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空气源热泵在建筑节能中的应用

2010/12/06

空气源热泵在建筑节能中的应用
 
清华大学      
北京清华索兰环能技术研究所       李元哲
 
一、能源形势
     人类社会的可持续发展面临着能源的挑战。我国是世界上能耗第一大国,且已储能量有“富煤、贫油、少气”之称。所以,开发可再生能源和新能源,调整能源结构,提高能源利用效率,节约用能等是我国长期的战略方针。在已制定的《可再生能源法》及其修订版及《节能中长期专项规划》中已确立了上述战略方针的思想原则。
    近年来,随着我国拉动内需的经济策略的促进,建筑业迅猛发展,另一方面,随着人民生活水平的提高,人群活动空间在扩展,人居环境舒适度不断提高,例如,2001年,我国出台了《冬冷夏热地区采暖、空调设计标准》(J116-2001)对原本不采暖的长江流域也制定了采暖标准。这些都使建筑用能不断增长,统计表明,建筑用能占全国用能的27%,其中采暖、空调、生活热水又占50%以上。
二、环境保护对能源利用提出的挑战
    二十世纪前几乎都燃煤取暖,排入大气二氧化碳、硫化物、氮氧化物、粉尘等,造成严重的大气污染。好于二级以上的天气不足60%。
为此,二十世纪末我国政府高度重视环境治理问题。政策指出煤炭要用于发电,石油要用于交通运输和化工原料。并于2006年6月颁发了关于发展水源热泵、地源热泵产业的奖励办法。后来又颁布了管理细则。
上述的实施显著地改善了大气环境。2009年,我国政府率先在国际上提出至2020年单位GDP碳排放降低至2005年的20%-25%的郑重承诺。
三、能源的品位
能源的价值不但有数量之分,更有质量的差别,所谓质量或者说“品位”是以其做功的能力来区分的。【1】对此做了量化的描述,指出电是最高品位的能源,近似全部可以转化为功。天然气则比煤的品位高许多,即宝贵得多。
能源中的另一类是低品位的。他们不能直接利用做功。例如,太阳能、空气(也是太阳能转化的)、风能、地面水、地下水及废水等。但它们是不可忽视的大量蕴藏着的可再生的能源,并且在技术发展中可以向高品位转化的能源。
因此,明确能源的品位高低,及其转化的可能性,按品位高低、珍惜节约,按质用能及重视低品位能的开发技术就成为理所当然。
四、热泵的能效比
热泵是上世纪七十年代发展起来的继空调制冷机之后的又一项节能热机。它是利用少量高品位能将低品位能提升到高于环境温度的可用能。由于该热力过程中输入的能量都发生了品位的转化,所以,它不再能用“能量守恒”的数量不变的定律去衡量。也因为高品位能和低品位能的互相参与过程的结果,无论是产生热空气还是热水,其数量比单一的高品位能要高。也就是人们通称的能效比大于1.0
但是,值得提醒的是,无论热空气和热水虽然不能做功,却也有品位高低之分。正如我们烧水时60℃的热水比40℃的热水要费燃料一样的道理。用这种能也要遵循能用低温就不用高温的原则。
另一点就是热泵是通过压缩机或类似机械来完成的,但一定要将压缩机能达到的能效比与送达用户,即包含整个系统在内的能效比区别开来。前者大于甚至远大与后者。
五、热泵的种类及其达到供能规模
目前,较普遍应用的热泵热源有三种,即空气源、土壤源及浅层地下水源。水源热泵可以达到最大的供能规模,土壤源次之,空气源热泵较小。依各自供热规模的大小,使用的单台压缩机也不同。近期螺杆式压缩机的发展较快,如使用R22的螺杆压缩机单台制冷量可以从140-3600kw。
空气源热泵由于空气侧的换热器体积相对庞大,故供热规模较小,一般单台在7kw-70kw范围内,但是有趋势为利用螺杆机,单台可达到700kw。所以空气源热泵有特别适应中小型公建的优点,下节详述。
六、空气源热泵的优势
