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隨著空調工業的發展,先進的中央空調系統不斷出現,地源熱泵中央空調在現代建筑中扮演起越來越重要的角色。人們對地源熱泵空調的要求也不斷提高,節能、環保、靈活成為今后共同追求的目標。本文介紹了地源熱泵系統構成與原理,并在投資回報、運行性能、設備管理、使用期限等方面與其他中央空調形式進行對比分析,充分論述了地源熱泵工程應用在節能、環保上的綜合優勢。
近年來,隨著國際經濟技術合作的不斷深入,地源熱泵中央空調系統已進入我國,通過在工程中的成功運用得到了空調界人士的認可和推崇,成為我國中央空調冷熱源發展的新趨勢,充分體現節能、環保、靈活、舒適的新概念。美國環境保護局已經宣布,地源熱泵系統是目前可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷系統。我國將加快建設以低碳為特征的建筑體系,因而地源熱泵工程將會發揮更大的作用。
1、地源熱泵系統組成及運行原理
1.1、地源熱泵系統組成
地源熱泵空調系統由以后部分組成:地下換熱器、地源熱泵機組、循環水泵、水管環路、水系統控制箱、空調末端設備和室內溫控器等。熱泵機房內裝有地源熱泵機組、水泵、定壓補水裝置及加藥設備等。空調末端則由新風機組、風機盤管、送回風口及安全控制器等所組成。
1.2、地源熱泵運行原理
在冬季,地埋管地源熱泵系統通過埋在地下的由封閉管道構成的地下換熱器,從大地收集自然界的低溫熱量,而后由環路中的循環水把熱量帶入地源熱泵機組提升水溫,通過末端設備將熱量送入室內。在夏季,地源熱泵系統將室內熱量排入環路并為大地所吸收,房屋得到冷量。
2、地源熱泵特點
(1)地源熱泵系統能充分利用蘊藏于土壤和江河湖泊及海水、污水中的低位熱能,循環再生,實現對建筑物的供暖和供冷。
(2)地源熱泵比風冷熱泵節能40%,比電采暖節能70%。比燃氣鍋爐效率提高48%。系統配置較好的熱泵機組的制冷系數(COP)可達到5.0以上,即輸入1千瓦電能,有5千瓦冷量輸出,運行費用較低。
(3)地源熱泵系統運動部件要比常規空調系統少,因而減少了維護量。機組一般均采用標準部件,便于維修。需要經常清理末端設備的空氣過濾網和凝結水盤。
(4)地源熱泵系統在運行中無需燃燒燃料,因此不會產生有毒氣體和污染物,也不會發生爆炸。地源熱泵系統在冬季供暖時,不需要鍋爐,無燃燒產物排放,可大幅度降低溫室氣體的排放。據美國地熱協會提供的報告,僅美國肯塔基州路易斯維爾市總建筑面積15.8萬平方米的高特.豪斯飯店地源熱泵系統,每年可減排CO2849噸;SO219.97噸;NOX14.98噸;微塵2.49噸。2010年世界“達沃斯論壇主會場————新建9.8萬m2的天津梅江會展中心”地源熱泵工程的污染物排放,比常規空調供熱減少了70%。
(5)該系統可廣泛應用于辦公樓、賓館、學校、公寓、醫院、飯店、商場、別墅等場所。在處理好冬夏熱量平衡問題的基礎上,即使是嚴寒地區或熱帶地區也可應用。
3、地源熱泵用于中央空調的綜合優勢
3.1、一機多用
地源熱泵可完全代替冷水機組+鍋爐兩種設備,解決了供暖、制冷設備分設給用戶帶來的不便,同時其熱回收功能可高效提供大量高品質的生活熱水。
3.2、節省空間,穩定運行工況
地源熱泵系統因為沒有常規冷水機組配套的冷卻塔,沒有鍋爐房和其他室外地面設備,因而無需寶貴的地面面積,可產生附加經濟效益,并改善環境外部形象。地埋管置于室外地下,既美觀,又不占用室內空間。室內系統與其他系統相同。此外,機組的運行工況穩定,幾乎不受環境溫度變化的影響,即使在寒冷的冬季制熱量也不會衰減,更無風冷熱泵冬季運行的結霜除霜之慮。也無燃煤、燃油鍋爐儲煤、儲油等既不衛生又不安全的問題。
3.3、使用壽命長
一般來說,常規空調設計壽命10-15年,燃氣鍋爐為8-10年;而設計、施工合理的地源熱泵系統運行工況穩定,其地下換熱器壽命可達50年以上。
3.4、控制簡單
根據用戶要求,可降低控制成本。有利于可采用全系統可編程智能化遠程中央計算機控制,具有隨人流變化而自動調整地源熱泵供冷或供暖處理,實現節能最大化,運行費用最小化。還可設置顯示和打印設備,可存儲、分析各種采暖、制冷、維修等經濟及技術數據,促進系統運行最優化。
3.5、低維護費
