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水/地源热泵工作原理、燃气、燃煤、空气源热泵对比分析

一、什么是地源热泵

我们先来简单的认识一下什么的地源热泵,地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术,是热泵的一种,热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方。通常热泵都是用来做为空调制冷或者采暖用的。地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力,冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内,夏季再把地下的冷量转移到建筑物内,一个年度形成一个冷热循环。

地源热泵中央空调和传统中央空调相比,最大的特点就在于它的节能性,这也是很多用户不顾高额初投资选择地源热泵中央空调的原因,地源热泵除了节能外,还有很多的优点,我们可以通过与传统中央空调的对比来分析地源热泵到底具有哪些优势,为什么如此深受用户青睐。

从土壤源热泵的整个运行原理来看,土壤源热泵系统实际是真正意义的绿色环保空调,不管是冬季还是夏季的运行,都不会对建筑外大气环境造成不良影响。而普通中央空调系统,将废热气或水蒸气排向室外环境,无一例外的都对环境造成了极大的污染。以地球表

面浅层地热资源作为冷热源,利用清洁的、近乎无限可再生的能源,符合可持续发展的战略要求。

对于普通中央空调系统,不管是采用风冷热泵机组还是采用冷却塔的冷水机组,无一例外的要受外界天气条件的限制,即空调区越需要供冷或供热时,主机的供冷量或供热量就越不足,即运行效率下降,这在夏热冬冷地区的使用就受到了影响。而土壤源热泵机组与外界的换热是通过大地,而大地的温度很稳定,不受外界空气的变化而影响运行效率,因此,土壤源热泵的运行效率是最高的。

地源热泵系统还可以集采暖、空调制冷和提供生活热水于一体。一套热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统,从而减少使用成本,十分经济。

地源热泵系统在运行中的节能特点也是显而易见的:通常地源热泵消耗1kW的能量,用户可以得到4kW以上的热量或冷量,其制冷、制热系数可达4以上,与传统的空气源热泵相比,要高出40%,其运行费用为普通中央空调的50%~60%。达到相同的制冷制热效率,土壤源热泵主机的输入功率较小,即为业主提供了较低运行费的空调系统,在全年时间使用空调的场所,这种效果尤为明显。锅炉只能将70%~90%的燃料内能为热量,因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能,比燃料锅炉节省约二分之一的能量。

对于普通中央空调系统,若设置风冷热泵机组进行冷热空调,则风冷热泵主机的设置必须要与外界通风良好,要么设置于屋顶,要么设置于地面,这对别墅空调受限就更严重。而土壤源热泵主机的设置就非常灵活,可以设置在建筑物的任何位置,而不受考虑位置设置的限制。若设置冷水机组+锅炉进行冷热空调,冷却塔和锅炉的位置就更受限制。因此,就主机的设置而言,地源热泵系统的主机设置是非常灵活的。

一机多用,节约设备用房,应用范围广。地源热泵可供暖、空调,还可用于生活热水供应系统,一套系统可替代锅炉加空调的两套系统,因此一机多用,节省了建筑空间及设备的初投资,机组紧凑,节省设备用房空间,由此而产生的经济效益相当可观。

大地土壤温度一年四季相对保持恒定,冬季也能保持在15℃以上,埋地换热器不会结霜,可节省因结霜、除霜而消耗的能量。

通过详细对比,我们很容易发现地源热泵中央空调优势非常明显,从这里我们也可以看出,为什么政府会大力推广地源热泵系统,地源热泵的普及不仅关系到家庭用户的切身利益,也很大程度上降低建筑能耗,缓解环境能源压力,优化生态环境。舒适360积极响应政府号召,一直倡导舒适健康、节能环保的室内舒适家居生活,已经成功安装多套家用地源热泵系统。

