热泵技术在夏热冬冷地区建筑节能中的应用及问题

热泵技术在夏热冬冷地区建筑节能中的应用及问 （可从气候特点、应用现状、存在问题等多方面分析） 摘要：本文结合夏热冬冷地区气候特征和现有建筑热环境状况, 从建筑节能运行工况等方面来分析热泵技术对整个夏热冬冷地区所具有重要的意义和良好的发展前景。同时提出热泵技术在夏热冬冷地区的应用所会带来的一些问题。 关键词：热泵技术  夏热冬冷地区  建筑节能  地源热泵空调系统  空气源热泵空调系统 1、引言 在我国夏热冬冷地区，因为全年供冷供热天数超过200天, 大量的能量消耗使人们越来越重视这一地区的节能发展, 其恶劣的气候和建筑热环境状况, 也强烈要求有一种节能、清洁运行稳定的冷热源利用方式来解决本地区的供热制冷问题。热泵系统就其系统特点来说, 是适合夏热冬冷地区的气候特征和节能要求的。目前，热泵技术的发展已日趋成熟，代了节能型暖通空调的发展趋势，也符合当今世界节能减排、环境保护与可持续发展的基本理念。但是，我国的热泵技术在技术和实际操作上仍存在一些问题。本文将结合热泵技术在夏热冬冷地区的应用，提出一些个人的看法。 2、夏热冬冷地区气候特点和建筑能耗状况 2.1气候特点 夏热冬冷地区的气候和世界上同纬度的其它地区相比，气候条件较差。其显著特点是夏天热、冬天冷，而且常年湿度很高。夏季高温潮湿，最热月平均气温在25至30℃。夏天太阳辐射相当强烈，而且静风天气较多，人们白天感觉酷热，晚上静风率高，白天积蓄的热量难以散发，气温仍居高不下。另外，该地区年平均湿度75％，夏季高温加上潮湿，使人们感觉闷热难受。冬季阴冷潮湿，最冷月平均气温在2至7℃之间。冬天相对湿度仍然较高，使人感觉阴冷潮湿。 2.2建筑能耗状况 夏热冬冷地区的采暖降温措施, 是由当地居民自行选择采用的, 缺乏科学指导。而冬用电暖器、夏用空调器已成为热潮, 不少大城市百户空调器拥有率已达50%以上, 并已由一户一台向一室一台发展。由于缺乏科学指导, 采暖空调的能耗惊人, 室内热环境改善却很有限。对家庭空调日用电量的分时情况调查表明, 家庭空调用电是住宅区夏季的主要供电负荷, 有的住宅区年年高温天气不能正常供电, 经常跳闸断电,入户电压不足180V, 造成20%以上的电能浪费在供电线路上, 并危及供电线路安全。同时尽管每年空调耗电水平都很高,但仍未能使每户所有居室都同时达到热舒适。调查表明, 夏热冬冷地区采暖空调基本上使用电能。按目前的能耗水平, 若不采取强有力的节能措施,高水平的采暖空调耗电量将成为长江流域电力紧张的主要原因之一，严重妨碍长江流域社会经济的可持续发展。同时, 由于承受不了这样高的耗电水平, 夏热冬冷地区的建筑热环境也不可能普遍得到改善。这一点也解决困难的希望在于建筑节能。 3、地源热泵空调系统 3.1地源热泵系统的工作原理 地源热泵是利用大地(土壤、地层、地下水)地热能对建筑进行空气调节的节能新技术。地源泵系统夏季通过热泵机组将建筑物内的多余热量转移到地球表面的土壤或地表水中，冬季通过热泵机组从土壤或地表水中吸收热量并转移到需供暖的建筑物内，同时可以实现夏季制冷、冬季供暖，是一种高效、节能、环保的热泵系统。地源热泵系统主要由四部分组成：一是热泵机组，二是地热能采集系统，三是室内空调系统，四是控制系统。地热能采集系统是指通过载热流体向地下水、地表水或土壤放(取)热量的系统。 图2．1为典型地下水地源热泵系统图，如图所示，系统夏季工况下阀门Vl开启V2关闭，蒸发器中流出的冷冻水送至用户，降低建筑内的温度和湿度，而中间传热介质在冷凝器中吸收热量后，通过板式换热器与地下水换热，吸热后的地下水被排入回灌井返回地下同一含水层，同时蓄热，以各冬季使用。