建筑空調(diào)用能中對(duì)低品位能源的綜合利用

1、建筑空調(diào)用能中對(duì)低品位能源的綜合利用摘要： 本文分析了建筑空調(diào)用能中的熱泵技術(shù)對(duì)各種低品位能源的利用中存在的問(wèn)題，提出了多熱源耦合熱泵系統(tǒng)，綜合、互為補(bǔ)充地利用多種低品位的能源。減少空調(diào)用能中高品位能源的消耗，實(shí)現(xiàn)按質(zhì)用能。 關(guān)鍵詞： 空調(diào)用能 低品位能源 熱泵 綜合利用引言在土壤、太陽(yáng)能、水、空氣、工業(yè)廢熱中蘊(yùn)藏著無(wú)窮無(wú)盡的低品位熱能，由于這些熱能的溫度與環(huán)境溫度相近，因此無(wú)法直接利用。而熱泵技術(shù)可以通過(guò)輸入較少的高品位能源把這種低品位的熱能提高到可以在建筑用能的溫度，（如采暖、生活熱水）。現(xiàn)在的熱泵技術(shù)都是把某一種的低位熱源與熱泵技術(shù)結(jié)合，但是每一種熱泵技術(shù)的應(yīng)用都有一定的不利因素，像土壤

2、源熱泵需要有較大的空間，并且地下?lián)Q熱器比較龐大；太陽(yáng)能熱泵具有間歇性，在晚上和全云天無(wú)法使用；地下水源熱泵會(huì)對(duì)地下水造成污染，空氣源熱泵在冬季要考慮除霜等等。為此考慮可以把多種的熱泵技術(shù)進(jìn)行綜合，綜合各種熱泵的優(yōu)點(diǎn)，以避免不利因素，也就是對(duì)各種低品位的能源與熱泵技術(shù)結(jié)合，互為補(bǔ)充、互為協(xié)調(diào)的利用多種低品位能源。1 熱泵原理圖1 熱泵原理圖1是最簡(jiǎn)單的蒸汽壓縮式熱泵的工作原理圖，它由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流膨脹閥組成。其中，壓縮機(jī)起著壓縮和輸送制冷劑的作用，推動(dòng)制冷劑循環(huán)的進(jìn)行，是熱泵系統(tǒng)的心臟；冷凝器是熱量輸出設(shè)備，它將蒸發(fā)器吸收的熱量連同壓縮機(jī)所消耗的電功一起輸送給供熱對(duì)象；節(jié)流膨脹閥對(duì)

3、制冷劑起到節(jié)流降壓和調(diào)節(jié)循環(huán)流量的作用；蒸發(fā)器是熱量輸入設(shè)備，在此設(shè)備中，制冷劑通過(guò)時(shí)吸收低溫?zé)嵩吹臒崃慷舭l(fā)。根據(jù)能量守恒定律，有：(熱泵)， (制冷機(jī)) 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓縮機(jī)所消耗的電功起到補(bǔ)償作用，使得制冷劑能夠不斷地從低溫?zé)嵩次鼰?，并向高溫環(huán)境放熱，周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)。因此，壓縮機(jī)的能耗是一個(gè)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，一般用性能系數(shù)(coefficient of performance，簡(jiǎn)稱COP)來(lái)衡量裝置的能量利用率，定義為：（熱泵），（制冷機(jī)），顯然，由于和都大于0，因此熱泵的COP值永遠(yuǎn)大于1，即輸入較小的代價(jià)，就可以得到較大的收益。因此，可以說(shuō)熱泵是一種高效節(jié)能裝置，如果把熱

4、泵機(jī)組應(yīng)用于室外低品位熱源和建筑環(huán)境之間，就可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)空調(diào)的功能，因此，熱泵技術(shù)也是空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)施建筑節(jié)能的重要途徑之一，對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源、緩解大氣污染和溫室效應(yīng)起到積極的作用。2 各種低品位熱源（匯）及相應(yīng)熱泵系統(tǒng)的分析2.1 土壤熱源（匯）系統(tǒng)地球是一個(gè)龐大的蓄能體，在地球土壤中儲(chǔ)存著取之不盡、用之不竭的地?zé)崮堋５責(zé)崮苁且环N典型的清潔能源，是可以再生的。在地表活動(dòng)層的下面是一個(gè)常年溫度不變的層，在這個(gè)層中，溫度隨著深度的增加而增加，就目前來(lái)說(shuō)，通過(guò)鉆深井利用地?zé)豳Y源供給建筑用能是不經(jīng)濟(jì)的。但是地表淺層中蓄存的低品位熱能的利用技術(shù)是比較成熟的。這主要是由于土壤作為熱源（匯）具有一些優(yōu)點(diǎn)：熱