1、空气是可再生的清洁能源,唾手可得免费使用。与水源、土壤源相比,不涉及地质资源限制,也不污染地下水。
2、无需特设机房,安装方便,大型可装在屋顶节省占地。
3、初投资相对于水源、土壤源低。
4、类似普通空调机,操作方便,无需专管技术人员。
5、可按户计量,收费方便,用户使用自主性强。适宜用在小型用户。
有人认为空气源热泵供热系统能效比小于3.0就不再是节能产品。这是将空气源热泵与电厂的燃煤锅炉比,即,认为既然燃煤发电厂的效率只有33%,那么热泵用1度电就应当有3倍的输出才划算。
这里的不准确之一是煤、电、和热三者并不能用量来划等号;其二是燃煤发电站与区域性燃煤锅炉不但效率不可相比,而且从占地面积、占用人力、污染环境等诸多因素都不能比。所以热泵供暖的能效比应当是多少?在什么地区(指能源状况、地质状况等)?什么用户?什么建筑?等诸多情况下以一个等效比一刀切的规定,是不恰当的。
七、空气源热泵应用中的问题及解决途径
无论是应用于采暖还是生活热水,由于大气环境的昼夜及全年气候的变化快、变化大,使空气源热泵应用技术较地源热泵和土壤源热泵的技术难度要大。
1、在上世纪七十年代,空气源热泵技术已经初步成熟,80年代在我国开始大量进入市场的是所谓“空气-空气”式的,或者说其机组的蒸发器(吸热端换热器)和冷凝器(放热端换热器)都是以制冷剂与空气进行热交换。如当时的窗式、分体式,及“一拖多” 等。这种机组的供热范围不能太大。如果构造中央空调系统,则必须以热风为输送介质。热风的输送体积大,噪音大,且输送动力大,输送半径小。更不能形成区域供应。后来日本大金公司的VRV系统在一定程度上解决了这一问题。但相对来说,技术、构造较复杂,且造价偏高。
2、“空气-水”式热泵的发展
本世纪初,最先兴起的用“户式中央(热泵)空调”,它以水为供热介质。扩大了供热范围,多用于大面积的住宅,不过它的供暖末端装置是“热风”。由于多级的热交换,又由于热风供暖要求的水温不宜低于40-42℃,所以这种热泵装置在室外大气温度低于-5℃时,必须加电补热才能应用。此外,热风供暖的室内温度场上高下低,不但人体不舒适,而且能耗大。
之后,2002年经我国建设部鉴定的国内首创技术是空气源热泵地板采暖。使空气源热泵采暖技术从只能适应长江流域扩大到黄河流域,并获得冬季采暖节能60%的可喜结果。针对这项技术曾接待过日中友好文化协会、日本三菱株式会社及日本大金公司有关人员。至今已推广十五万平米以上。
3、地板采暖
随着高分子化工材料管材的发展,以热水盘管为热源的地板采暖在上世纪90年代蓬勃发展起来,与热风采暖相比它可以节能20%左右,这是由于(1)在室内人体的热平衡中,与外界辐射热交换的比例要大于对流。因此,人体被较大的热面包围时,要求的室温可以低2-3℃.(2)应用地板辐射采暖时,由于房间内的温度场上下均匀,在人体的呼吸区上部,没有因为室温过高而产生的过度热损失。(3)从人体的生理上看,热从脚下起有益于血液回流和身体健康。(4)由于地板的采暖面积比暖气片面积大得多,所以,它的表面温度可以大大低于后者,就可以满足室温要求。因此,常称为“低温辐射采暖”。规范上从人体卫生角度出发限制其最高表面温度为26-28℃。
4、空气源热泵地板采暖在寒冷地区应用的可行性
如前所述,目前空气源热泵有两种可在寒冷地区供暖,一是日本大金的VRV空气-空气系统,对它的评述如前所述,另一种是空气源热泵地板采暖系统,后者构造较简单舒适并节能。但众多的人对它的技术可行性存在疑虑,集中起来有三点,以下提出并进行分析。
(1)              在寒冷地区,或者说大气温度低于-5℃后,供水温度就要降低。其实在压缩机允许的运行工况范围内,当机组的出力与供暖负荷平衡时,供水温度不会下降。
(2)              压缩机允许的运行工况见表1【2】
     1   全封闭涡旋压缩机的使用范围

