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空调系统节能技术

发布时间:2021-09-25 11:15:25 来源:乐鱼体育官网

  第5章 空调系统节能技术 5.1 空调系统节能的途径 表 主要空调方式 类别 空调系统型式 集中空调方式 分散空调方式 全空气系统 空气-水系统 全水系统 直接蒸发式 辐射板式 空调输送方式 定风量方式 变风量方式(即VAV系统) 分区、分层空调方式 空气诱导方式 冰蓄冷低温送风方式 新风系统加风机盘管机组 诱导机组系统 水源热泵系统 冷热水机组加末端装置 单元式空调机加末端设备(如风口) 分体式空调器即VRV系统 窗式空调器 辐射板供冷加新风系统 辐射板供冷或供热 5.1 空调系统节能的途径 ? 空调节能当前研究方向: – 空调设备低能耗和高效率研究,包括能量回收 设备,空气处理设备的节能以及综合利用。 – 蓄冷系统研究。 – 空调方式综合措施研究。 – 空调系统运行的节能。 集中式空调节能途径 ? 集中式空调是由集中冷热源、空气处理机组(又称组合式 空调机组)、末端设备和输送管道所组成。 ? 空调设备节能措施: – 1.机组风量风压匹配,选择运行最佳经济点运行,要求生产厂生 产风机噪声低、效率高。 – 2.机组整机漏风要少, – 3.空气热回收设备的利用。 – 4.尽量利用可再生热源如太阳能、地热、空气自身供冷能力等。 5.1 空调系统节能的途径 ? 空调系统和室内送风方式 – 对于公共建筑,送风方式:高速喷口诱导送风方式, 分层空调技术,下送风方式或座椅送风方式 – 现代化办公和商业服务建筑群、宾馆等常用空调方式: ? 新风机组加末端风机盘管机组:灵活性大,过渡季不能充分利 用室外空气降温。 ? 变风量空调系统方式:价格高昂,维护保养技术复杂。 ? 低温送风空调方式:经空气处理机组送出较低的一次风经高诱 导比的末端送风装置送入空调房间。降低初投资,充分利用冰 蓄冷能提供低温冷冻水的特点,达到节能目的。特点:与冰蓄 冷相结合,和常规全空气送风方式比,初投资少,运行费用低, 节省空间,降低建筑成本。问题:结露问题,舒适感可能降低, 风管密闭性要求,正确选择冷却盘管 低温送风空调方式 表 低温送风与常规空调方式比较 项 目 送风温差(℃) 送风温度(℃) 空调机组尺寸减少比例(%) 风管尺寸减少比例(%) 风机功率减小(%) 低温送风方式 10~20 3~11 20~30 30 30~50 常规空调方式 8~10 10~15 0 O O 表 几种低温送风方式方案比较 项目 方案 系统型式 送风温度(℃) 一次风风量(m3/h) 蓄冰量(%) 用电时间 高峰制冷量(kW) 1 全空气 无蓄冰 12.8 147460 — 昼夜 930 2 全空气 部分蓄冰 4.4 84100 46 昼夜 490 390 3 全空气 全蓄冰 4.4 84100 100 昼夜 890 4 空气—水 部分蓄冰 4.4 31680 46 昼夜 450 390 高峰空调用电量(kW) 制冷/水系统 空气分布系统 白天总耗电量(kW) 年空调电费相对值 系统初投资相对值 284/ 137 421 1 1 115/107 101 216 0.7 0.97 17/292 101 118 0.69 1.18 102/107 59 161 0.49 0.89 5 空气—水 全蓄冰 4.4 31680 100 昼夜 840 25/292 59 84 0.53 1.06 5.2建筑空调节能技术 一、空调设备系统的节能 空调系统的能耗区别与其他能耗的特点是: (1)空调系统所需能源品位低,且用能有季节性; (2)系统同时存在需要冷(热、湿)量和放出冷(热、 湿)量的过程; (3)设计和运行方案的不合理会给系统带来多种无效 能耗。 主要从以下几个方面进行: ? (一)空调系统节能方法 能源 室内温湿度标准 室外空气量 ? (二)空调设计中采用部分负荷分析 空调方式 图 全年负荷的时间频率图 ? (三)建筑设备的自动化系统 5.2 建筑空调节能技术 5.2.1 空调系统节能方法 – 空调系统能源的有效利用,使用太阳能、地热能和热 回收等方式进行供热制冷。 – 合理降低室内温湿度标准。 – 室外空气量的控制:冬夏采用最小新风比,过渡季节 采用全新风。根据室内人员的变化,增减室内新风量, 采用全热换热器,减少新风冷热负荷,在预冷预热时 停止取用新风。 – 空调方式:空调系统合理分区,采用合适的高效空调 系统;加大送风温差,变流量,变风量空调系统,降 低风道风速,减少系统阻力,采用额定负荷和部分负 荷效率高的冷、热源设备,热泵回收系统,蓄冷装置, 计算机自动控制,降低运行费用。室内照明适当降低 照度,充分利用日光照明,考虑顶棚照明的排热利用。 维护管理。 5.2.2 变风量空调节能技术 ? 原理: 由集中式空调器提供某一设定温度的送风(根据最 不利条件确定)给所有空调空间,而各自的送风量是按其负 荷大小自动调节,来达到室温的平衡。 ? 优点: – 在避免任何冷热能量抵消的情况下,实现不同负荷变化特点的各 空调空间的温度自动调节。 – 过渡季节可利用全新风。 – 设备容量小 – 自动控制便于和楼宇自动化管理的计算机相连接,实现中央监控 和调节 ? 缺点: – 初投资高,风机盘管加新风空调方式高2.5倍左右。 – 如何保证新风量,需要加一套装置,使在调节减少送风量的同时 按一定比例逐步开大新风阀,增大自控装置造价。 – 风量稳定设施抵消风道静压变化所产生的干扰作用。 5.2.3 多分区空调节能技术 ? 多分区空调方式属于空调设计合理化的 一种节能措施 。 ? 多分区空调器是一种定风量组合式空调器。与普 通组合式空调器的主要区别是: – 压出式空调器,送风机段位于表冷器和加湿段上游。 – 送风机与冷热交换器之间设一旁通分路,参数由回风 和新风混合而定。 – 经过冷却或加热加湿后送风按分区的数量分为若干之 路,各与不同比例与一部分旁通送风混合,分别送至 各个空调分区。 5.2.3 多分区空调节能技术 ? 主要优点: – 根据各分区负荷变化自动调节送风参数,没有冷热抵消现象。 – 设备容量较小。 – 自控系统偏于实现中央监控和调节。 – 过渡季节充分利用新风冷却代替人工制冷。 – 智能全自动控制装置可以实现非工作时间风机低速节电运行。 – 冷冻水管和凝水管不必进入建筑吊顶,避免管道渗漏,表面结露 问题。 ? 自控系统包括:送风阀调节,电动水阀调节,冬季加湿控 制,新风量节能调节, ? 投资比风机盘管加新风方式高40%左右,与变风量空调方 式比低很多。 5.2.4 分层空调的节能技术 ?概述 ?高大空间建筑中,空气的密度随垂直方向的 温度变化而呈自然分层现象,利用合理的气流 组织,可做到仅对下部工作区进行空调,上部 不空调或通风排热,称为分层空调。可节省冷 负荷30%左右。 ?冷负荷计算:空调区得热形成冷负荷,非空调区 向空调区的热转移负荷。 ?气流组织计算:设计要点包括气流流型,送风口 安装高度,送风参数,对喷射流上边界搭界位置, 射流温度衰减。 ?系统的选择 5.3 空调蓄冷技术 基础知识 ? 蓄冷技术:低于环境温度热量的贮存和应用技术, 是制冷技术的补充和调节。 ? 内容:选择或配制合适的蓄冷材料;合理设计蓄 冷装置;有效地实行冷量的贮存和释放。 ? 方法:显热蓄冷和潜热蓄冷(相变蓄冷)。 ? 显热蓄冷:水蓄冷; ? 潜热蓄冷:冰蓄冷、共晶盐蓄冷。 应用前景 ? 目的:平衡冷量的供应,提高制冷设备效率,降低供冷成本。 ? 应用场合:用冷量波动、间歇供冷、制冷机与用冷量不匹配。商场、 剧院、写字楼。 一次性投 资高 十三陵抽水蓄能 电网 负荷 白天 与深 夜有 很大 调节发电 能力 蓄能成本 高 效率低 电站,投资27亿 元,填补高峰负 荷时发电成本为 1.3元/KWh,是 常规电价的2.5 倍。 的峰 谷差 调节用户 负荷 蓄冷空调 技术 ? 至2019年,日本已有蓄冷空调系统5566个,其中水蓄冷 系统2249个,冰蓄冷系统3317个。 ? 至2000年,我国转移1~1.2×104MW峰负荷到低谷使用, 其中3~5×103MW要依靠蓄冷空调解决。 常规空调系统基本原理 负荷变化大,制冷主机需满足最大负荷,且留备用量。 大多数时间不是满负荷工作,效率低。用电高峰期,电 价贵。 蓄冷空调系统基本原理 常规空调供冷循环 蓄冷循环 联合供冷循环(部分负荷蓄冷) 单蓄冷供冷循环(全负荷蓄冷) 设计基本步骤 ? 确定典型设计日的空调负荷 ? 选择蓄冷方式 ? 确定制冷主机和蓄冷装置的容量 ? 确定运行策略和设计系统循环流程 ? 选择配套设备:循环泵、换热器、阀门及膨胀水箱 ? 计算蓄冷期和供冷期的制冷负荷(蓄冷负荷)与供冷负荷逐 时运行图 ? 经济分析 蓄冷剂选择原则 ? 