地源熱泵系統,操控人員專業門檻低。地源熱泵系統不設冷卻塔、屋頂風機,壓縮機工作穩定,較少出現傳統設備中制冷劑壓力過高或過低的現象,維護費用大大低于傳統空調;一套設備可實現供冷、制熱和生活熱水三種功能,因而減少了對多種供冷、供暖設備的維護量。
4、地源熱泵與其他空調方案性能比較
現將地埋管地源熱泵與VRF空調系統、冷水機組+燃油鍋爐以及溴化鋰冷熱水機組中央空調形式進行分析比較如下:
4.1、初投資與運行費用比較
(1)初投資
地源熱泵:初投資略高;
VRF空調系統(變制冷劑流量多聯分體式空調系統):初投資高;
冷水機組+燃油鍋爐:初投資相對較少;
溴化鋰冷熱水機組:初投資頗高。
(2)運行費用
地源熱泵:可比一般暖通空調節約40%-60%。
以天津為例:市政熱網冬季采暖費為市民25元/m2,工商用戶36元/m2(2011年價格)。夏季空調費約為50元/m2。全年費用為市民75元/m2(工商戶為86元/m2)。而地源熱泵冬季供暖費13元/m2,夏季空調費12元/m2,全年費用為25元/m2。以電價0.6元/kwh計算,一般采暖空調用電45kwh/m2,而地源熱泵用電僅為15kwh/m2。
(3)節能效果
VRF空調系統:通過在不同負荷下調節室外機的輸入功率及制冷劑流量來達到節能效果;
冷水機組+燃油鍋爐:需要制冷機組和鍋爐兩套設備機組,維護需要專業人員;
溴化鋰冷熱水機組:用電量小,使用熱能驅動,耗能比常規空調大30——40%,節電不節能。
4.2、設備結構與維護管理比較
(1)設備結構
地源熱泵:一機三用,一臺機組就可以實現供冷、供熱和供生活熱水,設備結構相對簡單;
VRF空調系統:一套系統可實現供冷和供熱,但生活熱水系統則需另配;
冷水機+燃油鍋爐:需要供冷和供熱兩套設備,結構復雜;
溴化鋰冷熱水機組:可一機三用,但結構較復雜。
(2)維護管理
地源熱泵:系統采用自控系統,系統簡單,維護費用低;
VRF空調系統:隨著管道的加長,對管材材質、制造工藝、現場焊接等的要求也提高,滲漏的可能性增大;
冷水機組+燃油鍋爐:鍋爐房需設置安全裝置,需請壓力容器檢測站每年進行檢測,否則不準使用;冷卻塔需定期清洗,維護費用高;
溴化鋰冷熱水機組:水泵和冷卻塔耗能大,機組需常年保持較高的真空度,冷量衰減快,維護費用高。
4.3、機房占地、使用壽命及其他方面的比較
(1)機房占地
地源熱泵:當使用水—水機組時,所需機房面積較小;使用水—空氣分散式系統僅需要循環泵房;
VRF空調系統:室外機可采用壁掛或立式放置,不需要機房,但影響建筑外觀;
冷水機組+燃油鍋爐:需要冷凍站和鍋爐房;且冷卻塔和儲油設備也需要占用面積;
溴化鋰冷熱水機組:設備及機房的占地面積較大。
(2)使用壽命
地源熱泵:壽命最長,設計施工良好的地埋管部分可達38000小時及以上,地面以上設備壽命約21000小時;
VRF空調系統:一般為25000小時左右;
冷水機組+燃油鍋爐:平均使用壽命約為21000小時;
溴化鋰冷熱水機組:平均使用壽命約為21000小時。
(3)使用范圍比較
地源熱泵:地埋管系統需一定的地下面積,或使用湖泊、河流、池塘或地下水等水源,;
VRF空調系統:適用于對室外美觀要求不高的建筑物;
冷水機組+燃油鍋爐:比較適合于對環保要求不高的地區;
溴化鋰冷熱水機組:適用于煤、油(氣)資源極為豐富的地區,或可以利用熱電廠或其他廢熱的地區。
(4)其他方面的比較
地源熱泵:沒有室外機,不影響建筑物美觀,無環境污染,需要建筑物周圍有一定的空地或可以利用的湖泊、池塘、河流等水源;
VRF空調系統:主機安裝高度有限制。機組不宜設置過密,否則通風不暢;室外機影響建筑物外部美觀;
冷水機組+燃油鍋爐:適應性強,但污染環境,運行維護復雜,鍋爐房需要設置自動安全報警裝置,啟動時對電網的沖擊大;
溴化鋰冷熱水機組:節電不節能,需蒸汽等大量余熱、燃油(氣),會造成空氣污染。
總而言之,地源熱泵空調作為一種新型的中央空調形式,可節省建筑空間,提高投資效用,操作及維護相對便捷,使用期限相對延長,廢棄排放量相對較低,在節能、環保上享有相當大的優勢。在經濟效益與社會效益并舉的今天,地源熱泵空調系統必將進一步獲得重視,得到越來越廣泛的開發和應用。
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