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效率高_环保效能好的供热制冷装置_地源热泵的开发与利用
文章编号(2001)0220096207效率高、环保效能好的供热制冷装置———地源热泵的开发与利用高青,于鸣(吉林大学南岭校区热能工程系,吉林长春130025)摘要:地下浅层地能资源(包括土壤、地下水、地表水和人类的生产生活低位能量等)的非开采利用,可以通过热泵装置实现供热和制冷的双重作用。地源替代常规空气源,充分利用了地温逆变性(冬暖夏凉)和常年温变小以及蓄能的特点,实现了能量的再利用和良好的环保效能。使在北方冬季应用热泵供暖系统成为现实,并可实现供热制冷系统一体化。本文概述了国内外该领域的发展状况和该技术的可行性。关键词:供热制冷装置;地能资源;地源热泵中图分类号:TK01+9文献标识码:A引言0目前,供热制冷热泵系统主要用空气和水作为冷热源。由于受环境季节性温度变化的制约(即夏季供冷时,大气环境温度高;冬季供热时,大气环境温度低),增加了系统运行的能耗,工作效率低,甚至冬季在北方寒冷地区无法使用。根据热力学原理,降低冷凝温度或提高蒸发温度都将提高制冷循环效率并节约能源。因此,若能寻找到更理想的新热源形式取代或部分取代目前多采用的空气热源,不但可提高效率,达到明显的节能效果,更主要的是能降低或消除夏季空气源热泵装置(空调)对大气环境的“热污染”和噪声,并实现一套冬季采暖、夏季制冷和提供热水等功用的系统,将对环境保护产生更深远的社会效益。同时可解决热泵供热制冷系统在北方应用的难题,使热泵供热制冷系统的应用不受地理环境的限制。因此,利用地能资源的地源热泵被称之为21世纪最有效的供热制冷高效绿色环保技术。据文献1~4统计,锅炉供热系统中的电热锅炉供热只能将90%以上的电能转化为热量,燃料锅炉供热只能将60%~85%的燃料能转化为热量,供建筑环境使用。而地源热泵要比电锅炉供热节省2/3以上的电能,比燃料锅炉供热节省1/2以上的能量;又由于地温全年较为稳定,一般为5~25℃,其制冷、供热系数可达3.5~5.5,与传统的空气源热泵相比要高出40%~60%,其运行费用为普通中央空调的40%~60%。因此,十几年来,尤其是近5年来,地源热泵供热制冷系统在北美及中、北欧等国家取得了较快的发展,并以每年10%的增长速度发展。尽管中国在利用地能资源的热泵领域的研究只是刚刚起步,但受国际大环境的影响以及地源热泵具有的节能与环保的显著功效,该研究将日趋活跃,地源热泵市场潜力巨大。可以预计,该项技术将会成为21世纪建筑环境采暖和空调的最有效技术,并可实现真正意义上的环境保护和资源的再利用。在我国大部分地区,地温与地面环境空气相比5,5~10m以下全年地温基本可以稳定于年平均温度,可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。所以从原理上讲,地下资源是一收稿日期:2000210204作者简介:高青(1961-),男,吉林长春人,吉林大学教授。·97·第2期高青等:效率高、环保效能好的供热制冷装置———地源热泵的开发与利用种比环境空气更好的热泵系统冷热源,它可利用地下浅层资源,避免以往地热(如地下热水)开发利用所造成的地质结构的破坏和地面沉降等不利影响。国外的研究表明4,6~9,以土壤源热泵供热制冷系统为例,其主要优点有:节能效果明显,可比空气源热泵系统节能30%~50%;地埋式换热器无需除霜,减少了冬季除霜的能耗;土壤具有较好的蓄能特性,又可与太阳能或其它热能形式联用改善冬季运行条件;地埋换热器在地下静态地吸放热,减小了空调系统对地面空气的热污染及噪音污染。所以若能用土壤源热泵取代空气源热泵,则必然节约能源,并将可能成为新型建筑环境的采暖和空调的换代产品。从目前已有的使用情况分析,它的主要缺点是:地埋换热器受土壤性质影响较大;连续运行时,热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动;土壤导热系数小,导致地埋换热器的面积较大。尽管土壤热源还存在不足,但WorldEnergyConference,InternationalEnergyAgency,InternationalInstituteofRefrigeration等国际著名组织及从事热泵的研究者都普遍认为,由于土壤资源广泛,目前和将来土壤源热泵是最有前途的节能装置和系统,是国际空调和制冷行业的前沿课题之一,也是地能利用的重要形式。人们在研究利用土壤源热泵的同时,应重点加强土壤源高效换热技术的研究(如采用竖置管技术,将平面空间向立体空间延伸),并在此基础上,综合其它地能资源的利用(如非开采利用地下水、江湖河海地表水以及工业和生产废能等),实现地能资源的综合利用。此外,国外地源热泵供暖也积极推动了新兴的PP2C管地板辐射散热器采暖方式的发展。通过近几年的不懈努力,1998年美国暖通空调工程师学会的ASHRAE技术奖就授予了土壤源热泵系统的应用项目。1国内外发展近
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