5、容量大，土壤的溫度比較穩(wěn)定，變化幅度比較小，有適宜的溫度范圍，地表溫度曾得溫度變化規(guī)律為：1式中：為深h處時(shí)刻的溫度；為地面的平均溫度；為溫度變化的周期；為溫度變化的振幅；為土壤的導(dǎo)溫系數(shù)。因此，土壤熱可以作為熱泵的源或匯，另外土壤的蓄能性能好，土壤溫度變化比空氣溫度變化相位有延遲效應(yīng)。土壤越深，延遲的時(shí)間越長(zhǎng)，其利用的方法是利用熱泵技術(shù)與淺層的地?zé)崮茉聪嘟Y(jié)合，把淺層的地表作為龐大的熱源或者熱匯，成為土壤熱源熱泵。土壤源熱泵是利用淺層的地?zé)崮茉醋鳛闊嵩吹拈]路循環(huán)地源熱泵系統(tǒng)(closedloop source heat Pump)，即通過(guò)載能循環(huán)液(水或以水為主要成分的防凍液)在封閉地下埋管中

6、的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間耦合和熱量的傳熱。冬季熱泵從淺層的土壤中取熱，用于建筑供暖，同時(shí)蓄存冷量以備夏用；夏季熱泵逆向運(yùn)行，將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對(duì)建筑進(jìn)行降溫，同時(shí)蓄存熱量以備冬用。因此，土壤源熱泵既保持了地源熱泵高效、穩(wěn)定運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，又可利用巖土的天然蓄能能力，且對(duì)周圍環(huán)境影響較小，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)。但是，為了與大地土壤之間進(jìn)行傳熱，需要有地下埋管換熱器，并且，埋管內(nèi)的載能流體與管外的土壤之間的換熱系數(shù)小，能流密度很低，需要的地下?lián)Q熱器的表面積就很大，占據(jù)較大的地下和地上空間，初始投資也比較大。2.2 太陽(yáng)能太陽(yáng)能屬于取之不盡用之不竭的可再生的能源，具有以

7、下幾種優(yōu)點(diǎn)，數(shù)量巨大，每年到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能是目前全球總能耗的兩萬(wàn)倍；太陽(yáng)能清潔、安全，幾乎不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生環(huán)境污染。但是太陽(yáng)能的能流密度低，在地面的任意表面上的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度為：，式中為直射輻射強(qiáng)度；為總散射輻射強(qiáng)度；為陽(yáng)光對(duì)平面的入射角。太陽(yáng)能具有晝夜周期性，產(chǎn)生供能的不連續(xù)性，如果直接利用，會(huì)使太陽(yáng)能利用設(shè)備的轉(zhuǎn)換設(shè)備和設(shè)備投資費(fèi)用很高。太陽(yáng)能熱泵2一般是指利用太陽(yáng)能集熱器作為蒸發(fā)器熱源的耦合熱泵系統(tǒng)，不同于以太陽(yáng)能光電或熱能發(fā)電驅(qū)動(dòng)的熱泵機(jī)組。太陽(yáng)能熱泵將太陽(yáng)能熱利用技術(shù)與熱泵技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能直接供熱系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能熱泵的最大優(yōu)點(diǎn)是可以采用廉價(jià)的低溫集熱器，集熱成本非

8、常低。由于太陽(yáng)能具有能流密度低、供能得不連續(xù)性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，常規(guī)的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)往往需要采用較大的集熱和蓄能裝置，并且需要配備相應(yīng)的輔助熱源，這不僅造成系統(tǒng)初投資較高，而且需要較大面積的集熱器，也占有較大的空間。太陽(yáng)能熱泵基于熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性和集熱器的高效性，在相同熱負(fù)荷條件下，太陽(yáng)能熱泵所需的集熱器面積和蓄能裝置容積等都要比常規(guī)太陽(yáng)能系統(tǒng)小得多，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較緊湊，布置靈活。2.3 水源熱泵水源熱泵以低溫水作為低溫?zé)嵩?，可高效地利用量大面廣的地下水、地表水、電廠冷卻循環(huán)水及工業(yè)廢水、污水等作為低位熱源，熱泵COP一般可達(dá)到45，節(jié)能效果十分明顯。由于水體溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)范圍

