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水源热泵、地源热泵、空气源热泵机组

水源热泵、地源热泵、空气源热泵机组

一、热泵的定义及基本原理。
热泵是一种节能装置,将低热源(通常是空气、水或土壤)的热能转移到高热源,以便为住宅、商业、工农业供暖、冷却和提供热水。
以室内采暖为例,解释了热泵的节能效果。下图提供了三种加热方案。如果10kW热量供应到室温20℃,燃煤加热需要提供14.286kW化学能(70%燃煤效率),排放大量污染物;电阻加热器直接加热室内空气,至少10kW;电驱动热泵到室内加热,只消耗2.857kW(COP3.5)。可以看出,热泵加热减少了大量的高能耗。
二、三种热泵机组的常见特点。
1.空气源热泵机组。
以室外空气为热源的热泵机组称为空气源热泵机组。空气源热泵是最常见的热泵形式1。根据冷却介质的不同,可分为空气/空气热泵(如分体式柜式热泵空调、热泵窗式空调等)和空气/水热泵(如空气源热泵热水器、空气源热泵冷热水机组等)。下图为空气源热泵原理示意图。
空气源热泵机组的安装和使用相对简单方便,机组运行有一定的噪声。一方面,空气源热泵机组一般不需要外壳结构,布置在室外;一方面,空气热容量小于水,在相同的换热要求下,空气源热泵机组需要比水大得多,因此选择的风扇也较大,导致空气源热泵机组噪声增加。
当室外空气侧换热器的表面温度低于周围空气的露点温度和0℃时,换热器的表面会结霜。机组结霜会降低室外换热器的传热系数,增加空气侧的流动阻力,降低机组的COP和加热能力。
2.土壤源热泵。
以地下常温土壤或加热岩土为热源的热泵机组称为土源热泵机组。如下图所示,土源热泵通过埋在建筑物周围的管道系统在冬季从土壤中取暖,并在夏季向土壤排放热量,以冷却建筑物。
与地表水和空气相比,土壤温度全年波动较小,夏在夏季和冬季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度,使热泵机组运行更加高效、稳定、可靠。通常,土壤源热泵消耗1kWh的能量,用户可以获得4kWh以上的热量/冷量。
与空气源热泵相比,土壤源热泵无除霜问题,热泵机组一般布置在室内,隔音效果好,降噪措施好。
土壤传热性能差,通常需要较大的传热面积,导致埋管占地面积大或埋深较深。从长远来看,埋管对未来土地开发的影响也需要考虑。此外,埋地管道的成本较高,如果运行中出现故障,则不易维护。
土壤源热泵在冬季从地下取热,在夏季从地下取热。当冬季和夏季取热和排热负荷不平衡或热量补充和消耗不足时,长期使用容易导致地温升高或降低,降低热泵的换热效果。因此,在设计过程中应进行热平衡计算。如有必要,土壤的长期温度波动可以通过辅助冷却和加热来控制。
三、水源热泵
以地表或地下水源为热源(或热汇)的热泵机组称为水源热泵机组。水源热泵的水源主要来自地下水、地表水、污水和废水。下图是其原理示意图。
与其他类型的热泵相比,水源热泵机组的水温相对稳定,波动范围小于空气。可用水温可在夏季和冬季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。因此,水源热泵机组运行稳定可靠,冬季空气源热泵除霜无问题。
取水结构复杂,更适合中大型工程。大型水源热泵机组的供热能力一般在1000~3000kW左右,大型热泵站水源热泵机组的供热能力可达15mW.20mW.25mW.30mWV。
水源热泵的应用应首先了解当地水源,充分调查水源状况,确定用水方案。如果使用地下水,必须考虑回灌问题,并结合当地地质条件考虑回灌方法。回灌困难是大多数项目遇到的问题。地下水源热泵的应用应谨慎。
三、测量热泵制造的运行能力和节能参数。
通常使用以下参数来评估热泵机组和系统的加热/制冷能力。
(1)加热量(Qh)
当热泵根据加热条件运行时,单位时间内向热用户(热汇)提供的热量,即加热条件下热泵机组冷凝器提供的热量。加热量用于测量热泵机组的加热能力。
(2)制冷量(QC)
当热泵按制冷条件运行时,单位时间内从冷却物体中提取的热量,即制冷条件下热泵机组蒸发器吸收的热量。制冷量用于测量热泵机组的制冷能力。
(3)性能系数(COP)
定义为热泵机组的加热(或制冷)与其消耗功率之比,其值用W表示,无因次数。COP值是与运行条件相关的量。在热泵性能评价中,通常使用其额定条件的COP值,反映了热泵额定条件的性能。
(4)制热季节能效比(HSPF)
在加热季节,当热泵加热运行时,向室内输送的热量总和与消耗的高能总和之比用kWh/kWh表示,称为HSPF。
(5)年度性能参数(APF)
由于热泵通常在冬季和夏季运行(加热和制冷条件),APF被定义为以一年为计算周期的综合性能。同一热泵在制冷季节从室内消除的热量与制热季节向室内输送的热量总和与同一时期消耗的高能总和之比。其值用KWh/KWh表示,简称APF。在热泵性能评估中引入APF将使用户了解更接近实际使用状态的热泵能耗和年能耗。
(6)能源利用系数(E)
将热泵机组的制热量(制冷量)与消耗的主要能量之比定义为。热泵的节能效果通常用E来评价。
水源热泵、地源热泵、空气源热泵机组插图