比较项目

地源热泵中央空调

溴化锂吸收式

直燃机组

水冷机组+燃油(气)热水锅炉

水冷机组+电热锅炉

占地面积

机房占地面积小,也可不设专用机房,采用小机组灵活安装在各个房间

机房占地面积较大

需要冷冻机房和锅炉房,占地面积大

需要冷冻机房和锅炉房,占 地面积大

设备寿命

主机25年,地埋系统50年以上

10-15年

冷水机组15-20年燃油锅炉10年

冷水机组15-20年燃油锅炉15年

水资源

消耗

利用土壤和地下水的热量,不消耗水资源

夏季冷却水消耗量为循环量的1%-2%,冬季供热需排污补水

夏季冷却水消耗量为循环量的1%-2%,冬季供热需排污补水

夏季冷却水消耗量为循环量的1%-2%,冬季供热需排污补水

能源消耗

电能,能效比4~6以上

燃油或燃气,能源利用率80%

夏季利用电能,能效比3.5~4.5,冬季燃油或燃气,能源利用率80%

电能,能效比3.5~4.5

环境保护

无燃烧排放,无热岛效应

有燃烧污染,冷却塔有一定的噪音和水霉菌污染

有燃烧污染,冷却塔有一定的噪音和水霉菌污染

无燃烧污染,冷却塔有一定的噪音和水霉菌污染

运行维护

系统组成简单,维护量小,维护方便,节能效果明显,节能率40%~70%

水泵、冷却塔能耗大,机组冷量衰减快,维护运行费用高

需要制冷供热两套机组和维护人员,运行维护复杂,锅炉房需要设置安全措施

需要制冷供热两套机组和维护人员,运行维护复杂,冬季运行费用高

控制灵

活性

可分区域控制,各区域可单独制冷或制热,互不影响

集中控制,不能单独选择制冷或供热

集中控制,不能单独选择制冷或供热

集中控制,不能单独选择制冷或供热

投 资

可分期投资,根据实际需要逐台安装

一次性投资

一次性投资

一次性投资

序号

\ 投资及费用

采用型式  \

使用条件对比

一次能源利用

环境污染程度

1

传统中央空调+热力外网配套

初投资高,受热力外网距离制约

不可再生

有污染

2

蒸汽溴化锂机组+热力外网

初投资高,运行费高,受热力外网距离制约

不可再生

有污染

3

模块风冷热泵+采暖(油、气、电)锅炉

初投资高,运行费最高

不可再生

有污染

4

直燃溴化锂机组+(燃油、燃气)

初投资高,运行费高

不可再生

有污染

5

传统中央空调+燃煤锅炉房

受政策限制,环保条件差,占地面积大

不可再生

污染极大

6

传统中央空调+燃油锅炉房

受消防要求限制,运行费极高

不可再生

有污染

7

传统中央空调+燃气锅炉房

运行费较高

不可再生

有污染

8

地源热泵

初投资低,运行费低

可再生

健康环保

类型

项目

地源热泵

冷水主机+冷却塔+锅炉

家用中央空调

普通家用空调

节能

运行费用低、节能

夏季较节能,但冬季用燃油锅炉产生热水,其能效比低,运行费用高

能效比低,运行费用高

运行费用高,耗能

环保性

有专用空调机房,无噪声

夏季冷却塔设置在室外,有水飞溅,冷却塔积水容易产生军团病菌。冬季热水锅炉有燃油尾气污染大气

室外机有噪声

有热污染

室外机有噪声

有热污染

运行效果

稳定,不受大气温度影响

夏季高温高湿,冷却塔制冷量下降,影响制冷效果。冬季热水供暖,不受大气温度影响。

夏季高温高湿,制冷效果下降;冬季室外温度低,需停机除霜,制热效果差。

夏季高温高湿,制冷效果下降;冬季室外温度低,需停机除霜,制热效果差。

安全性

稳定可靠

燃油锅炉设有储油罐,有一定危险

稳定可靠

稳定可靠

舒适性

全中央空调,夏天可提供免费卫生热水

全中央中央空调,夏天可提供卫生热水

全中央空调

调节

房间温度可自行调节,空调主机可在10%~100%无级调节

房间温度可自行调节,空调主机可在10%~100%有级调节

房间温度可自行调节,空调主机可在10%~100%有级调节

房间温度可自行调节,但调节性差

对房间装修及外观影响

风机盘管可结合房间装修整体布置

无室外挂机对小区环境无影响

风机盘管可结合房间装修整体布置

室外有冷却塔对小区环境有一定影响

风机盘管可结合房间装修整体布置

室外有风冷热泵对小区环境有一定影响

室内壁挂机和柜机占地并影响装修整体效果

家用空调室外机放置在外墙对小区环境有影响

维修、操作

操作简单,基本无维修

操作较简单,冷却塔需要更换填料,热水管道容易结垢,需清洗

操作简单,基本无维修。冬季热泵用辅助电加热易损坏,需每年更换

操作简单,基本无维修

使用寿命

20年以上

15年以内

10年以内

10年以内

1.1地源热泵技术分析

1)地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400m深)作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能(EarthEnergy),是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集f47%的太阳能量,是人类每年利用能量的500多倍。它不受地域、资源等限制,真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源,使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式。地源热泵能够充分利用可再生能源,是一项可持续发展技术。