温度条件:蓄冷空调相变材料最佳的融点和凝固点在5~ 6℃(共晶盐) ? 热物性条件 ? 经济性条件:来源广泛,廉价。 ? 环保条件:无毒、无腐蚀、无污染。 蓄冷设备 分类 显热式 潜 热 式 类型 水蓄冷 冰盘管 (外融冰) 冰盘管 (内融冰) 封装式 片冰滑落式 冰晶式 蓄冷介质 水 冰或其他 共晶盐 冰或其他 共晶盐 冰或其他 共晶盐 冰 冰 蓄冷流体 取冷流体 水 水 制1冷冷吨剂=3023大水卡或=载3冷.51剂7KW 载冷剂 载水冷的剂蓄冷温度为4载-冷6℃剂 制冰冷的剂蓄冷温度为0制℃冷,剂制冷 机水应提供-3~-7℃水的温度 载融冷解剂或凝固温度5载~冷8℃剂 制融冷解剂潜热大,热导率水大 制密冷度剂大 载无冷毒剂,无腐蚀 载冷剂 盘管式蓄冰装置 蛇形 圆形 U形 蓄冷过程 取冷过程:外融冰;内融冰。 内融冰换热热阻大,影响取冷 速率。多采用细管、薄冰层蓄 冷。 外融冰: 空调回水与冰直接接触,换热效果好, 取冷快,供水温度可低达1℃;IPF不大 于50%,故蓄冰槽容积较大。; 封装式蓄冰装置 片冰滑落式蓄冰装置 冰晶式蓄冷装置 ? 原理:通过冰晶制冷机将低浓度的乙二醇水溶液冷却至低 于0℃,然后,将此状态的过冷水溶液送入蓄冰水槽,溶 液中即可分解出0℃的冰晶。 水蓄冷系统 ? 优点: – 投资低,运行可靠,运行效率高,可兼用作消防蓄水 池。 ? 缺点: – 只利用显热,需水量大,开启式蓄水槽。 ? 主要技术问题:保持热回水与蓄存的冷水处于分离状态, 避免热回水与冷水相混合。 ? 解决措施:分层技术,多池系统,隔膜或迷宫和折流板。 分层式 隔膜式 多池式 迷宫式 冰蓄冷系统-基本系统 基本串联系统 外融冰系统 冰晶或冰浆系统 思考题 ? 画图说明蓄冷空调系统的四种基本运行工 况。 ? 请写出常用的蓄冷设备? ? 解决蓄水槽中热回水与冷水相混合的措施 有哪些? 5.4 热泵节能技术 (Heat Pump) 一、概述 ? 所谓热泵,就是靠高位能拖动,迫使热量从低位热源流向 高位热源的装置。 ? 热泵可以把不能直接利用的低品位热能(如空气、土壤、 水、太阳能、工业废热等)转换为可利用的高品位能,从 而达到节约部分高位能(煤、石油、天然气、电能等)的 目的。 ? 矿物能源短缺,热泵技术是一条极重要的节能途径。 ? 热泵始于1852年,威廉.汤姆逊提出所谓“热量放大器” 装置,即为最早的热泵装置。 ? 热泵技术经历了一段漫长而曲折的发展过程,目前已 经得到突破,热泵技术在发达国家得到突飞猛进的发 展,热泵装置已进入了家庭、公共建筑、厂房,得到 了广泛的应用。 ? 目前热泵主要用来解决100℃以下低温用能。 ? 据估计,欧洲在100℃以下低温用能方面的耗能量约占 总耗能量的50%左右。因此,用热泵为暖通空调提供 100℃以下的低温用能具有重大的现实意义。 ? 热泵在暖通空调中的应用不会对环境产生污染。 二、热泵的基本工作原理与评价 1. 工作原理 ? 热泵的工作原理与制冷机相同,都是按热机的逆循环工作 的,所不同的是工作温度范围不同,使用的目的也不同。 ? 制冷机利用吸收热量而使对象变冷,达到制冷的目的; ? 而热泵则是利用排放热量,向对象供热,达到制热的目的。 制冷机与热泵的基本能量转换关系 热泵装置:从环境中吸取 热量,传递给高温物体, 实现供热目的; 制冷机:从低温物体吸取 热量传递给环境中去,实 现制冷目的; 联合循环机:从低温物体 吸热,实现制冷,同时又 把热量传递给被加热的对 象,实现供热目的。 压缩式制冷机工作原理图 在正常的大气压力下,水要达到 100℃才能沸腾蒸发。而在低于 大气压力(即真空)条件下,水 可以在很低的温度沸腾。比如说 在6mmHg的真空条件下,水的 沸点只有4℃。 溴化锂溶液就可以创造这种真空 条件,因为溴化锂(LiBr)是一种 吸水性极强的盐类物质,可以连 续不断地将周围的水蒸汽吸收过 来,维持容器中的真空度。 热泵供热系统原理图 1-压缩机;2-冷凝器;3-节流机构;4-蒸发 器;5-地板辐射供热;6-热网的循环水泵; 7-热网;8-低温热源水的循环泵;9-河水 2. 热泵经济性的评价 ? 问题复杂,影响因素很多。 ? 包括:负荷特性、系统特性、地区气候特性、低位热源特 性、设备价格、设备使用寿命、燃料价格和电力价格等。 ? “节能效果”与“经济效益” 节能效果-制热性能系数COP CO?PQc ?Qe ?1 WW 一般3~4左右 经济效益评价-投资回收年限法 B? I AQ E 一般回收 年限应在 Β:投资回收期(年); 煤价 18.2 元/3G~J 5年40内0 元/吨 气价 50 元/GJ 1.8 元/Nm3 I:热泵系统所需的投资(年);油价 82.8 元/GJ 3328 元/吨 A:燃料价格(元/J); 电价 133.3 元/GJ 0.48 元/KWh QE:热泵系统与传统系统相比,年节约能量(J/年)。 初始投资少 ? 一机多用。一座建筑物要实现冬季采暖、夏季制冷和日常 提供生活热水三项功能,如果采用传统方式,一般需要安 装各自独立的供暖系统和制冷系统,有的还需再独立安装 供热水系统。而如果采用热泵系统,安装一套就可以了。 ? 投资项目少。安装热泵系统,不必再建燃料储存场地和运 输燃料的通道,不必配备特殊的消防装置,不必对配电系 统做大规模的增容。 ? 综合上述因素,热泵系统具备了优异的性能价格比,使用 户用较少的初始投资,得到较多的实惠。 动态费用年值分析 ? 将参与比较方案的系统造 价按资金的时间价值折算 为每年的费用,并与年运 i?1?i?m f ??1?i?m?1?Csys?c 行费用相加得出费用年值, 从若干方案中选取费用年 f—费用年值,元/年; 值最小的作为最佳方案。 i—利率或标准内部收益率,取0.08; m—经济寿命,取15年; Csys—造价(初投资),元; c—年运行成本,元/年。 三、热泵 分类 空气源热泵 水源热泵 水环热泵 地源热泵 地表水热泵 地下水热泵 土壤源热泵 污水源热泵 1. 空气源热泵(Air-source) ? 以室外空气为热源; ? 低温热源的温度随室外温度的变化而改变。其制热量随室外空 气温度降低而减少,这与建筑热负荷需求趋势正好相反; ? 在夏季高温天气,由于其制冷量随室外空气温度升高而降低, 同样可能导致系统不能正常工作; 空气源热泵供热量等于建筑 耗热量时的室外计算温度 ? 当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度时,热泵就难以正 常工作,减少了机组的换热能力,需要用电或其他辅助热源对 空气进行加热; ? 先进科学的化霜技术是机组冬季运行的可靠保障。机组冬季运行 时,换热盘管温度低于露点温度时,表面产生冷凝水,冷凝水低 于0℃就会结霜,严重时就会堵塞盘管,明显降低机组效率,为 此必须除霜,这也消耗大量的能量; ? 在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障 碍; ? 空气源热泵不适用于寒冷地区,但在冬季气候较温和的地区,如 我国长江中下游地区,己得到相当广泛的应用; ? 机组多数安装在屋面,应考虑机组噪声对周边建筑环境的影响。 2 水 环 热 泵 ? 水环热泵系统是用水环路将小型水/空气热泵机组和能量采集装置并 联在一起,为建筑物供热、制冷。系统由室内热泵机组、水循环环路、 其它设备(如浅层地能采集装置)等构成。一般用于全年都有制冷需 要的建筑物中。 ? 主要设备:小型水/空气热泵、循环水泵、水循环环路、能量采集装 置等。 ? 水环热泵系统夏季利用冷却塔或地能将系统内热负荷排放掉,冬季则 将内区的热量转移到需要供热的外区,不足部分由辅助热源(电、燃 气、燃煤、热水、蒸汽、太阳能)供给。 ? 该系统适用于大型建筑物,特别是内区冷负荷较大,而且冬季时内区 仍然需要供冷,而外区需要供热的场合。 工况和性能: 水循环管路温度:15~30?C 供冷时COP可达3.5~4.3 供热时COP可达3.1~4.7 地源热泵 ? 地源热泵的应用只有近二十年的历史。 ? 速度稳步增长:如美国,截止1985年全国共有14,000台地 源热泵,而2019年就安装了45,000台,到目前为止已安装 了400,000台,而且以每年10%的速度增长。2019年美国 商业建筑中地源热泵系统己占空调总量的19%,其中在新 建筑中占30%。 ? 中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅 层地热资源,地下埋管(埋深400米深)的地源热泵,用 于室内地板辐射供暖及提供生活热水。 ? 据2019年的统计,在家用的供热装置中,地源热泵所占比 例,瑞士为96%,奥地利为38%,丹麦为27%。 3. 地下水源热泵(Ground water-source) ? 地下水地源热泵系统可分为开式系统和 闭式系统。 ? 开式系统:将地下水直接供应到每台热 泵机组,经换热后将井水回灌到地下或 直接定点排放。由于可能导致管路阻塞, 更重要的是可能导致腐蚀的发生,通常 不建议在地源热泵系统中直接应用地下 水。 ? 闭式系统就是通过一个板式换热器将地 下水与建筑物内的水系统分隔开,避免 了建筑内热泵系统设备的腐蚀。 ? 地下水源热泵系统又可分为两种,一种为单井式系统,另 一种为双井式系统。 ? 单井式系统在取水井内设置潜水泵,抽取地下水与地上系 统换热后直接排走,由于其不断地大量抽取地下水而不能 进行及时的补充,长期运行会导致地下水位下降,地面基 础降等一系列地质问题,所以已经很少采用。 ? 双井式系统分别设置取水井和回灌井,能在取水的同时向 地下含水层补水,运行稳定性和系统寿命大大提高。但由 于含水层较深,颗粒细,渗透性能差,回灌水较困难。 ? 生活热水系统 ? 由井口换热器将地下水和热泵系统循环水隔开。一定深度的地下水经 潜水泵注入井口换热器放(吸)热后,再返回同一口井中,形成循环。 ? 地下水在返回地下时直接与土壤(砂石)进行换热,使地下水恢复至 初始的温度; ? 由循环泵驱动二次循环水通过热泵蒸发器(冬季)或冷凝器(夏季) 与其内部工质进行热交换, 外部输入电能对低位能量进行提升; ? 由循环泵驱动末端循环水通过热泵冷凝器(冬季)或蒸发器(夏季) 与其内部工质进行热交换,通过末端装置与室内环境进行热(冷)交 换,满足建筑物冬季供暖或夏季制冷。 井深:100m一口井:3000m2左右 国家大剧院 金 四 季 购 物 中 心 金 泰 阁 海淀外国语实验学校 ? 项目特点:该校总占地240亩,共有9栋建筑。各建筑物相 对分散,冷热源机房设计体现了机房按冷热负荷要求灵活 布局的特点,采用分散冷热源形式,机房面积小,无需其 他辅助建筑。机房附近设置冷热源井,外管线短, 热损失 小;各机房独立运行,调节灵活,运行费用低。 ? 运行实况:该系统于2019年9月投入运行,系统运行效果 良好。北京市统计局对其进行了能耗测定分析,冬季供暖 期为126天,建筑总耗电2072248度,其中供暖耗电量为 2063283度,新风耗电量为4600度,生活热水耗电量为 11693度。每平米建筑面积耗电量为31.73度。单位面积供 暖费为14.29元/平米,生活热水加热费为5.23元/吨。 ? 电费:峰 0.54,平 0.54,谷 0.2元/度 海淀区政府大楼 ? 项目特点:该项目地上12层、地下3层,建筑容积率高, 室内采用风机盘管加新风系统。 ? 运行实况:该项目应用集中式机房,设备利用率高,管理 方便,运行费用低。该系统于2019年投入运行,系统运行 效果良好。北京市统计局对其进行了能耗测定分析,冬季 供暖期为126天,其中供暖耗电量为1819049度,新风耗电 量为457320度,生活热水耗电量为10231度。单位面积供 暖费为24.64元/平米(含新风),不含新风的供暖费用为 17.29元/平米。生活热水加热费为6.5元/吨。 ? 电费价格:峰0.67;平0.67;谷0.23元/度 ? 当然,应用这种地下水热泵系统也受到许多限制。首先, 这种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,不仅钻井的费用增加,运行中水泵的 耗电将大大降低系统的效率。 ? 国外由于对环保和使用地下水的规定和立法越来越严格, 地下水源热泵的应用己逐渐控制。 ? 对于我国地下水源并不丰富,且回灌技术不成熟,很容易 造成水源流失及污染,而水资源是当前最紧缺、最宝贵的 资源,任何对水资源的浪费或污染都是绝对不可允许的, 因此,推广这项技术应当非常慎重。 存在问题 ? 1)初期投资偏高: 打井费用、机组费用、管道及控制设 备的费用等。水井的单位打井费用是随着井深的增加而增 加的,因此对初投资影响很大。 ? 2)受地质条件的制约 ? 3)对水源水有较为严格的要求:水量充足、水温适度、 水质适宜、供水稳定。 –水源水的水量必须能满足用户制热负荷或制冷负荷的 需要。 –水源的水温应适合机组运行工况要求。 –水源的水质,应适宜于系统机组、管道和阀门的材质, 不至于产生严重的腐蚀损坏。 –另外水源系统供水具有长期可靠性,能保证水源热泵 长期和稳定运行。 –该系统冬季取抽水井的热水取热后回灌到回灌井中; 而夏季则抽取回灌井的低温水,回灌到抽水井中。 ? 