系统冬季工况下阀门 V2开启V1关闭，冷凝器中流出的热水送至用户，提高建筑物内的温度，而中间换热介质在蒸发器中吸收冷量后，通过板式换热器与地下水换热，吸收冷量后的地下水被排入回灌井后返回地下同一含水层，同时蓄冷，以备夏季使用。 3.2地源热泵系统的分类 3.2．1地埋管地源热泵系统 地埋管地源热泵系统是通过埋于地下的埋管换热器与土壤进行热交换的闭路循环地源热泵系统，通常采用水一水式或水一空气式热泵机组。其系统原理图见2．2，系统有三个环路组成，即室内环路、室外环路和制冷剂环路。室外环路中的循环流体与周围土壤换热，夏季制冷工况下管内流体将热量释放到土壤中，冬季供热工况下系统逆向运行，管内流体从土壤中吸收热量。 根据地下换热器埋管形式的不同主要分为垂直埋管和水平埋管两类。水平埋管设置在地下1-3m深处，又有单管和多管两种形式。此系统施工简单，造价低，但是埋管面积大，易受气候环境的影响，系统运行不稳定，能耗高，系统效率低。垂直埋管设置在直径为O．1～0．15m深度为40～200m的竖直钻孔中，孔中放入1或2组U型管，并用回填材料填实。该系统占地面积小，系统运行稳定，能效比高，但是施工较困难，造价偏高。 3.2.2地表水地源热泵系统 地表水源热泵系统主要是以池塘、湖泊或河溪中的地表水作为冷热源，适合应用于靠近江河湖海等自然水体的建筑物。它可以分为开式系统和闭式系统：开式系统即从自然水体底部抽取地表水，并直接流入热泵换热器，换热后排入自然水体的表面，为防止干扰，吸水口与排水口需保持一定的距离；闭式系统与地埋管系统相似，多重并联塑料管组成的热交换器放置在地表水中，换热管中的流体与地表水进行热交换。 3.2.3地下水地源热泵系统 地下水源热泵系统以地下水作为冷热源。地下水由水井或废弃的矿井中抽取，换热后的地下水一般要求将其回灌到原来的地下水层。由于地下水温度常年保持在8～12℃之间，且具有较大热容量，是热泵系统很好的冷热源。 3.3地源热泵系统在夏热冬冷地区的积极作用 3.3.1地源热泵系统的环保节能效果 地源热泵的污染物排放, 与空气源热泵相比, 相当于减少40 % 以上, 与电供暖相比, 相当于减少70 % 以上。同时, 制冷剂泄漏率大为减少, 不会把热量、水蒸汽及细菌等排入大气环境, 造成对环境的损害。当室外温度处于极端状态时, 用户对能源的需求量处于高峰期,由于土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟的作用，可以提供较低的冷凝温度和较高的蒸发温度, 节能效果明显。同时地源热泵系统还解决了空气源热泵供暖时受冬季室外空气温度的限制, 在最冷的月份往往无法满足建筑物内舒适空调的要求, 因而需要增加辅助热源,造成能源浪费的缺点。而此地区有丰富的土壤地热资源和地下水资源, 更为地源热泵的实现提供了条件。 3.3.2地源热泵机组运行稳定性 地源热泵最主要的运行特征就是运行工况稳定, 这是因为全年地温值变化不大。夏热冬冷地区大地初始温度一般在15 一20 ℃ 左右, 且随着挖井深度有3 一5 ℃八0伽的温度梯度。地 下水的温度也与同深度的地温值基本相同, 而且土壤越深, 冬夏两季温度越为接近, 这使得在全年运行时工况稳定, 机组性能得以更好地发挥。浅层地表内年平均温度为17 ℃ 左右, 随着运行时间的增加, 初始地温值将有所变化: 夏季时, 由于大量热量排放到地下, 土壤温度升高, 随之冷凝温度上升, 使得制冷系数下降; 冬季则从土壤中吸热导致土壤温度下降, 而使蒸发温度下降, 同时制热系数下降。 3.4夏热冬冷地区地源热泵空调系统存在的问题 （1）地埋管系统依靠地埋管换热器从地下地层中提取能量，热泵机组的热源都是一定扩散半径范围内的土壤。