3)风冷换热器与水冷换热器的换热环境均为大气,故不可避免地受到环境条件变化的影响,会明显降低换热效率;而地源热泵换热器是和大地换热,大地初始温度大约等于年平均温度,基本不受外界环境的影响。

2.2地源热泵环境分析

普通空调对环境的影响是很严重的,由十夏季将废热排入大气,冬季吸收大气中的热量而使大气、住宅周围的环境更加恶劣;而地源热泵可以利用大地的蓄热能力,把夏季多余的排人大地的热能在冬季取用,把冬季多余的冷能在夏季取用,以达到冬夏两季室内的供暖供冷。虽然也使用制冷剂,但比常规空调装置减少25%的充灌量属自含式系统,即该装置能在工厂车间内事先整装密封好,因此,制冷剂泄漏几率大为减少。传统的空调系统的冷却塔或室外机有噪声扰民,而地源热泵没有此噪声。该装置的运行几乎没有任何污染,可以建造在居民

区内,没有燃烧,没有排烟,也没有废弃物,不需要堆放燃料废物的场地,且不用远距离输送。

2.3地源热泵的经济性分析

根据某地区的情况和现行的价格体系对地源热泵空调与传统空调方式的初投资及运行费用抬标作一比较

1)初投资与运行费用比较

a.在初投资方面。地源热泵系统可以代替原来的锅炉加制冷机两套装置或系统,实现对建筑物的供热和制冷,省去了锅炉房和冷却塔减少初投资,地源热泵的钻井费昂贵。但从总休初投资来看,地源热泵系统的初投资比传统空调系统高。

b在运行费用方面。地源热泵使用电能大大提高了一次能源的利用率。通常通过直接燃烧矿物燃料〔煤、石油、夭然气)产生热量,并通过若干个传热环节最终为建筑供热,锅炉及供热管线的热损失比较大,一次能源利用率比较低如果先利用燃烧燃料产生的高温热能发电,然后利用电能驱动热泵从周围环境中吸收低品位的热能,适当的提高温度再向建筑供热,就可以充分利用燃料中的高品位能量,大大降低供热的一次能源消耗〕供热用热泵的性能系数,即供热量与消耗的电能之比可达3-4。天然气、轻柴油价格比电贵,再加上利用率低,致使传统空调的燃料费用比地源热泵系统高。地源热泵系统不需要冷却塔,故冷却塔的运行费用可省去。地源热泵系统的运行费要比传统空调低。综合计算每年初投资与运行费之和,由表中数据可以看出地源热泵系统较其他常规空调系统经济。

2)普通空调寿命一般在15年左右,而地源热泵的地下换热器由于采用高强度惰性材料,埋地寿命至少20年。因此,从使用寿命和运行费来考虑,地源热泵的经济性是高于传统空调的。3)地源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区,不同地质条件,不同能源结构及价格等将直接影响到其经济性,根据国外的经验,山于地源热泵运行费用低,增加的初投资可在3年一7年内收回地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调。

3结语

地源热泵在北美和欧洲的许多国家已得到广泛的应用,是一种成熟的技术;但我国在地源热泵的应用方面还刚刚起步。推广地源热泵技术需要政府的政策引导、对设计和施工人员的培训、所需设备和材料的瓦套以及提高公众对地源热泵技术的了解程度、在供热空调中应用热泵技术的主要制约因素是电力供应不足和人民群众消费水平较低,对热泵空调系统的市场需求尚未形成;随着改革开放以来我国经济的发展和人民生活水平的提高,以上两个制约因素已不复存在,空调和供热已成为普通百姓的需求,并逐渐向农村和南方扩展,市场前景很好。因此应增加技术资金的投人和相关技术人才的培养。同时向世界上热泵技术比较发达的国家学习,但在学习过程中应注意:由于我国气候条件与那些国家的气候条件不同,因此不能照搬外国的技术成果,而应注意吸收国外正反经验,合理布局,稳步发展,在条件相对成熟的地区多进行试验和总结。