4)受当地能源政策的限制 –地下水作为国家战略储备物质,其利用更是受到国家、 当地政府的严格控制。虽然总体来说,地下水源热泵 的运行效率较高、费用较低,但与传统的空调制冷取 暖方式相比,在不同的地区不同需求的条件下,其投 资经济性会有所不同。 ? 5)井的老化:砂堵、腐蚀、胶结、岩化等。 ? 6)回灌问题 –回灌的目的就是储能,提供冷热源,亦即冬灌夏用, 夏灌冬用。另外为保持含水层水头压力、防止地面沉 降、保护地下水资源,也必须回灌。 –但是,由于成井质量、回灌技术等原因,很难保证达 到100%回灌。通过对地下水源热泵的实例调查发现, 回灌率最高的可达到80%,最低的仅有20%,在回灌率 较差的地方已经出现较为严重的地面沉降。 4. 地表水热泵 ? 地表水地源热泵是利用江、河、湖、海的水作为热源或热 汇的热泵系统。这种热泵系统要求具有足够体积的地表水 源可供使用而且地理位置便利。当然,这种地表水热泵系 统也受到自然条件的限制。 ? 与空气源热泵相似,地表水源热泵的热源温度受气候的影 响较大,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 度等多种因素有关,需要根据具体情况进行计算。 ? 这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先 加以考虑。 ? 根据热泵机组与地表水的连接式不同,地表水热泵系统可 分为开路和闭路两种系统。 ? 在寒冷地区,开路系统并不适用,只能采用闭路系统。 ? 总的来说,地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、 维修率低以及运行费用少等优点。 5. 土壤源热泵(Ground-source) 土壤热源的特点 ? 土壤热源和空气热源相比,具有如下特点: ? 1)土壤的蓄热性能好。土壤的温度变化较空气温度的变 化有滞后和衰减的特点。这使得土壤作为热泵的低位热源 与空气源相比更能适应负荷的变化,能与负荷较好的匹配, 这对热泵的运行是有利的。 ? 2)土壤的热容量大。土壤的温度较空气的温度变化要稳 定,当热泵制热工况运行时,土壤热源的温度要比空气源 的温度高。从而使得在同样的工况下,土壤源热泵的性能 系数更高。 ? 3)土壤的热流密度小。为20~40W/m2,一般为25 W/m2。 这就决定了当土壤作为热泵的单一低位热源时,其承担的 负荷不宜太大,一般只用于负荷不大于1MW的场合。另外, 土壤源热泵有一定的面积要求。 土壤的热物性 ? 土壤是一个非均质的,多相的,颗粒状的多孔系统。 ? 自然界中的三相也在土壤中存在:固相,由土壤颗粒组成; 液相,即为土壤空隙中的水与土壤的溶解物形成的土壤溶 液;气相,为土壤中的空气。每种成分所占的比例影响影 响土壤的热物性。 ? 土壤的热物性参数主要有:土壤的比热、含水率、密度、 孔隙率、导热系数和导温系数(热扩散系数)等。其中土 壤的含水量和密度对其导热系数起着决定性的作用。 土壤温度 ? 土壤热量来源于三个方面:太阳的辐射能、地球内部向外 输送的热量和土壤微生物分解有机质所产生的热量。 ? 对一般土壤来说,太阳辐射能是其热量的主要来源,生物 热与地热只是在某些特定条件下才能发挥作用。 ? 土壤温度是土壤热量的表现形式。土壤热量的基本来源既 然是太阳辐射能,那么土壤温度必然随着太阳辐射能的变 化而有相应的变化。 ? 土壤表层日间增热和夜间散热,引起土壤温度有明显的日 变化。由于土壤热量是从地面逐步向下输送,在不同的下 层深处,由于受热散热的先后和程度不一,它们温度变化 的情况也不相同。 ? 一般规律是:1)表土的日最高温出现在下午2时前后,最低温出现在 清晨6时,即日出之前;2)下层土壤最高温与最低温出现的时间落后 于表土。下层土壤温度变化不如表土大,在2米深处,土壤温度的日 变化消失;3)白天表层土温高于下层,晚间下层土温高于表层。 埋管材料 要求:较好的导热性能、较高的强度和抗腐蚀性能、经 济。 50年代:金属管,抗腐蚀性差。 70年代后:塑料管,寿命50年。 聚乙烯:高密λ=0.46-0.52W/(m.K) 聚丁烯(PB):λ=0.23W/(m.K) 聚氯乙烯:硬质λ=0.13-0.29W/(m.K) PVC:软质λ=0.13-0.17W/(m.K) 各类地源热泵优缺点比较 污水源热泵 ? 污水源热泵技术有机地将污水排放与城市能源结合起来, 实现了“变废为宝”。 ? 污水源热泵技术在美国、北欧及日本等国家已经有了广泛 的应用,2019 年初,中国内地首例利用污水作为能源供 热制冷的项目在北京市密云污水处理厂开始试运行。 ? ① 污水水质的优劣是污水源热泵供暖系统成功与否的关 键,因此要了解和掌握污水水质以判断其是否可作为低温 热源。 –同时,也要针对污水水质的特点,设计和优化污水源热 泵的污水/ 制冷剂换热器的构造,换热器应具有防堵塞、 防腐蚀、防繁殖微生物等功能,通常采用水平管淋水式 或浸没式换热器。 ? ② 城市污水干渠(污水干管) 通常是通过整个市区,如果 直接利用城市污水干渠中的原水作为污水源热泵的低温热 源,则可节省输送热量的能耗,从而提高其系统的经济性。 –但同时应注意:在取水设施中设置适当的水处理装置 (见图) ,考虑利用原水余热对后续水处理工艺的影响, 如原水水温降低过多将会影响市政曝气站的正常运行。 国外应用情况 ? 目前,污水源热泵的技术是成熟的,国外工程实例很多。 ? 20 世纪80 年代初在瑞典、挪威等北欧国家建造的一些 以污水为低温热源的大型热泵站相继投入运行。 ? 目前,瑞典斯德哥尔摩有40%的建筑物采用热泵技术供热, 其中10 %是利用污水处理厂的出水。 ? 挪威奥斯陆1980 年开始建设利用城市污水干管的污水作 为低温热源的热泵站,第一台热泵机组已在1983 年投入 使用。 ? 由于能源危机和环境问题的日益突出,美国、日本、德国 等发达国家纷纷投入大量的财力和人力进行此项研究,并 取得了一定的成果。 ? 采用热泵技术回收家庭生活污水(淋浴水、洗碟机和洗衣 机排水等) 余热的设施实例也很多。对于约10 人的住宅, 采用热泵技术回收家庭生活污水余热可节能达50 % ,对于 10 人以上的住宅可节能达60 %。 国内应用前景 ? 根据“十五”计划纲要要求,2019 年城市污水集中处理率 将达到45 % ,根据国务院2000 年36 号文件,2019 年城市 排水管道普及率和城市污水处理率分别达到90 %和60 % , 城市污水排放总量为464 亿 m3/ a ,城市污水二级处理将 增加6.157 万 m3/ d。 ? 在污水资源化过程中如何回收和利用污水余热是一项十分 重要的任务。 ? ① 城市污水是一种巨大的低温余热源。北京地区以高碑 店污水处理厂为例,其二级出水温度在冬季为13. 5~16. 5 ℃,夏季为22~25 ℃;黄河以及长江流域污水处理厂的 二级出水温度为17~28 ℃;哈尔滨某药厂污水温度也在 20 ℃左右,且在整个采暖期内水温波动不大,因此城市污 水是水/ 水热泵或水/ 空气热泵优良的低温热源。 ? ② 我国污水的排放量巨大且主要集中在城市。例 如,2000 年黑龙江省污水排放量为11. 37 亿 m3 (其中工 业废水为5. 26 亿 m3 ,生活污水为6. 11 亿 m3) ,主要 集中在哈尔滨、大庆、牡丹江等10 个城市中,可见回收与 利用污水余热关键在于回收城市污水余热用于城市供暖, 因二者地点吻合而易于实现。 ? ③ 工业净化后污水数量十分可观。哈尔滨某厂污水处理 站流量达1. 5 万 m3/ d (625 m3/ h) ,冬季污水温度在 20 ℃左右。若采用热泵技术将净化后的污水降低1 ℃就 可获得约1 t/ h 蒸汽的热量,可供建筑面积约为1 万 m2 的采暖。因此,建立供工业企业用的热泵站回收污水余热 是工业企业节能的主要途径。 ? 我国城市污水源热泵技术的推广应用刚刚起步,处于试验 和研究阶段。 ? 北京市排水集团在高碑店污水处理厂开发了污水源热泵试 验工程,利用热泵装置向300 m2 的车间和600 m2 的机房 冬季供暖、夏季制冷,经三年的运转效果良好。 ? 继高碑店污水源热泵试验工程后,北京市排水集团又在北 京北小河污水处理厂安装了一套规模更大的污水源热泵, 为该厂6000 m2 的办公楼和厂房供热与制冷。 污水源热泵的优越性 ? ① 城市污水排放量巨大,污水源十分丰富,如北京高碑 店污水处理厂排放量为100 万 m3/ d ,可解决500 万 m2 建筑物的供热供冷问题。 ? ② 与地下水源热泵相比,既可省掉打井费用,又不需要 抽水与回灌所需的动力,也可避免出现由于回灌不当而引 发的地下水资源的破坏问题。 ? ③ 显示出较好的经济效益。