9、遠(yuǎn)小于空氣溫度的變化，因而水源熱泵不僅性能穩(wěn)定、工作可靠、運(yùn)行費(fèi)用低，而且可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，滿足供暖、空調(diào)及生活熱水的需要。據(jù)美國(guó)環(huán)保署估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的水源熱泵平均可節(jié)約30402的供熱空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用。但是，水源熱泵也有其致命的弱點(diǎn)，它要受到可利用的水源條件、水層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水資源使用政策以及能源結(jié)構(gòu)和價(jià)格等因素的限制。例如，應(yīng)用地下水熱泵需要有豐富和穩(wěn)定的地下水資源作為先決條件，因此在應(yīng)用之前必須做詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能分析。另外，對(duì)地下水的利用會(huì)造成水資源浪費(fèi)，為避免地下水的嚴(yán)重流失，較大的應(yīng)用項(xiàng)目通常要求采用地下水回灌技術(shù)，這目前是一個(gè)難題。同時(shí)保證地下水不受污染(通常采用閉

10、式循環(huán)系統(tǒng)加以解決)。在靠近江、河、湖、海等大體積自然水體的地方利用地表水熱泵是值得考慮的一種空調(diào)熱泵型式，但受到自然條件的限制，一定的地表水體能夠承擔(dān)的冷、熱負(fù)荷與其面積、深度和溫度等多種因數(shù)有關(guān)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算。此外，熱泵的換熱對(duì)水體中生態(tài)環(huán)境的影響有時(shí)也需要預(yù)先加以考慮。2.4 空氣源熱泵室外的空氣也蘊(yùn)藏著取之不盡、用之不竭的低位熱能，并且對(duì)它的利用也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響?？諝庠礋岜靡允彝饪諝庾鳛闊嵩?，用一個(gè)氣-液換熱器與熱泵機(jī)組耦合。具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、初始投資較低、技術(shù)比較成熟等優(yōu)點(diǎn)，在冬季氣候較溫和的地區(qū)，如我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，已得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用?？諝庠礋岜玫闹饕?/p>

11、缺點(diǎn)是室外空氣溫度受到太陽(yáng)輻射的影響，經(jīng)常處于變化中，這對(duì)熱泵的效率的影響非常大，并且在冬季制熱量的變化與建筑熱負(fù)荷的需求趨勢(shì)正好相反，而且在夏季高溫和冬季寒冷天氣時(shí)熱泵效率會(huì)大大降低，甚至無(wú)法工作。由于除霜技術(shù)尚不完善，在寒冷地區(qū)和高濕度地區(qū)熱泵蒸發(fā)器的結(jié)霜問(wèn)題可成為較大的技術(shù)障礙。3 多熱源耦合熱泵系統(tǒng)綜合以上分析，無(wú)論是土壤熱還是太陽(yáng)能作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?，都是要通過(guò)一個(gè)換熱器與熱泵機(jī)組進(jìn)行耦合的。進(jìn)行耦合連接的載能介質(zhì)主要是水或以水為主要成分的防凍液。針對(duì)于熱泵系統(tǒng)的共性，可以把多個(gè)熱源通過(guò)各自的換熱器與熱泵系統(tǒng)連接，形成一個(gè)多熱源耦合的熱泵系統(tǒng)。多種熱源可以互為補(bǔ)充，互為協(xié)調(diào)、互為備用的利用。這樣，多種低品味熱能可以協(xié)調(diào)地利用，多種低品味的能源可以在空調(diào)用能中得到綜合的利用。并且，這樣做也有諸多有利之處，可以避免土壤源熱泵地下埋管換熱器的龐大，減少施工量和造價(jià)；可以避免僅靠太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的供熱不連續(xù)性，以及太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中的龐大的蓄能裝置和輔助熱源；也可以避免空氣源熱泵在夏季高溫和冬季寒冷天氣熱泵效率下降的問(wèn)題。 4 結(jié)束語(yǔ)在建