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地源热泵技术与建筑节能
一、 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*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。
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。
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%。但是,燃烧矿物燃料通常可产生1500-1800
℃的高温,是高品位的热能,而建筑供热最终需要的是20-25℃的低品位的热能;直接燃烧矿物燃料为建筑供热意味着大量可用能的损失。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;火力发电站的效率可达35-58%(高值为燃气联合循环电站)。采用燃料发电再用热泵供热的方式,在现有先进技术条件下一次能源利用率可以达到200%以上。因此,采用热泵技术为建筑物供热可大大降低供热的燃料消耗,不仅节能,同时也大大降低了燃烧矿物燃料而引起的CO2和其他污染物的排放。
热泵利用的低温热源通常可以是环境(大气、地表水和大地)或各种废热。应该指出,由热泵从这些热源吸收的热量属于可再生的能源。
二、空调热泵的分类及其优缺点
以建筑物的空调(包括供热和制冷)为目的的热泵系统有许多种,例如有利用建筑通风系统的热量(冷量)的热回收型热泵和应用于大型建筑内部不同分区之间的水环热泵系统等。这里主要讨论利用周围环境作为空调冷热源的热泵系统。就其性质来分,国外的
文献通常把它们分为空气源热泵 (air source heat pump, ASHP) 和地源热泵(ground source heat pump, GSHP)两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵 (surface-water heat pump,SWHP)、地下水热泵 (groundwater heat pump, GWHP) 和地下耦合热泵 (ground-coupled heat pump, GCHP)。我