北小河污水处理厂原采用 燃煤锅炉供暖,运行费用约为20 万元/ a ,按北京市环保 的要求应进行改造,如改用燃油锅炉供暖的运行费用为45 万元/ a ,用天然气锅炉供暖费用为37 万元/ a ,而改为 污水源热泵供暖的运行费用为22 万元/ a ,与燃煤锅炉 供暖基本相同。 ? ④ 将城市污水处理的水量和热量同时回收与利用是一种 面向21 世纪的理想的城市污水综合利用方法,是城市污水 资源化的有效途径。 工程实例 ? 背景介绍 ? 北京某钢厂在生产过程中需用自来水对钢材进行淬火处理, 产生大量35℃的工业污水,水量3200吨/天。因工艺要求, 需用冷却塔将污水降温后循环使用,造成大量能量浪费。 该污水水质较好,可直接用于热泵系统的热源,不需任何 过滤装置和中间换热设备。鉴于此,采用污水源热泵系统 回收污水中的热量,用于周围住宅建筑的采暖和生活热水 供应。 ? 方案设计 ? 本系统利用生产污水中的热量,采用污水源热泵系统进行采暖和生活 热水供应。本系统的生产污水是很好的中品位热源,且流量大,有着 非常大的热能利用潜力。 ? 因采暖系统和生活热水系统功能的差异及对水质要求不同,本方案把 采暖系统和生活热水系统分开,采用两套污水源热泵机组。95% (3040吨/天)的生产污水用于采暖,5%(160吨/天)的生产污水用 于生活热水,生产污水的出水温度控制在20℃(满足循环使用要求)。 ? 生活热水系统可采用富尔达LSBLGRG(I)110型热泵机组1台,供 水温度为65℃,自来水温度10℃。为稳定水压和调节供水量,特设置 贮热水罐。另外,通过循环水泵保证20%的循环水量,以维持管中一 定的热水温度。用水泵进行补水或给水,补水箱可和采暖系统共用。 采暖系统可采用富尔达LSBLGRG-1100M型热泵机组2台,供水温 度65℃,回水温度50℃。用补水泵进行补水,补水需经过软化和除氧 处理后方可进入系统。 污水源热泵采暖、生活热水系统图 改造前 冷却塔 燃油锅炉房 改造后 污水源热泵 省电、省油、无污染!!! ? 技术参数和指标 采暖系统技术参数与指标 供水温度 65.0 回水温度 50.0 热泵机组供给热量 171,547,200.0 供热负荷 1,985,500.0 采暖热指标 60.0 采暖面积 33,091.7 循环水量 113,891.0 补水量 5,694.6 ℃ ℃ kJ W W/m2 m2 kg/h kg/h 生活热水系统技术参数与指标 自来水温度 10.0 ℃ 生活热水温度 65.0 ℃ 热泵机组供给热量 9,028,800.0 kJ 供热负荷 104,500.0 W 生活热水量(每天) 39,250.5 kg/d 生活热水量(每小时) 1,635.4 kg/h 生活给水量(补水量) 1,308.4 kg/h 生活热水循环水量 327.1 kg/h 系统每天产生约40吨生活热水,每天每户生活热水用量以80 公斤计算,该系统可供应500个用户的生活热水。 ? 经济性分析 不同热源采暖系统初投资与运行费用比较 热源类型 热泵 燃煤 燃气 燃油 电 初投资 (万元) 387 165 496 529 364 运行费用 (万元/年) 13 79 107 149 211 运行费用 (元/平米.年) 4 24 32.3 45 63.9 不同热源生活热水系统初投资与运行费用比较 热源类型 热泵 燃煤 燃气 燃油 电 初投资 (万元) 28.7 18.4 55.2 58.8 40.4 运行费用 (元/吨) 1.6 7 14.4 25.4 32.3 运行费用 (万元/年) 2.3 9.9 20.3 35.9 45.6 回收回期收(期年()年) 3.9 4.0 3.8 34..50 33..05 23..50 22..05 12..50 11..05 01..50 00..05 0.0 燃煤锅炉 燃煤锅炉 2.8 1.6 燃气锅炉 燃气锅炉 1.9 0.9 燃油锅炉 燃油锅炉 1.3 0.7 电锅炉 电锅炉 污水源热泵采暖系统的回收期 污水源热泵生活热水系统的回收期 动态费用年值 热源类型 热泵 燃煤 燃气 燃油 电 采暖系统 (万元/年) 58.5 98.8 164.9 210.8 254 生活热水系 统 7.3 13.1 30 46.2 52.7 (万元/年) 思考题 ? 画图说明热泵的工作原理。 ? 热泵的分类有哪些? ? 地下水源热泵的存在问题是什么? ? 试比较地源热泵的优缺点。


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