全封闭涡旋压缩机的使用范围
 
 
 
 
类型
蒸发温度℃
冷凝温度℃
压缩比
高温型
 -23.3~12.5
 27~60
6
中温型
 -23.3~0
 27~60
 
低温型
 -40~-12.5
 27~60
 

2   活塞式压缩机的使用条件【3】

项 目
 冷 工 质
R12
R22
R717
最高冷凝温度℃
相应表压力Mpa
蒸发温度范围℃
相应压力表Mpa
吸气温度℃
活塞最大压力差Mpa
最高排气温度℃
油压Mpa
最高油温℃
50
~1.14
-30~10
0.0025~0.33
15
1.2
130
40
~1.48
-40~5
0.0076~0.5
15
1.4
150
40
~1.49
-30~5
0.022~0.43
T0+(5~8)
1.2
150
比曲轴箱压力高0.15~0.3
70

 
地板采暖所需供水温度;我国2007年制定的关于低温辐射地板采暖的标准中列出的在不同水温下,不同地板结构,地板提供热的有效散热量。见表2。
(3)               
3 低温辐射地板采暖的有效散热量(w/m²)

管间距(mm)
200
175
150
平均供水温度35℃
陶瓷砖地面
86
90
94
复合木地板
66
69
71
实木地板
60
62
64

 
表中数据说明对于一般的节能建筑,在30-35℃的供水温度,用地板采暖是可以满足室温要求的,其对应的冷凝温度≤40℃,用R22为工质时,最高工作压力为14kg/cm²左右。
(4)              在寒冷地区空气-水热泵的工作条件
      以京津地区为例,近年冬季出现的最低气温为-15℃,如上述,当室外气温为-15℃时,以R22为制冷剂的蒸发压力约为1.293kg/cm²左右,冷凝压力与蒸发压力之差<14kg/cm ²。而如果以R12的替代工质415B为制冷剂时,其最大工作压差会更小些。
最大工作压差是控制排气温度,保护润滑油的,对于回气冷却电动机的全封闭式压缩机尤其是螺杆式压缩机,上述最大压差还可以放宽。由上表1表2可见,全封闭的压缩机的使用范围适合空气源热泵地板采暖。
上述论证在诸多工程实例中获得了证实。
(5)              关于除霜:
有文章认为在寒冷地区由于除霜会使空气源热泵额定的供热量下降10%左右。实际上,蒸发器的翅片上结霜与空气中的绝对含湿量有关,从湿空气的物性中可以看出空气温度低于-5℃时,无论相对湿度多高,即使是雪天,1立方米空气中的绝对含湿量都很小,少于2克,所以在采暖负荷较大时,机组并不执行除霜。
6)空气源热泵机组容量的确定:如何确定此类热泵的大小很重要,前面已述及,当室外气温低于标准工况所制定的7℃时,空气源热泵的供热量会下降,所以设计者不能根据标准工况的供热量选用机组,而应该按照用户所在地区的供暖设计工况及热泵在所需供水温度下的供热量来选用机组。
北京某研究所的代表性产品FRS-8在家电所进行了性能测试,数据结果见下表- 并制成图-
 
 

检 验 结 果
序号
室外温度℃
出水温度℃
消耗功率 W
制热量 W
性能系数 COP
1
-2
34.3
1917
3832
2.00
2
-7
33.5
1780
3421
1.92
3
-10
32.1
1741
3695
2.12
4
-15
34.0
1734
2600
1.50

1)、空气源热泵机组容量的确定
机组容量应在冬季采暖和夏季制冷所需容量中选择大者。
1.1、夏季制冷时机组容量=当地用户建筑空调设计负荷w/m²*用户的建筑面积m²*各房间同时使用系数
2.2、冬季采暖机组容量(地板采暖)=当地用户建筑采暖设计负荷w/m²*用户的建筑面积(m²)*(0.85~0.9)/(1-β)式中:β(供热量下降百分率)值见图,图中C O P=供热量(kw)/机组全部耗电。
对长江流域在确定机组容量时,应考虑除霜的影响,适当加大机组容量。
7)提高在寒冷天气时的压缩机回气量的问题:
空气源热泵在低温下工作时,蒸发压力很低,对一般的制冷剂来说其比容会大幅度下降,因此返回压缩机的质量流率就大大下降。因而不但使压缩机的出力下降,而且,制冷剂携带的润滑油也少了,致使压缩过程润滑恶化,摩擦损失加大,排气温度升高,会导致润滑油碳化,电机工况恶化,以致烧毁。图2表示出一种简单的增补回气的办法,即在气液分离器中加装一套盘管,使夹杂液滴的回汽与冷凝器出口的液体在图2所示的盘管上进行热交换,从而一方面使冷凝器过冷,增加放热量,另一方面回汽中的液体在蒸发,增加压缩机的回汽量,这是一种简单而又增效的方法。
8)其他技术进展:为适应或扩大空气源热泵在寒冷地区的应用,目前还有以下的技术。
① 制冷剂的进一步研制:目前我国广泛使用的R22制冷剂存在着冷凝压力高,排汽温度高,因而限制了热泵供水温度的缺点。近期国内也研制出了不少新的工质,如HFC123、HFC134A等。相同的冷凝温度下,温度可以降低30%,而排汽温度也下降,换句话说,在相同的压缩机使用条件下,其供热温度可以提高许多。但它们的比热小、比容大,而且HFC134A有室温效应。因而压缩机及热泵系统体积庞大,且能效比较低。其他如410、407、415、418等混合工质双组分的,也是不破坏大气的环保工质。由于热泵在热水供应和空调除湿用需要更高的供水温度,最近还研制出一些高温工质,如DY5,正在被研究机构试用。
② 压缩机变频技术
③ 对压缩机的低压回汽进行补气
④ 对压缩机的电机进行冷却,或油路的冷却。
     
