造简单、运行4.2水源热泵的节能稳定、可靠、高效节能。最大的缺点是由于主机空气源热泵( air source heat pump,ASHP)安装于室内,噪声较大,所以过去一般都用在机以空气为热源,理论上可以不受资源限制,可在房、厂房、商场等场所。目前一些厂家继承并发任何地区运用。大部分的冷暖空调就是这种产扬了该机型原有优点,完全解决了机组噪声问品,它的供热是通过直接产生热风或产生45℃题。水源热泵空调由于创新性的采用了分体结热水后再产生热风实现的。空气源热泵取热最构,将压缩机同送风风机分置于两个箱体,且均方便,是节能、环保、安全的理想方式,在我国长内衬吸声材料,故而噪声得以太幅降低。如制冷江流域的夏热冬冷地区正得到大力的推广应量为5kW的水源热泵空调机组噪声为45dB。用。但在黄河流域的寒冷地区、冬季由于室外温水源热泵空调系统因而得到进一步发展。度低于-5℃时,出水温度降低,设备出力降低,经过40年的不断发展,尤其近十年来随着如仍按传统模式,由空气热泵与风机盘管组成高新技术的迅速发展,该热泵系统的质量得到的空调系统就难于产生足够的可用于采暖的热可靠的保证,其节能效果更加显著,是目前市场风。空气源热泵的能效比要比水源热泵低。上真正意义上买得起用得起的中央空调。与锅炉(电、燃料)和空气源热泵的供热系统相比,水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能4、水源热泵与节能将90%98%的电能或70~90%的燃料内能转化4.1水源热泵的能效比为热量,供用户使用,因此水源热泵要比电锅炉空气调节系统的重要指标是能效比和性能加热节省三分之二以上的电能,比燃料锅炉节系数,有时这两者不区分。省二分之一以上的能量。由于水源热泵的热源能效比( Energy Eficient Ratio,EER)指在温度全年较为稳定,一般为10~-25℃,其性能系额定工况和额定条件下,空调器进行制冷时,制数与传统的空气源热泵相比,要高出4%左右,冷量与有效输入功率之比,其值用Ww表示。其运行费用为普通中央空调的50-60%性能系数( Coefficient of Performance, COP分布式水源热泵空调具有中央空调合理利指在额定工况和额定条件下,空调器进行热泵制热用能源设备性能系数高,运行成本低和安全、可时,热量与有效输人功率之比,其值用W/w表示。靠等优点。又具有分体空调调节灵活、方便,便于通常水源热泵消耗kW的能量用户可以得到管理和收费,可利用大量低位热能(如井水、地下4W以上的热量或冷量,其能效比为46。比直接用水、江、河湖水电厂冷却循环本、矿井水及工业电采暖要节省电力72%。夏季,又可以利用同一装置余热等作热源)等优点。因此,在我国广大城市的制冷。一机多用,既节省初投资,又节省运行费用。公共建筑(办公楼、商住楼、商场等)住宅建筑水源热泵可以达到的能效比EER554,性上得到了广泛的应用。能系数COP5.0。水源热泵式中央空调还得到了北京2008冷水机组在名义工况时的能效比EER见表1奥运会的青睐,成为2008北京奥运会指定选用表1冷水机组在名义工况时的能效比EER的空调。北京科技财富中心选用了水源热泵,他们以领跑者的姿态引导办公楼进人了一个全新电动压缩机类到住复式两旋式媒杆式离心式冷水机组的中国煤化工革命。风冷2.48-2.572.48-2.572.48-2.572.46-2.6CNMH会成为21世纪最有水冷3.5-3.63.55-3.653.65-3.854.5-4.7效的供热和供冷空调技术。26◆上海节能 Shanghai Energy Conservation2004No5