地源热泵相关介绍

一、地源热泵中央空调系统的组成和形式

地源热泵中央空调系统由室外换热系统和室内换热系统两大部分组成,每一部分都有多种不同的系统形式。室外换热系统有闭式GSHP(土壤源)与开式WSHP(水源热泵)两种系统方式。

1.闭式换热方式的组成

闭式换热方式由埋设在地下或抛放在水中的PE管和循环水泵及相关附属部件组成。由循环水泵驱动PE管路中的循环水,循环水作为热量的载体将热量在室内房间与室外土壤或地表水中进行转换。

2.开式换热方式的组成及各部分的功能

开式(水源热泵)换热方式由抽水井、回灌井、调节水池、板式换热器、潜水泵、回灌泵、循环水泵及相关附属部件组成。由潜水泵将地下水抽取到调节水池中。由循环水泵驱动调节水池中的水流经板式换热器后在送回调节水池。板式换热器将地下水与室内循环水进行隔离性的热量交换。当调节水池中的地下水失去利用价值后由回灌泵送回回灌井内。调节水池将抽取上来的地下水进行暂时存放,当水温降低至不可利用的温度(冬季)或当水温升高至不可利用的温度(夏季)后再进行回灌,这样对地下水的抽取及回灌都是间歇性的,充分利用了抽上来的地下水的低位能源,减少了潜水泵的开机时间节约了电能同时还降低了回灌的压力。

二、地源热泵特点

1、属可再生能源利用技术

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400米深)作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能(EarthEnergy),是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳能量,比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制,真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源,使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

2、属经济有效的节能技术

地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%,因此要节能和节省运行费用40%左右。另外,地能温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性。据美国环保署EPA估计,设计安装良好的地源热泵,平均来说可以节约用户30~40%的供热制冷空调的运行费用。

3、环境效益显著

地源热泵的污染物排放,与空气源热泵相比,相当于减少40%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上,如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂,但比常规空调装置减少25%的充灌量;属自含式系统,即该装置能在工厂车间内事先整装密封好,因此,制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染,可以建造在居民区内,没有燃烧,没有排烟,也没有废弃物,不需要堆放燃料废物的场地,且不用远距离输送热量。

4、一机多用,应用范围广

地源热泵系统可供暖、空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统;可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,更适合于别墅住宅的采暖、空调。此外,机组使用寿命长,均在15年以上;机组紧凑、节省空间;维护费用低;自动控制程度高,可无人值守。

三、对几种地源热泵系统在工程应用中的评述

2)地下埋管的地源热泵系统:对于①垂直式埋管系统,其优点有:较小的土地占用,管路及水泵用电少,其缺点是钻井费用较高;对于②水平式埋管系统,其优点有:安装费用比垂直式埋管系统低,应用广泛,使用者易于掌握,其缺点有:占地面积大,受地面温度影响大,水泵耗电量大。

3)地表水式热泵:其优点有:在10米或更深的湖中,可提供10℃的直接制冷,比地下埋管系统投资要小,水泵能耗较低,高可靠性,低维修要求、低运行费用,在温暖地区,湖水可做热源,其缺点有:在浅水湖中,盘管容易被破坏,由于水温变化较大,会降低机组的效率。

四、其他形式中央空调的制冷和取暖方式

(1)冷水机组(制冷)+燃煤锅炉(采暖)

(2)冷水机组(制冷)+燃油锅炉(采暖)

(3)冷水机组(制冷)+燃气锅炉(采暖)

(4)直燃式(燃油、燃气)溴化锂(冷暖)

五、冷、热量获取方式

六、主机能耗比较(以1万平米办公楼为例)

冬天耗电204KW/h

冬天燃煤314Kg/h+耗电15KW/h

冬天燃油67Kg/h+耗电15KW/h

冬天燃气70立方/h+耗电15KW/h

燃气192立方/h+耗电33KW/h

七、主机房系统投资比较

(以1万平米办公楼为例,未比较机房面积和建设费)

GSHP地源热泵主机、附属设备145万元

燃煤锅炉25万元

燃油锅炉31万元

燃气锅炉40万元(不含市政接网费)

其中地源热泵机房面积为70㎡

八、主机系统运行费用比较(以1万平米办公楼为例)德州春意空调设备有限公司

(主机运行时间10h/天,夏天制冷90天,冬天120天,电费0.5元/KW)

