太阳能及水源热泵在建筑节能中的应用

作者:达科机电设备(北京)有限公司发布时间:2019-12-02

摘  要: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。
关键字:水源热泵 地源热泵 太阳能 建筑节能

一地下水热泵

  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。

  水源(地下水)热泵流程简图因地源热泵70%的能源来自土壤,消耗电能较少,其热效率较高,COP值一般为3-5,即每消耗一度电它可放热量为3-5 KW

  以北京现有的工程为例:

  采暖空调面积:70,000平方米

  系统水量:10.6t/min

系统类型

  费用

土壤地源热泵

传统中央空调加燃气锅炉系统

单位价格(元/平米)

总价格(万元)

单位价格(元/平米)

总价格(万元)

总投资

设备费

224

1572

219

1533

工程费

136

952

147

1029

合计

360

2524

366

2562

运行费(一年)

供暖

12.9

150.1

26.23

266.2

制冷

6.5

11.81

占地费用

2500

31.5

2500

31.5

  (参考工程:中美两国政府可再生能源合作项目--北京土-气型地源热泵示范工程)

二地耦管式系统

  地下耦合热泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统。通常称之为“闭路地源热泵”,以区别于地下水热泵系统,或直接称为“地源热泵”。它通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭地下埋管中的流动,实现系统与大地之间的传热。地下耦合热泵系统在结构上的特点是有一个由地下埋管组成的地热换热器 (geothermal heat exchanger, 或ground heatexchanger)。地热换热器的设置形式主要有水平埋管和竖直埋管两种。水平埋管形式是在地面开1~2米深的沟,每个沟中埋设2、4或6根塑料管。竖直埋管的形式是在地层中钻直径为0.1~0.15 m的钻孔,在钻孔中设置1组(2根)或2组(4根)U型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为40~200 m。现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素。竖直埋管的地热换热器可以比水平埋管节省很多土地面积,因此更适合中国地少人多的国情。

  投资及经济性对比分析

系统类型

总投资(万元)

年运行费用

年节约运行费用

节约率

冷水机组制冷加市政管网供热

72.5

4.2

 

 

地源热泵冷暖空调系统

78.7

1.8

2.4

57%

 

  (参考工程:四层综合楼,总建筑面积为2070.8m2。空调使用面积约为1600m2)

三海水源热泵

  海水源热泵空调系统由于其能够利用蕴藏在海水中的巨大热能资源,近年来在许多沿海城市,正逐渐受到人们越来越多地关注。海水源热泵空调系统就是利用海水做为热源或热汇,并通过热泵机组,加热热媒或冷却冷媒,最终为建筑提供热量或冷量的系统。海水中所蕴含的热能是典型的可再生能源,因此,海水源热泵空调系统也是可再生能源的一种利用方式,中央空调通风管道,是一种具有节能、环保意义的绿色供热空调系统。

  海水热泵空调系统的优势分析

  与目前通常采用的各建筑单独设置电制冷机组制冷和锅炉房热水供暖的方式相比,主要有如下方面的优势:

  (1)可以充分利用各用户负荷分布多样性特点(即并非所有的用户都在同一时刻达到峰值负荷),减少设备的总装机容量,也有利于降低自身的初投资。

 

 

  (2)大型热泵机组的COP值比小型机组的要高,提高了能量利用效率。

 

  (3)虽然热泵机组通常仍需要用电实现制冷/热,但由于它在一年的大部分时间里都在较高的COP值下运行,仍然具有节能优势。


图三 海水源热泵简图

综合分析

  ·地下水热泵与地耦管式系统

  地源热泵技术是暖通空调技术与钻井技术相结合的综合技术,两者缺一不可,这要求工程组织者和工程技术人员能够合理协调、做好充分的技术经济分析。

  对环境的影响:目前地下水的回灌技术不完善,在一定程度上会影响以水为低位热源的地源热泵的进一步推广;此外土壤源热泵空调系统钻井对土壤热、湿及盐分迁移的影响研究有待进一步深入,如何使不利因素减少到最小是必须考虑的问题。

  初投资问题:并不是所有的地源热泵系统都是经济合理的,由于钻井费用可能占到整个系统初投资的50%以上,有些投资者可能会回到传统的空调形式。

  安装维护:目前地源热泵系统的安装费用较高,与电制冷、天然气加热系统的500~800元/ton相比,地源热泵的600~1000元/ton(1ton=1.01605t)显然是高的,它的回收期是5~8年;而且地源热泵系统的维护较为困难,这在一定程度上会影响它的使用。

  ·海水源热泵

 

 

  海岸线较长地区,水源丰富,水温适中,水质良好,而且不易出现冬季结冰问题。

 

  ·对新形式的探讨

  在离海岸线较远处可以利用水源热泵(地下水热泵以及地耦管式系统),来缓解不易获得较大水量而带来的制约性问题,采用热泵 太阳能的联合形式。