由于地埋管换热器冬夏两季累计向土壤的放热量与取热量并不一定相等，这样就会造成地下土壤的冷热失衡，取放热量不平衡逐年堆积就会超过土壤自身恢复能力，造成其温度不断偏离初始温度，并导致冷却水温度随之变化和系统运行效率逐年下降。因此在地源热泵系统的设计过程中必须结合其特点，综合考虑当地的地质条件以及建筑物的冷热负荷需求，对于冷热严重不平衡的地区，应根据实际条件为地源热泵系统配备辅助加热器或冷却塔等调峰设施，以保证整体系统长期的运行效果。同时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，埋设换热器也需要较大的场地，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，在大型中应用相对困难。 地埋管地源热泵系统的施工质量对系统的运行效果也具有显著影响。施工质量差主要表现在未保证热交换井的深度和孔径、钻孔深度不够、孔径偏大现象非常普遍；受现场地形条件限制实际钻孔间距小于设计间距影响了地下土壤温度的恢复速度继而造成埋管换热器效率的逐年下降；下放埋管换热器时不安装隔离支架形成“热短路”现象影响了换热器的换热效果；不按照设计配方配制回填材料（直接采用原浆回填甚至不回填）影响了系统的最终运行效果。 （2）地下水地源热泵系统也有许多限制。首先，地下水地源热泵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回灌到含水层内，造成地下水资源的流失。 （3）地表水源热泵系统虽然造价、运行费用相对低廉，但其应用会受到自然条件的限制，此外，受气候及水质的影响也较大。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。同时还要考虑这种热泵的换热对水体生态的影响。 4、空气源热泵系统 4.1空气源热泵系统的原理 空气源热泵是以室外环境空气作为冷热源，向被调节对象提供冷量或热量。它根据逆卡诺循环原理，通过输入少量高位电能驱动制冷工质热力循环，从而把空气中的低位热能提升成高位热能加以利用。 4.2空气源热泵系统主要应用优势 （1）高效节能。空气源热泵虽然消耗机械功或电能，但它运行时，不是直接将机械功(或电能)转变为热能来利用，而是借助于消耗机械功把从大气中获取的热能或室内余热连同热泵本身所消耗的机械功一起来对高温热源供热，从而有效地把难以直接利用的低品位热能利用起来达到节能的目的，同时年平均cop在3.5以上。采用空气源热泵技术可以节能50％以上。 （2）冬夏共用，设备利用率高。空气源热泵系统有夏季供冷和冬季供热的双重功效。因其对外界环境条件依赖过大，天气炎热最需要冷量或天气寒冷最需要热量时效率反而下降。夏热冬冷地区冬季平均温度在-3 ～3 ℃之间, 因此这些地区很适合使用空气源热泵热水系统。 （3）无需安装冷却塔，节水节约管道。空气源热泵系统无需冷却水系统，只需将热泵机组安装在室外；无需另设机房，节省了土地资源，产生了附加的经济价值，同时改善了建筑物的外部形象。 （4）绿色环保、安全可靠。由于没有了冷却水系统，避免了对水源水质的污染。空气源热泵在使用过程中不需要任何燃料输送管道，不存在燃料泄漏等引起的中毒、火灾等隐患。另外，在工作过程中无任何有害气体、温室气体排放。 4.3夏热冬冷地区空气源热泵系统存在的问题 （1）通过分析计算可知，一般的热泵装置中，压缩机做功只有30.18%被利用，其中压缩机炬用损失占20.5%，冷凝器占29.8%，蒸发器占10.32%，膨胀阀占9.2%[2]。由此可见空气源热泵空调的节能还有很大空间，主要从提高压缩机效率和强化换热器换热两个方面进行。