2、地源热泵主机为全自动电脑控制,无须专人看守和劳动;其他形式机组要有几个人去管理和劳动。

序号

性能

风冷热泵

变频多联

地源热泵

1

能量获得方式

从空气中获取低品位能量,大量应用将引起城市热岛效应

从空气中获取低品位能量,大量应用将引起城市热岛效应

通过水于土壤或其他自然资源中取能,能有效减小城市热岛效应

2

系统形式

风冷形式,热传递效率较低

风冷形式,热传递效率较低

水冷形式,可更高效稳定的进行热传递,令系统工作更稳定。

3

效率衰减

高温和低温时,热泵效率衰减量大,即最需要空调时反而是空调效率最低时

高温和低温时,热泵效率衰减量大,即最需要空调时反而是空调效率最低时

地下温度全年波动幅度小,热泵效率基本没衰减,在室外环境温度过低和过高时能很好保持舒适性

4

外机

有外机,且外机噪音大,如建筑有景观要求时难处理

有外机,且外机噪音大,如建筑有景观要求时难处理

无外机,不需专用机房,提高建筑使用率;没有外机噪音,能很好满足建筑景观需求

5

容量限制

无容量限制,更大自由度的提供室内负荷及提供某些日常很少用空间的空调予留

连接率不超过130%,超过100%时效率降低,超过130时系统不工作。

无容量限制,更大自由度的提供室内负荷及提供某些日常很少用空间的空调予留

6

新风

新风自由连接到系统中

新风应另配系统,VRF系统内内机不可直接处理新风

新风自由连接到系统中

7

室外换热器

风冷换热器易于积嵌污垢,清洗不善严重影响效果

风冷换热器易于积嵌污垢,清洗不善严重影响效果

水冷不易脏堵,无风冷换热器缺点

8

维修

单机维修将不影响整个系统,主机故障将影响整个系统

单机与主机任何故障都将影响整个系统

维护时只需对单体进行检修,维护管理方便,不影响系统

9

节能性

COP值在3.0左右,效率不高

COP值在3.0左右,效率不高

COP值在4.0左右,效率较风冷系统高出30%

10

管路衰减

管路衰减小,在10%内

既有管长的衰减,同时还有内外机高差衰减,一般要考虑25%以上的总衰减量,相对来说整个系统效率差

管路衰减小,在10%内

11

除霜

冬季有间歇除霜,影响制热性能和舒适性

冬季有间歇除霜,影响制热性能和舒适性

没有除霜,制热性能稳定可靠

热水方案比较分析

受国际制造业市场影响和国家出台石化产品燃油附加税政策的出台,有效控制企业的生产成本上成为企业决策层的议题,节能降耗减排也是中国政府提倡的一项政策,纯节能项目的成功引进和利用是企业增加利润、降低生产成本和提高市场竞争能力的重要举措。

A、绿色环保,再生能源,节能降耗,没有排放。

B、降低了空压机的运行温度,提高了空压机的产气量。

C、延长空压机耗材使用周期,减少空压机的运行故障。

D、节约生活热水的柴油经费,压缩了生产环节的经营成本。

E、没有燃油烟气排放,顺利通过ISO14001认证。

G、不用油、气、电就能获得60℃以上的生活热水。

G、同时利用空调的余热补充,做到全年完全的无成本使用热水。

2.经济效益评估

不同供热方式使用成本对比(日产120吨温水55℃)

供热方式

燃煤锅炉

燃油锅炉

锅炉

电锅炉

空气源热泵

空压机热回收

燃料种类

天然气

环境污染

非常严重

不太严重

严重破坏臭氧

危险性

比较危险

比较危险

燃值

4300kCal/kg

10200kCal/kg

9000kCal/kg

860kCal/KWH

860kCal/KWH

600kCal/KWH

平均热效率

64%

85%

85%

95%

350%

燃料单价

0.92元/kg

7.46元/kg

9.25元/kg

0.8元/kg

0.8元/kg

吨热水耗料

16.35kg

5.19kg

5.89kg

55.085KWH

14.95KWH

无需燃料

吨燃料费用

15.1元

38.71元

54.48元

44.00元

11.96元

只需循环水泵1元/吨

日运行费用

1812

4645

6537

5280

1435

120

年运行340天费用

61万元

157万元

222万元

179万元

49万元

4万元

设备寿命

5-8年

5-8年

5-8年

12-15年

12-15年

12-15年

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