八、空气源热泵地板采暖的工程实例
案例一、天鸿集团建设的曙光花园【4】
室内于2001-2002冬季安装了空气源热泵地板采暖,地面为陶瓷砖。经中国家电所提供的电功率表及铂电阻测温仪,天鸿集团监测,全冬季逐日记录,结果为:热泵地暖的耗电量为20-30度/m²,比燃气炉节省58%的采暖费。
案例二、2004年国家发改委信息传播中心再次指定由黑龙江节能监测中心对推广的典型工程案例进行实地测试,统计分析对其技术原理、节能指标、经济效益、市场能力等进行综合分析得出的结论是:该系统结合了地板采暖和热泵的节能优势以第82个“最佳节能产品”案例向全国推广。【5】
案例三、09-10年冬季,北京地区经受历史罕见的寒冬,元月6日,地板协会邀请河北、山东等关注这项采暖技术的人员组成一个参观团,对世界公园、颐西山庄、清华阳光生产基地等诸多用户进行考察,详细描述见《中国建设报》2010年1月14日第七版《品质,在低温天气中闪光》【6】
 
九、    三种可再生能源热泵地板辐射采暖经济性分析
诸多案例证明空气源热泵——地板采暖不但实现了节能减排,而且便于分户计量,自主调节,但空气作为热源,温度变化大,且供热范围不宜很大。
土壤源和浅层地下水源的热泵则是从地下10米深以下取热,所以,热源在一个季度内变化不大,而且一般的供热范围可大到一个小区,对于我国寒冷地区有代表性的京津等地,上述三种热源的温度对比如下表:
4 北京地区冬季室外月平均气温、土壤温度、浅层地下水温
 

   
11
12
1
2
3
室外平均气温℃
4.1
-2.7
-4.6
-2.2
4.5
冬季平均气温℃
-0.18
10米以下土壤温度℃
如果取热和回热平衡,常年13.4℃
浅层地下水温℃
14℃

基于上表,对三种热泵地板采暖冬季工况进行比较,列于表四。
5    水地暖的节能分析

项目(均为R22机组)
空气源热泵
地下100米深井水源热泵
地下土壤埋管
的地源热泵
冷凝温度℃
11月~3月
~45
~45
~45
冷凝压力(kg/cm²)
11月~3月
16.2
16.2
16.2
阶段平均蒸发温度℃
11月~3月
-8
9*
0~1
阶段平均蒸发温度(kg/cm²)
11月~3月
2.89
5.78
4
压缩机工作压力差(kg/cm²)
11月~3月
13.31
10.42
12.2

 
再根据表5可得出三种热泵冬季五个月的运行成本(含送至用户的水泵)
6   运行成本对比

项目
空气源热泵
地下100m深井水源热泵
地下土壤埋管的地源热泵
初投资
27
30-32
32-37
折合每平米
270
300-320
320-370

 
7中列出了当前三种热泵初投资的单价参值(北京地区)

     
空气源热泵
机组10HP三台
地下100m深井
水源热泵(6HP三台)
地下土壤埋管的
地源热泵(6HP三台)
制热量(KW)
 
 
 
11月
3月
 
21×2(开两台)
22.12×2(折合开2台)
16.2×2(开2台)
输入功率(KW)
7.15×2
4.33×2
4.33×2
平均每日运行时间(H)
17.8
16.94
23
风机水泵耗电功率(KW)
1.5(风机和水泵)
5(水泵)
2.2(水泵)
每日耗电量(KW)
281.24
231.4
249.78
冬季平均C O P
2.6
3.2
3.0
供暖季总耗电量(KWH)
42889.1
35288.5
38091.45
折合每平米耗电量(KWH)
42.9
35.3
38
供暖季
电费(元/㎡)
0.5元/kwh
21.45*
17.65
19
1.0元/kwh
42.9
35.3
38

 
综上分析的结论是:三种热泵各有使用优势,从经济上比较,空气源热泵初投资较高,但其运行成本的差异,与初投资相比小一个数量级。
结论
空气源热泵地板采暖在我国黄河,长江流域推广技术成熟,节能减排效益显著,在常用的三种热泵中有经济优势,且不影响水文地质,只是适用的建筑面积有限度。
 
参考文献
1】清华大学建筑节能研究中心著《中国建筑节能年度发展研究报告2009》中国建筑工业出版社
2】刘卫华主编《制冷空调新技术及进展》机械工业出版社
3】姚行健主编《空气调节用制冷技术》中国建筑工业出版社2002年第四次印刷
4】李元哲等 《在我国寒冷地区稳步推进中的空气源热泵地板采暖》 《供热制冷》2003.2
5】发改委节能信息中心《最佳节能产品案例》
6】《中国建设报》2010年1月14日第七版《品质,在低温天气中闪光》